告别石油时代，新材料的范式与物质世界变革。（一）
能源和物质相互转化不分家，石油其实是无数逝去的生命和有机物在岁月长河中被凝结在了我们脚下，这祖先的遗产又被赠予人类。石油被发现后，最初拯救了海洋里的鲸鱼，因为从前人类夜间的光明是从鲸鱼体内的动物油脂得来的。
但是没想到石油被用于生产合成聚合物，也就是塑料之后，又让鲸鱼这些美丽的生物在加速消失。人类社会就是不断在矛盾中努力进步，技术上以及文化上。
有智慧、负责任的创造新物质和新材料，也是开发新能源的终极意义。
有一件确定的事情会在未来20年发生，就是能源和材料生产，都将结束石油时代。而未来3年，如果我们的环境有更剧烈的变化，人类的共识只会加速这个过程。
这篇编译的文章分成（一）（二）两个部分，加起来阅读可能会超过一个多小时，是我的公众号里最长的文章，但是也是最重要的之一，因为我想分享给更多人：
新的科技能为我们的物质世界，以及物欲消费带来什么改变，能在享受生活的同时让我们不把自己的环境和后代的未来搞砸，继续让万物繁荣生长，我们也能看到更丰富的能量与物质产出，得到过去 150 年还未曾有过的新体验。
这篇文章的英文原文来自于我的一位美国华裔朋友 Tsung Xu，他住在德州奥斯丁。我们在今年认识以后很快地找到了共同话题，互相交流学习到了很多，有一种 hive mind 蜂巢思维的感觉。
他曾经在旧金山 Uber Eats 团队做产品，也做过自己的创业项目，是典型的互联网科技工作者出身。过去的一年他新的创业兴趣放在了新能源技术这个领域，但是隐约觉得下一个大事件一定出现在新兴趋势的交叉口，于是他关注到了合成生物学，再到最近几个月开始研究未来高性能的 “生物材料”，我们的研究和兴趣也产生了越来越多交叉影响。从他那里也帮助我看到下一代的新能源技术和材料，也会很快影响合成生物到生物工程生产的材料的发展。
在他完成这篇文章之前也请我预览给出反馈，我也原本计划写一篇“为什么合成生物技术到生物技术材料会改变我们的世界” 的文章，以及为什么化石燃料生产能源和物质的时代必须要翻篇了。看到他先写完了这一篇，也帮助我节省了很多时间，之后我会继续在这两篇的基础上分享新的观点。
如果你没有足够的时间和兴趣阅读全文，你可以只看正文蓝色字的节选，以及对这篇文章第一部分最重要观点的总结如下：
1. 上一个世纪石油化工创造的 “合成聚合物” 改变了人类生活的方方面面，另一个可以匹敌的成就是半导体到个人电脑到互联网。而未来不用石油提炼，不用大规模养殖动物和种植植物得到最好的材料，将会是巨大的科技飞跃。
2. Nylon 尼龙是历史上最成功且畅销的高科技产品，苹果手机都相差甚远。尼龙催生了现代时尚以及众多体育用品品牌。
3. 下一代创业公司是高度整合型的，不仅会去驾驭人工智能，自动化还有新能源等科技，新兴材料的范式会催生衣食住行领域过去没有见过的产品，改变这些行业，而不只是可持续性的产品。
4. 合成生物技术 + 先进材料科学会驱动下一代 “高表现而可再生性” 的材料发展，而这些材料的意义就是尽最大努力加速人类替代化石燃料生产物质和资源。如果这两代人可以用全新的技术合成过去石油里面得到的所有的分子，以及创造石油里得不到的分子，这会是被后代所崇敬的成就，至少他们还能享受舒适的春秋，夜空的星星和蓝色的海洋。
正文中我的补充评价用“范阳注”来标示，英文原文的链接请点击阅读原文。本文第二部分将会在下周发布。如果你有想和我交流的，欢迎通过公众号找到我。
原文作者：Tsung Xu
编辑 & 翻译：范阳
原文发布日期：2022年8月11号
八十多年前，合成聚合物（synthetic polymers）的兴起创造了人类历史上最成功的一系列原创产品。合成聚合物创造的产品对于今天的我们来说都看不到什么技术在里面了。这也是因为距离大规模的材料技术突破已经过去了很多很多年。
材料对于很多普通人来说并不被认为是一种高科技，似乎是唾手可得的，很少有人奇怪为什么我们在材料方面没有看到太大的进展。今天很容易认为新材料在整个科技圈并不那么重要。但随着我更多地研究材料的历史和潜在的创业机会，我越来越认为新材料是下一个大事件。
本文是关于新兴材料范式（emerging materials paradigm）的两部分迷你系列中的第一篇。如果有人已经写过类似的文章，我会直接分享给大家而不是自己再写一篇。但很可惜，我没有发现任何可以参考的有关材料科技的高质量文章。如果你知道有这样的文章，请让我知道！
在第一部分中，我们将阐述新材料范式的案例及其重要性。第二部分将主要关注一些新兴材料，尤其是生物制造材料（bio-manufactured materials)，以及它们可以实现的功能（what they could enable）。
