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挖掘机早就有了，汽车都百年历史了，技术很成熟了吧！还有什么需要研发的吗？你被问过类似的问题吗？我被问过多次。问我的既有客户、业务或财务等部门的同事、也有同学朋友、投资者甚至上司。我猜，很多研发人员被问到这种问题时都会感到语塞。
这种问题不只有外行才问得出来，有时技术研发人员自己也会困惑。我刚毕业参加工作时，副总工程师把我们叫到办公室里，跟我们说“你们不要那么书生气，学校那种科研我们这里不做，现在的产品跟二三十年前相比没什么变化。”领导说了这样的话，却没告诉我们具体要研发什么，我当时内心就有“二三十年都没有变化，研发人员做什么呢”的疑问，只是一个毕业生，还没有向副总工程师提问题的信心。
之所以有“成熟，没什么可研发”的错觉，估计是某种技术已经存在很长时间，产品外形和功能的确多年没有大的改变，或者其原理早已为人们所熟知的缘故，至少在外行人看来是如此。事实是否如此呢？下面以汽车发动机、精密天平、电力变压器、非标设备以及化工产品为例，看看技术“成熟”之后，研发要解决什么问题。
例1：汽车发动机
蒸汽机是通过锅炉外部燃烧的方式将热能转化为机械能的，最主要的缺点是热效率低，因为锅炉和烟囱把绝大多数热量散发出去了。此外还存在启动前要长时间预热的缺点和锅炉爆炸的危险。虽然有许多科学家和工程师对蒸汽机的热效率做过改进，但是外燃的固有缺陷决定了蒸汽机的热效率不可能显著提高。
认识到外燃是蒸汽机的固有缺陷后，法国科学家巴本提出以火药为燃料的内燃机设想，但内燃机对气缸活塞材料和加工精度有很高的要求，特别是燃料的配送、适时点燃、燃渣的排出等都难以解决，这些基础条件的限制决定了巴本的设想在当时不可能实现。
直到1859年美国打出世界第一口油井，有了石化燃料制造内燃机才有了可能，1860年法国发明家勒努瓦造出第一台以煤气为燃料，用电火花为点火装置的内燃机，第一台内燃机燃料消耗量很大，体积也很大，热效率只有4%。
1862年（清朝同治二年）德国工程师尼古拉斯·奥托根据法国工程师德罗夏提出的内燃机四冲程循环理论发明了四冲程发动机，效率提高到14%。它由吸气、压缩、膨胀、排气四个冲程构成一个工作循环，故称四冲程发动机，也叫奥托式发动机。四冲程原理初三物理就学过，我现在还记得，预习完老师还没讲我就无知者无畏地惊喜：发动机原来这么简单，我懂了。
奥托的儿子古斯塔夫·奥托子承父业，创办了德国最早的飞机制造公司，将奥托发动机用到飞机上。直到1939年第一架喷气式飞机飞上蓝天为止，飞机都还是用奥托发动机，此时距离奥托发明四冲程发动机已经过去近80年，奥托儿子创办的飞机制造公司转型为汽车制造公司，就是今天的宝马汽车公司，宝马汽车车标是蓝白相间的圆形图案，象征着蓝天白云，就是与当初飞机制造公司有关。
现在路上跑的燃油汽车，发动机绝大多数仍是奥托四冲程发动机，也就是说，四冲程原理一百五十多年来没有变化。但是原理没有变化，不代表技术没有进步。
五十年前的汽车停放一晚漏出来的，比今天行驶一天排出的污染物都要多。现在你早上到停车库开车上班，不太可能见到下面一滩黑色的东西了吧？其实发动机解决密封问题就花了几十年时间，甚至可以说时至今日发动机密封问题也没完全解决。风吹日晒，使用日久，密封老化，保养不当等仍会导致密封失效。烧机油其实也是密封不良的一种，直至今天，烧机油仍是发动机的一大通病，特别是涡轮增压的所谓带“T”发动机。
可以说，一百五十多年来，几十上百万发动机科学家工程师研究发动机不是发明新的发动机原理（虽然也发明过一些新的发动机原理，比如斯特林发动机，库尔兹发动机，但都没有成为市场主流），而是让奥托循环原理工作得更好。通俗地说，就是让发动机更有力量、更省油、更安静、更可靠以及更低的成本，要达到这些目标，发动机科学家工程师简直要解决无穷无尽的问题。