我在这里没有所有的答案，我也正在学习这个领域的知识。很长一段时间，我并没有真正琢磨过材料科学技术为什么会进步或为什么没有进步。因为材料这个词看起来没那么有趣，而且我已经被比特世界的进步洗了脑打了鸡血。
但是，我最近意识到，性能更好的材料实际上一直是人类社会的大事。当我深挖这个兔子洞时，我对通过探索这个领域所发现的新机会感到兴奋。正如之前的新能源转型一样，新材料将成为未来几十年生产制造业的主要革命。
我希望这个迷你系列的文章能够阐明我的见解，并邀请您一起探索品质更好、可持续性生产且高性能材料的可能性。
内容概要：
合成聚合物的兴起是如何催生了有史以来最成功的原创产品的商业化。
在上一个世纪，合成聚合物是如何成为当时最前沿的材料的，以及由此产生的社会问题。
为什么新材料的发展停滞不前，包括化石燃料作为原料（fossil fuels as feedstocks）的局限性。
主打环保材质的 Allbirds 和工程工艺的 On Running 等公司如何通过以新方式使用现有材料并使用直接面向消费者的分销方式（DTC, direct-to-consumer) 获得了令人印象深刻的吸引力。
集成软件、硬件和其他工程技术的产品如何影响使用下一代材料的产品的未来。
这篇文章第二部分简介：生物制造的材料（bio-materials) 和其他下一代材料将如何创造品质更好、更高性能和最终更便宜的产品。
史上最成功的科技产品 —— 尼龙
An outsized product success
当您想到那些定义时代的原创科技产品时，你会想到什么？
也许是刚推出的初代 iPhone？ 我肯定也会先想到 2007 年的 iPhone 或者那个时代的一些电子产品。
苹果在产品上线的第一个周末售出了大约 700,000 部 iPhone。任天堂在最初的两周内售出了 300,000 台原版 Gameboy 游戏机。特斯拉在前三天预订了 276,000 辆 Model 3 汽车。Candy Crush Saga 在最初的几周内就拥有 400 万玩家用户。
然而，我知道的这种科技产品，是在上个世纪合成聚合物兴起期间被开发和商业化的，与上述几个产品相比，它都不落下风甚至更胜一筹。
在产品上市最初几天，这款产品就卖出了 500 万个；与 iPhone、Gameboy、Model 3 预购量和 Candy Crush 早期用户数量的总和相当。它在 1940 年的零售价约为 1.15 美元一个，以今天的美元计算为 24 美元。到产品上市的第三个完整年度，每年这个产品有 3.6 亿个被消费者买走，以今天的美元计算，价值超过 60 亿美元。撇开初代的 iPhone 不谈，我认为只有少数原创产品在其第三年的收入数字上具有足够陡峭的增长率。使这款产品的成功更加引人注目的是，这一切都发生在 1950 年之前。
那个产品就是尼龙丝袜（nylon stockings），这可能历史上最成功但是又被忽略了的科技产品。
在 1930 年代，丝绸一直是长袜的主要制作材料。 西方的丝绸当时主要是从日本进口的。随着 1930 年代后期战争紧张局势的加剧，美国人对从日本进口丝绸这件事越来越不感冒，这有助于化工行业的新材料尼龙的崛起。此外，丝绸并不耐用，一旦撕裂或撕裂，它就不能用了。相比之下，尼龙的使用寿命更长，强度足以拉动一辆小型汽车，并不容易损耗。对于长袜这个市场，它具有优越的材料性能。此外，作为一种合成材料，成本的投入相当稳定，尽管它比丝绸更贵，但尼龙当时并没有面临与丝绸供应相同的价格波动（供应链不稳定的问题）。 杜邦公司 （Dupont） 看到了这种科技新材料的潜力并迅速行动。
尼龙丝袜：一种不寻常的高速增长产品
1935年， Gerard Berchet 在杜邦的 Wallace Carothers 实验室工作，制造出第一根尼龙纤维。
1939 年， 4000 双尼龙丝袜在一次限定的公开预售中被卖出。
1940 年， 500 万双尼龙丝袜在几天内就在零售商手中被卖出。
1941-45年， 尼龙生产转向二战军需供应。
1945 年末，在物资供应短缺中发生了“尼龙骚乱”，尤其是女性消费者抢购尼龙丝袜等制品。
1946年初至1951年，在此期间，每年约有3.6亿双尼龙丝袜和制品被售出。
尼龙丝袜于 1940 年通过零售商推向市场，距材料的发明仅五年时间。头几天就有 500 万双丝袜被消费者买走。但是到了第二年，尼龙的生产被转移到战争需求中，用于制造降落伞、绳索、蚊帐，甚至防弹衣。战争结束后，杜邦公司在 1945 年底再次转向生产尼龙丝袜，但未能足够快地增加供应。
尼龙骚乱（Nylon Riots）发生在 1945 年末，当时的女性消费者们为有限的丝袜供应而抢购。例如，有一天，匹兹堡有 40,000 人排成一英里长的队伍，只为有机会买一双尼龙丝袜。
杜邦在尼龙丝袜上的成功或许体现在大多数女性开始穿它们的速度上。尼龙丝袜在 1940 年以每双 1.15 美元的价格售出，按照今天根据通货膨胀调整后的售价约为 24 美元每双。在杜邦将产量提高到每年 3.6 亿双之后，1946 年的销售额超过 4 亿美元。直到 1950 年代初都保持卖出了类似的数量。1940 年，21 岁及以上的美国女性有 4200 万，平均每年女性购买 15 双丝袜。因此，在 1940 年代后期，美国有2400 万女性或者说 57% 的美国女性已经专门使用尼龙丝袜的产品。
这一速度意味着尼龙丝袜被消费者采用的速度超过了以下所有产品，甚至是智能手机和平板电脑：
图示：从1915年到2019年，美国普通家庭用户采用新技术的整体占比。
尼龙出道即成功表明，人们对具有卓越材料性能的更好产品的重视程度有多大。 除了当今依赖先进制造业的一些高价值低产量（high value low volume）行业之外，大多数的初创公司不再将新材料视为制造更好产品的关键因素。 我们只是没有多少新材料已经看到足够的市场需求来降低成本曲线然后进行大量生产。
合成聚合物：寒武纪材料大爆发
Synthetic polymers: the most recent materials paradigm
在 20 世纪初期和中期，人们发明了越来越多的合成聚合物并发现了许多新用途。这是具有更好性能的新材料（new materials with better performing properties）的黄金时代。
Bakelite 酚醛树脂：
万能通用材料，塑料时代的开端。
Bakelite (酚醛树脂）是人类创造出的第一种完全的合成聚合物（synthetic polymer），由于其非导电特性和易于生产的优势，从收音机到电话以及 1910 年代的许多其他产品中都使用了 Bakelite。 在 1930 年代至 1950 年代聚合物发现的高峰期，各个公司的科学家们开始将聚合物商业化，如前面提到的聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚酯和尼龙。 低密度聚乙烯是二战期间用于盟军雷达绝缘材料的军事机密，后来被用于厨具、玩具、假肢的制造，当然还有包装材料。 特氟龙（Teflon）在曼哈顿计划中也被秘密用作铀部件的涂层，然后在 1950 年代中期成为特福“不粘”锅（Tefal "non-stick"）的代名词。
范阳注：Bakelite 的开端是从台球的风靡开始的，当时欧美的富裕阶层家里几乎人手一张台球桌，并且制作台球的材料是象牙和犀牛角这些名贵稀缺的生物材料，虽然供给越来越少，台球制造商悬赏了当时的 10万美金让化学家们创造一种生物天然材料的替代，可以达到跟象牙牛角一样的质感。一开始被发明出来的是celluloid这种天然纤维制作的聚合物，但是性能还达不到要求，这其中几十年间很多化学家都尝试发明一种高性能多用途的可塑性聚合物，但都失败了或者没有能量产，直到技术大神 Baekeland 贝克兰（他当时已经是一位财富自由的发明家）发明了Bakelite这种材料，成为了人类历史上第一种完全的合成塑料。自此开启了合成聚合物时代（塑料时代）。
当时用 Bakelite 塑料甚至做了很多“塑料”珠宝，并且得到女性消费者的喜爱。
而面向男士消费者最畅销的 Bakelite 商品是替代牛角和木头的烟斗。
20 世纪初，发生了名副其实的寒武纪材料大爆炸。从 1911 年到 1950 年，合成聚合物产量每 2.5 年就翻一番（31% CAGR，复合年增长率为 31%），从 年产 45 吨增加到 150 万吨。随着它们的使用量增加，成本下降，质量提高，飞轮效应打开了更大的市场。请注意，自 1950 年以来，生产几乎每十年放缓一次。1950 年代的复合年增长率为 18.2%，而到了 2010 年代，下降到了 4.4%，比起曾经的基数降低了两个数量级。
理解塑料令人难以置信的成功的一种方式是考虑当今塑料生产与其他基础原材料的速度和规模。
今天，世界每年生产的塑料比几乎所有其他材料都多。只有钢、铁和用于钢或混凝土生产的材料按质量来计算超过塑料产量。塑料产量约为铝的 3 倍，铝是仅次于钢的产量第二高的金属。塑料工业的产值是全球钢铁工业的一半以上。