比如为了提高发动机的扭矩，同等缸径的前提下，可以增大活塞行程，增大行程就是增大发动机的排量，排量增大发动机的扭矩就更大。但是增大行程会引发一系列问题，活塞和气缸壁磨损更严重、离心力更大（导致更大的振动）、曲轴制造难度更大，为解决这些问题，又要采用其它技术，其它技术又会带来新的问题，比如增加润滑可以减少磨损，但增加润滑又要解决润滑油的过滤、密封、泵送等问题，解决这些问题又会引发新问题，如此循环，各个因素互相牵制，简直没完没了。
又比如增加缸径也可以增大发动机的扭矩，但增加缸径发动机更容易爆震，这要通过优化燃烧室、喷嘴、喷油方式等来解决。像经济学边际效用原理阐明的那样，任何单一技术都有效用极限，不太可能把单一技术优化到极致来实现全局最优解，解决一个问题，往往需要组合多种技术，除优化燃烧室、喷嘴、喷油方式外，从燃油做文章也是解决爆震问题的途径之一，这就是92，95，98牌号汽油的来由，数值越高，辛烷值越高，抗爆震能力越好。现在豪华车大多数用高压缩比、大缸径、短行程发动机，这种强劲的豪华发动机容易爆震，除发动机本身采用很多防爆震技术外，还要求加高牌号燃油，实际上是把发动机部分研发成本转嫁到客户使用成本上。
发动机的发展历史说明一项技术从雏形到发展得比较完善，需要经历一次又一次的改进，时间可能还很漫长，虽然基本原理没有改变，但是研发工程师需要解决大量实际问题。解决问题过程中，还可能由于新材料、新工艺、新需求、新法规等的出现给设计带来新的灵感和推动力，不断有新技术的涌现，有新的问题需要解决。
例2：精密天平
天平的工作原理是杠杆原理，阿基米德杠杆原理初二物理就学过。小卖部用的秤杆和科学实验用的精密天平都是同样的杠杆原理，粗糙天平木工师傅就可以做，精密天平却是高科技仪器。
根据杠杆原理，一端的力乘以力臂等于另一端的力乘以力臂，所以要制造出精密的天平，就要制造出精密的杠杆。制造精密杠杆需要精密的机床、精良的工装、优质材料、精湛的技艺。除制造出精密杠杆，还要在使用过程中保持精密，这就要求杠杆使用过程不能出现磨损、氧化、变形、热胀冷缩等问题。
比如，为了获得耐磨的杠杆，一般用优质低碳合金钢加渗碳淬火处理。如果你在农村生活过，你可能见过打铁，烧红的铁丢进水里，嗤…的一声，这个加热和快速冷却的过程就叫淬火。淬火比较专业的解析是一种将材料加热，使金相组织奥氏体化，再快速冷却，将奥氏体转化为坚硬的马氏体组织的热处理工艺。
冷却过程不可能把所有奥氏体变成马氏体，有一部分奥氏体会残留下来，奥氏体在常温甚至零下几十度还会慢慢地向马氏体转变，因为奥氏体和马氏体的密度不同，所以奥氏体转化为马氏体过程体积会改变，跟水结成冰体积增大的道理一样。由此可知，如果残余奥氏体过多，杠杆就会慢慢伸长，精密天平逐渐变得不再精密。
残余奥氏体又不能过少，过少会引发脆断和其它问题，于是残余奥氏体含量多少为合理？工艺上如何保证达到这个数值？这就是研发要解决的问题，杠杆支点的摩擦力也会影响天平精度，如何减少支点摩擦力？
所以精密天平的核心技术不是杠杆原理，而是如何通过技术手段让理想化的杠杆原理跟现实高度吻合。
例3：电力变压器
交流电力变压器的工作原理是，升压（降压）倍数等于两绕组线圈的匝数之比（N1/N2），这个原理高中物理也学过，市面上无论干式变还是油式变都是这个原理。那么变压器研发工程师要解决什么问题呢？据我所知，不是研发新的变压器原理，而是解决变压器在不同工作环境下遇到的各类问题。
如果变压器用在居民区，噪声就是很重要的技术指标。反之，如果用在风电场或者光伏发电场等远离居民区的场合，噪声就相对次要，而可靠性，可维修性，远程监控等就变得更加重要。
比如近年大力发展海上风电，陆地上用的变压器就不能直接用于海洋环境，因为海洋环境湿度大，含盐量高，腐蚀性强，还有强台风。工况不同，就有相应的问题需要研发人员解决。在居民区附近，变压器置于地面上，紧固是相对简单的问题，海上风电塔筒高达80-100米，晃动激烈，在盐雾和晃动作用下，紧固件（大多是螺栓）很容易被腐蚀和松动，机舱变压器紧固就是严肃的问题。如果螺栓松动，或者构件变形，就有可能发生放电燃烧等重大事故，近年风电着火爆炸事故时有报道。
2006年大三暑假时，学校组织我们专业全体学生去广西柳工机械实习了一个月。广西柳工时任总工程师给我们讲了一堂课，他在讲台上拿起一根螺栓，跟我们说，一根螺栓就够你研究一辈子。螺栓够传统够成熟了吧？里面可大有学问，据德国尼曼教授著的《机械零件》（第一卷），也许没有一个元件像螺栓防松装置那样有那么多的专利申请。