也许一项科技的成功其最好的标志是这项技术变得多么隐形，以及大多数人都认为这个技术不像是科技，是理所当然的。
我们很少停下来琢磨钢铁和混凝土是如何出现在我们周围的。或者互联网如何在时间和空间上实现更多更高带宽的通信。 似乎这些技术都是隐形的。合成聚合物也是如此。
如果我们今天没有这些隐形的技术，想想有多少产品会变的更贵，或者做的很差甚至根本不可能被造出来。平均而言，330 磅（150 公斤）或汽车重量的 8% 是塑料组成的，以提高燃油效率和轻量化（fuel efficiency and light-weighting）。这一份额（高性能轻型聚合物的比例）将随着电动汽车采用率的飙升而上升。没有它们，大多数汽车会变得更重、油耗和运行成本更高，并且需要更坚固的结构部件、轮胎和悬架。
Lexus’ Wild Kinetic 雷克萨斯推出的合成蜘蛛丝蛋白纤维（spider silk protein fibers) 制作的汽车座椅。
瑞士的植物纤维新材料公司 Bcomp Ltd 推出的替代碳纤维的高强度轻量化“植物纤维 light-weight enhanced plant-fibers ” 材料做的汽车外壳，与红牛公司，保时捷汽车等合作推出了 “清洁能源+生物材料” 的原型车。
电器、许多电子设备甚至鞋子等商品都需要使用更昂贵的天然聚合物（natural polymers）。这些天然替代品也是资源密集型的，而且容易收成不好。在Bakelite 被发明之前，绝缘树脂来自紫胶甲虫的紫胶，非常稀少。大象的象牙被用于制作台球，而天然橡胶只能通过产橡胶的树木收割。相反，要为电线和电路板提供绝缘材料，我们需要低成本的天然替代品，但可能无利可图。聚氨酯（Polyurethane）制造的记忆泡沫床垫将不会存在，我们必须寻找家具泡沫垫的替代品。这些例子只是当今几乎在每个行业中使用的大量合成聚合物的冰山一角。
除了更好的性能外，由于成本低廉，塑料已成为许多产品的有机组成。它们变得如此便宜，以至于商品化的塑料成为廉价的代名词。然而，便宜的材料并不一定意味着质量差。新材料范式的成功将取决于其中许多材料变得越来越便宜，即降低成本曲线，并提供比当今塑料和其他传统材料更好（且不一样）的性能。
世界大规模的塑料使用带来的问题
在全球范围内，我们现在每年使用大约 4.38 亿吨塑料。除非有更好的替代品，否则我们有望在 2050 年之前将这一数字翻两番（现在的四倍）。其中大部分吨位的塑料最终进入地球的水循环当中，堆积在具有未知健康风险的微塑料会杀死动物，或大多数进入不会被降解的垃圾填埋场中。报废处理（End-of-life processing）已成为一个严重的问题。塑料生产使用了全球约 8% 的石油需求，并帮助化石燃料在 20 世纪中后期持续崛起。
2018 年，商品的包装产生了全球 46% 的塑料垃圾，但仅占全球产量的 36%。这一差距源于大多数用于包装的塑料的使用寿命短，而且几乎是一次性使用没有可回收性。这需要改进，但今天很难看到有多大进展，自 1950 年以来生产的所有塑料中估计只有 10% 已被回收，更不用说为更循环的经济做出贡献了。
我们可以坦率承认对气候和环境的负面影响，同时也赞赏塑料带来的进步和创新。新的、更好的和更便宜的材料将解决塑料的明显社会问题，同时释放更多的好处。我们将在这篇文章第二部分详细讨论这一点。
与钢、混凝土、铝和硅一样，塑料是我们今天现代生活的基础和必不可少的材料。但有一个紧迫的问题：如果新材料对社会进步如此重要，为什么自合成聚合物兴起以来的几十年里我们没有再看到新的且更好的材料（new and better materials）？
新材料发展停滞不前的原因
原因是什么呢？从我的研究来看，这似乎很大程度上是由于缺乏新的原料投入和新技术来处理它们（a lack of new raw inputs and technologies to process them）。是的，化石燃料原料（fossil fuel feedstocks）数量庞大且相对便宜，抑制了大多数替代品的发展。合成聚合物方面的重大研发，尤其是在 1980 年代之前，助推了当今全世界范围内大规模使用的塑料的商业化。但化石燃料也有其有限性，它们只能经济地生产这么多种类型的有价值的聚合物。人类社会还是需要更广泛的原材料多样性。
随着我们学会使用新的原材料，我们会更好地寻找新的材料应用并将它们整合到有用的产品中。自从我们的远古祖先将石头凿成工具和长矛，砍伐木材以供避险或取火，并编织天然纤维制成衣服以来，这种情况就一直在发生。
与其他科技一样，材料创新到被应用遵循 S 曲线。我们在将尼龙丝袜与其他产品进行比较时展示了上述 S 曲线，但在缩小范围以考虑能源和材料技术时，它也适用。
从开发新能源到生产新材料
规模达到数百万吨生产的材料往往与当时可用的最便宜的能源投入相结合。焦煤加热炼钢、电力驱动的铝冶炼以及石油和天然气驱动的合成聚合物（塑料）。
与新能源一样，新一代材料取代了早期材料的用途并创造了全新的用途。正如我们上面所讨论的，合成聚合物的新特性以足够低的成本使其能够在某些情况下取代木材、金属和其他材料的用途。这些好处还使合成聚合物能够创建没有它们的话根本不会存在的新应用。
今天，生物制造的材料（biomanufactured materials）非常有前途，因为它们有可能用分子相同的替代品代替塑料的使用，并创造出这一代技术尚不可能实现的全新应用。
对于塑料，S 曲线的拐点出现在 20 世纪初。正是在这个时候，Bakelite 和后来的尼龙（Nylon) 和其他合成聚合物由于新颖和更好的性能而迅速找到了用途。问题的关键是投入的原材料 —— 化石燃料最终成为制约因素。 用化石燃料做原材料，也只能被处理并加工成有限数量的不同分子和材料。尽管当今使用塑料的方式多种多样，但这仍然是一个关键限制因素。
用于原材料投入和工业生产过程中热量生成的石油和天然气价格高企，以及供应的波动，也可能限制塑料行业的增长。我们已经在 1970 年代通货膨胀时期的石油冲击中看到了这种情况，并且在 2000 年代后期以更有限的方式出现。与那些时期不同，有充分的理由相信当前的高油气价格将持续存在。公平地说，过去100 多年来，人类已经成功地扩大了石油和天然气的生产规模，这绝非易事。
然而，今天化石燃料的需求正在缓慢下降，并将在很大程度上由于移动性（交通出行）的快速电气化而加速。电动汽车已经将全球对石油的需求降低了 3%，其中 2轮 或者 3 轮车的影响最大，而四轮汽车才刚刚开始做出贡献。这听起来会降低价格压力，但可能会产生相反的效果。化石燃料基础设施的新供给非常有限，因为商业公司避免投资要等数十年回报的资产，这些资产将受限于需求萎缩而不是提高股东回报。
此外，在过去十年中，钻探商受到了几次繁荣/萧条周期的影响，他们的燃料、化学品、钢铁和劳动力成本正在上升。天然气供应短缺，尤其是在欧洲，不能一夜之间用其他能源替代，尤其是德国工业对天然气的依赖。这些因素可能会使天然气价格持续上涨多年。用于聚合物的原材料投入和工业生产加热的化石燃料的高价格很可能会继续存在。
这使得合成聚合物在对抗任何新兴材料时处于较弱的竞争地位。我们已经看到许多过去错误的信号：因为现有企业的高价格加速了向替代品的转变，清洁技术 1.0 （cleantech 1.0）的过度行业大跃进就是最近一次这样的例子（ 清洁技术1.0也在商业上失败了）。然而，当新技术准备就绪而成熟时，回顾历史，会发现许多因供应限制和高成本而加速从现有产品过渡到新材料的例子。煤炭在 17 世纪英格兰的兴起、合成橡胶和奶酪制造中的一种重要的酶都是新兴技术从供应受限中受益的例子。
到了 上世纪 1980 年代，开发合成聚合物的公司看到市场增长放缓，并开始削减研发。那时，工程师和科学家已经从石化材料树（ petrochemical tree of materials）上摘取了大部分低垂的材料果实。正如在杜邦公司工作了 25 年的有机化学家 William Nugent 所解释的：
“ 新材料的研发并不像 1950 年代和 1960 年代那样做一个成一个。
在那个黄金时代，你可以用廉价的积木（building blocks）来做很多事情，而这些积木在行业中有非常多的选择。但在最近的几十年里，你不能继续在化学的世界里掘金了。”
自化石燃料以来，我们没有新的原材料投入来大规模生产更好的材料。有一些例外。硅作为几乎所有半导体芯片和 95% 的太阳能光伏组件的材料已得到广泛采用。锂离子电池组似乎将越来越多地用作汽车结构材料以及未来 eVTOL 飞行器 和 eCTOL 车辆的双重职责。它们可以简化工程、减轻重量并节省材料成本。高性能复合材料和碳纤维等材料虽然非常有用，但大多是利基市场。 然而，这些材料在很大程度上并不能取代塑料为当今众多产品提供的广泛材料特性的需求（成为基础材料）。
自合成聚合物时代以来，第一次有越来越多的新原料投入用于大规模生产新材料。合成生物学可能是最重要的新技术之一。 它为大量具有成本效益优势的工艺开辟了潜力，用于生产我们用化石燃料根本无法获得的新材料。 我将在本文章的第二部分中更多地讨论这些合成生物新材料。