研发电力变压器，貌似是电学问题，实际上是多学科问题：解决材料腐蚀问题需要材料工程、表面工程，喷涂技术等知识，解决紧固问题用到的是机械和力学知识。所以研发电力设备不只有电力工程师，它还需要材料工程师，机械工程师，力学工程师等，它是跨学科跨领域的问题。我听国内某生产电力变压器上市公司的研发总监说，他们研发变压器单仿真软件就投入五百多万人民币，包括电磁学、热力学、结构力学三大仿真模块，可见变压器是典型的交叉学科产品。
例4：非标设备
发动机、天平和电力变压器原理都比较固定，而且非常基础和明确，都是中学物理学过的定律。但有些产品的原理是比较笼统的，并没有一条明确的原理，很多非标设备就是如此。非标设备顾名思义它不是标准化的，实现同样的功能，可以用完全不同的技术方案，变形一般也比较多，比如糖厂压榨甘蔗的压榨辊既有液压马达驱动的，也有电机加减速箱驱动的。
读研阶段我跟着导师给瓦房店轴承厂设计过多款清洗机，清洗机就属于非标设备，实现清洗功能就有很多不同的方案，有超声波清洗、喷淋清洗以及真空清洗等。
无论哪种非标设备，一般来说，机器都包括原动机、传动机和工作机三部分，随着信息技术的发展，现代机器往往还加上控制机，融入感知，信息传输，人机交互，自动控制等现代化元素。对于非标设备研发，研发人员要解决的问题主要有功能的比较、选择和组合。尽管如此，一般也不是完全从零开始，而是改进现有的产品，使之适应新的需求，或者消除其不良的部分。
例5：化工产品
机械和电力设备从实验室到批量生产差距并不大，但化工产品从实验室到批量生产还有很长的路要走。化学家在火焰上摇晃试管做成试验品，用同样的方法加热上千吨的容器很可能以爆炸收场。小小的试管容易均匀加热，千吨容器外层已经加热，内层可能还是冰冷的，大容器对热量的均匀分布更为不利，传热性质不能等比例放大。化学工业小试与工业级生产其传热传质、混合的均匀性等都存在显著差异，所以，从试验品到工业品还需要研发人员解决技术、工艺、检测、安全、品控以及废弃物处理等一系列问题。
企业研发几个特点
我个人的体会，技术研发人员学习一点科学技术史很有意义，它能提升我们的科技鉴赏力，从技术发展的历史可以看出，企业研发包括但不限于如下几个特点：
1.实际研发中，研发工程师不是要解决所有问题，也不是追求所有问题的最优解，而是根据市场需要和目标客户，在性能、工艺、货期以及成本等各种指标中权衡取舍，研发很多时候是妥协的艺术。
2.企业研发不都是解决“高精尖”问题，大多数也不是所谓的“卡脖子”的技术，企业的研发跟高校科研所的研发不太一样，两者成果的衡量标准也不尽相同，前者上货架，后者上书架。不能完全用科研所的研发理念指导企业的研发，企业是经济的细胞，企业研发围绕客户需求展开，是市场驱动的，本质上是经济行为。
3.工程师有时确实是寻找新的原理取代旧原理，电动车取代燃油车，电子称取代杠杆称，数码相机取代胶卷相机，液压挖掘机取代绳缆挖掘机等，都是新原理取代旧原理，从根本上改变了技术的范式。这种属于颠覆式创新，也就是熊彼特说的创造性破坏，但是颠覆性创新并不是经常发生的，技术研发更多的是在现有基础上的改进。
4.大多数技术跟生命一样，经历雏形、完善、成熟最终消亡的过程，是不断进化的，有些技术寿命长，有些寿命短。内燃机比白炽灯早出生，内燃机现在还普遍使用，白炽灯随着LED的出现，在2010年左右已退出历史舞台。研发工程师需要了解你所研发的技术处于生命周期的哪个阶段，如此，才能更准确地判断研发要解决什么问题。比如液压元件就处于成熟期，结构上已少有重大变化，研发重点是新材料，新工艺、新的应用场景，以及与信息技术的融合。
最后，外行看热闹，内行看门道。越是成熟的行业，参与研发的人、积累的经验、踩过的坑也就越多，外行人以能讲出基本道理为满足，只有内行人才知道许多细节决定了产品的成败，才知道有许多基本原理之外的实际问题需要解决。
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