当下范式：以更好的方式使用现有材料
与杜邦推出的尼龙丝袜不同，过去十年左右的初创公司并没有享受到在新兴的新材料发展阶段成立公司的好处。相反，他们不得不专注于其他方式来区分自己。在材料驱动产品价值的行业中，初创公司专注于现有材料的新用途，并利用新的分销渠道，如直接面向消费者的品牌 (DTC)。
我们现在来看看 Allbirds 和 On Running 这两家公司，这两个最近上市的创业公司将材料科学和工程技术应用于制鞋的例子。使这些初创公司在新消费产品中脱颖而出的产品愿景、执行和分销将成为明天的使用新材料的初创公司的筹码。作为利用新型材料的先行者（a first mover）只会扩大潜在的价值创造的优势。正因为如此，我认为其他初创公司可以通过了解这两家公司成功的原因来学到很多东西。让我们仔细瞧瞧。
Allbirds
2014年 Kickstarter 上最早通过众筹上线的 Allbirds 初代羊毛鞋，品牌一直以来自自然界的生物材料和可持续性生产为卖点。
最新一代 Allbirds 的设计，在舒适柔软的基础上增加缓震以及继续减轻重量。
在2022年夏天受到好评的 “甘蔗底” 拖鞋。
以真菌/蘑菇为设计灵感的限量版跑鞋。
“像烧杯一样透明”的供应链和制作工艺，和阿迪达斯合作的零碳排放跑鞋，每一双鞋的碳足迹都显示在产品上。
Allbirds 甘蔗底材质的拖鞋。
Allbirds 的来自新西兰的创始人 Tim Brown 多年来一直想制造一款更舒适的全天候多用鞋（all day shoe）。在创立这家公司的多年前，他就意识到使用工程美利奴羊毛面料（engineered merino wool ）是一个很好的开始，可以改善鞋面的手感，摸起来更柔软（柔软透气也一直是Allbirds的品牌标签）。这也利用了美利奴羊毛的天然材料功能优势，如排汗、防臭（不用穿袜子！）和柔软、毛绒的感觉。在 2014 年众筹网站 Kickstarter 上获得近 1000份预购后，Tim Brown 联系了他后来的联合创始人兼工业工程师乔伊·兹维林格（Joey Zwillinger）。Joey 在现已倒闭但曾是明星的合成生物学初创公司 Solazyme 工作，他表示高性能材料（performance materials）对 Allbirds 产品开发的重要性：
“ 在消费市场中，围绕天然的和可持续生产的原材料进行创新的关注很少。从可持续性、高性能产品开始来构建品牌和营销存在着巨大的机遇。”
—— Joey Zwillinger，Allbirds 联合创始人兼联合首席执行官
不过，目前 Allbirds 只能从其他鞋业公司以前已经使用过的同一材料库中提取自己所需。Allbirds 的核心产品能力是重新设计现有材料（比如美利奴羊毛，虽然已经被很多大品牌使用了很多年）以适用于鞋面制作，从这一点来说是Allbirds 世界首创。
Allbirds 在2021年与宝马还有Ralph Lauren等一起小额投资了一家美国的天然纤维新材料创业公司，Natural Fiber Welding, 后者完成了8500万美金的融资。
On Running 昂跑
在 2000 零几年的时候，On Running 昂跑的瑞士创始人 Olivier Bernhard 正在寻找一双更好的跑鞋。一位工程师最终说服他尝试了一种激进的设计：由切割后组成的花园软管制成的鞋底。 伯恩哈德对此持怀疑态度，但他感受到了这种跑步时缓冲和反弹带来的惊人价值。On Running 就是从这个想法中诞生的，它是一种为跑鞋提供缓冲的新方法。他们在鞋底使用现有的合成材料（如 EVA 乙烯醋酸乙烯酯 ）设计了新颖的几何形状。
昂跑的三位联合创始人的故事开始于共同的友谊和对竞技运动以及户外探险的热情。
他们正在继续尝试组合不同的现有材料探索它们的性能，甚至是蓖麻衍生的生物塑料（castor bean-derived bioplastic），以追求更好的跑步体验。 像 On 这样的年轻公司可能会比大公司更快地采用新范式的高性能材料（high performance materials of the new paradigm）。
昂跑最早的概念设计，用花园里的水管横切面组成的缓震鞋底。
面向消费者直营 ( Direct to consumer，DTC )
在过去十年中，DTC 帮助 Allbirds 和 On 以及许多其他初创公司进入市场并扩大规模。DTC 分销因互联网而爆炸式增长，使具有强大产品差异化的初创公司能够做一些以前无法做到的事情。DTC 使可发现性和有机增长变得更加容易和快速。它还降低了拥有店面的成本、时间和复杂性。最后，DTC 让初创公司能够以前所未有的方式控制他们的故事、产品认知和品牌。关键是产品必须更好。然后，DTC 和品牌和营销作为一套整体才可以更有效。
Richard Branson 的 Virgin Records （维珍唱片） 和后来的 Netflix（当然是他们的 DVD 产品）最初使用邮购发行来为他们的公司找到种子用户。最近这20年，每个口袋里的和每张桌子上的计算机使 DTC 成为对抗各种现有企业的巨大竞争优势。从鞋子 (Allbirds) 到可穿戴设备 (Fitbit) 再到汽车 (Tesla) 的初创公司都采用了 DTC 优先的分销策略。
Allbirds 出色地使用线上直营 DTC 来展示产品的市场契合度（product market fit）和规模。仅众筹上线 5 天后，早期的 kickstarter 营销活动就不得不停止了。 因为超过一千人愿意购买该产品。Allbirds 于 2016 年初正式推出，立即受到千禧一代和旧金山的科技从业者们的欢迎。需求激增，他们最初的 15000 只鞋子库存迅速售罄，第一个月销售额达到 100 万美元。我在 2017 年底搬到旧金山后第一次听说 Allbirds，当时我在 Uber 的许多技术同事都会对它们赞不绝口。他们的产品差异化带来了强大的口碑有机增长，避免过度投入在线付费广告并保持较低的客户获取成本。他们后来还开设了自己的实体店。 不过有一个产品问题是鞋面和外底的耐用性，这表明了当今许多产品的在性能耐用和可持续性生产的材料之间的权衡。
早期Allbirds的众筹页面，和On在德国一次展会上的预定页面，它们分别取得了超过1000个预定以及2000个预定。
On Running 在早期并没有找到线上 DTC 的吸引力。我认为这归结为两个因素。它成立较早，尤其是欧洲的跑步者，当时可能不太习惯在网上购买鞋子。他们在 2010 年运营的第一年在慕尼黑的一次会议上获得了前两千个订单。尽管他们的在线商店在 2011 年上线，将产品运送到欧洲和美国和加拿大，但他们早期更多地依赖于零售分销商。犹豫不决的零售商在尝试穿这双鞋跑步时被说服了。后来，On 投资了他们的在线商店，最近在曼哈顿建立了一家实体旗舰店。到 2021 年，DTC 的销售额份额已增长到 37%，现在是 On 增长最快的渠道。如果没有 DTC，他们的零售增长将在新冠大流行之后受到限制，他们 2021 年的 IPO 也不会那么引人注目。截至 2022 年第一季度，On 还获得了少量利润。
尽管受到当前材料范式的限制，但仍保持强劲增长。
Allbirds 和 On Running 的增长都非常出色。2021 年，Allbirds 的收入在短短七年内（从联合创始人 2014 年的 Kickstarter 众筹开始计算）增长到 2.77 亿美元，而 On 在成立的十一年内攀升至 7.24 亿美元。Allbirds 还没有盈利，尽管 On 已经有四分之一的时间盈利了。然而，一些最大的公共 SaaS 公司，如 Atlassian、Twilio 和 Hubspot 等，尽管创立都超过了 12 年，但仍然没有盈利。这不是针对他们或一般的 SaaS 初创公司，这些都是拥有有价值的领先产品的公司。这个比较表明的是 Allbirds 和 On Running 在受到当今可用材料限制的情况下做得如何。
由于他们自己还无法在材料层面进行创新，因此这些公司必须在产品和分销方面做得更好，才能在这几年取得成功。如果这两家创业公司是在革命性的新材料出现的时候创立的，它们的增长速度会快多少？他们的产品是否会表现得更好？客户使用他们的产品可以获得多少额外价值？
硬件、软件和其他技术与材料的结合
正如我前面所说，我一直在探索以上的想法，但并没有所有确切的答案。也许答案的方向是，新型材料如何在未来引人注目的产品中与硬件、软件、人工智能和/或电池技术集成。 与材料技术不同的是，近几十年来，这些都是我们觉得更重要、更熟悉的创新技术的驱动因素。
（范阳注：这里的观点我在与 Tsung 交流的时候最早提到，我认为生物材料和新材料技术的未来是高度集成多种技术为一体的 “ engineered living devices" , 工程化的有机器件，下一代的生物材料会作为基底和骨架，而合成生物学创造的新型分子和技术，传感器与智能纤维，柔性电路，可编织柔性电池（下一代电池技术），软件和硬件等等其他先进技术会整合在新材料上，让这些新材料本身具备全新不同的功能和应用。现在稀缺的生物材料的智能化，才是最有前景的未来。如何实现这样的技术未来，我将会在以后的文章里进一步拆解分享。）
我确实认为新的材料范式将成为以上提到的这些技术的推动者和补充。如上所述，具有更好性能的聚合物使我们能够制造出以前无法制造的产品。钢铁解锁了摩天大楼和更坚固的车身部件，铝制造了更轻的发动机和飞机，最后Gorilla Glass 成为当今超过一半智能手机的电容式触摸界面玻璃。
范阳注：与 Tsung 我们交流的时候提到一个观点，很可能当下第一波材料科学本身的进步会来自于当下投入最大的科技行业，也就是新能源，电池，医疗，航空航天和军工，而这些技术自然的又会流入到其他科技领域比如 “下一代的生物材料” 和其他消费产品。合成生物学 + 先进材料科学将会是主要的驱动力。
Tesla 特斯拉
也许没有哪家公司比特斯拉更像是硬件、软件和电池技术集成的先驱。对于他们的第一个原型车，OG Roadster，将数千个来自笔记本电脑电池的圆柱形电池粘合在一起就上路了。这使他们能够率先将电力推进系统集成到车辆外形之中。特斯拉突破了界限，围绕电池组、电机和电力电子设备的集成重新设计了一辆汽车（reengineering a car around the integration of battery pack, motor and power electronics）。
这种世界领先的动力工程从一开始就与 DTC 直营的战略相结合。自 2019 年以来，他们的 DTC 战略一直只在线上销售汽车。DTC 战略在 2000 年代后期是一种风险，但在预购方面取得了令人难以置信的成功，特别是对于 Model 3 和 Model Y。DTC 将特斯拉的客户获取成本降低了 2000 美元/辆, 相比于福特汽车等传统汽车制造商使用区域经销商的战略。
材料科学与工程对特斯拉来说非常重要。2015 年底，埃隆马斯克挖走了前苹果产品设计总监查尔斯·库曼 (Charles Kuehmann)，负责特斯拉和 SpaceX 的新合金材料，特别是铝的研究。Kuehmann 的团队帮助开发了新的铝合金，用于在特斯拉中铸造更大的车身部件，并为 Cybertruck 和 SpaceX 的星际飞船开发了不锈钢合金。去年，特斯拉成立了一个新材料应用团队，负责加速新材料和新工艺的部署。 我认为初创公司将越来越多地看到从事材料和其他学科和产品工程团队之间的更多整合。
范阳注：未来的汽车不仅将会是整个金属制造成的（赛博朋克风格），也会是用高性能的生物材料以 “生物为灵感的工程化” 打印成型的（生物朋克风格）。
Fitbit 运动手环
Fitbit 本身既是一个巨大的成功，也是一个为后来者的警示故事。它是第一家成功地将传感器集成到你可以穿戴的设备当中的硬件公司，其中最著名的是用于计步的加速度计（accelerometer for step counting）。
2008 年，创始人詹姆斯·帕克 (James Park) 和埃里克·弗里德曼 (Eric Friedman) 想要一种便携式设备，可以像他的 任天堂 Nintendo Wii 那样帮助游戏化的健身锻炼。尽管没有任何硬件背景，也没有供应链经验，但他们创办了 Fitbit 。他们在 2008 年筹集了 40 万美元的种子轮融资，这仅足以在木箱中制作电路板原型。有了这个，他们在那年在 TechCrunch Disrupt 上推销了他们的 Fit 追踪器，目标是为他们当时还未开始制造的设备达到 20 个预购。与On Running 昂跑在慕尼黑的展会上一样，参加 TechCrunch Disrupt 大会的人们喜欢 Fitbit，他们在一天内就获得了 2000 份预订单。在 2009 年圣诞节之前，他们已经被预购了 25,000 份，每个产品售价 99 美元。他们知道他们可能在做一个有前景的产品。作为一种夹在身上的小硬件，男性客户将它们夹在裤袋上，许多女性顾客更喜欢将它们直接绑在胸罩上。在 Fit 追踪器之后，他们在 2013 年发布第一款腕带可穿戴设备之前，又推出了三款夹式可穿戴设备。
2008年，Fitbit 推出的第一代夹子式运动追踪器。
从 2009 年到 2014 年，他们的销售额平均每年增长两倍，因为他们的夹式设备显然受到了注重健康、精通技术的客户的欢迎。Fitbit 于 2015 年上市，似乎充满了商业前景。随后，Apple Watch 于 2015 年 4 月推出，一举轰动市场，在 Fitbit 的表带销售额中硬生生砸出 8 亿美元的豁口。从 2015 年成立到被谷歌以 21 亿美元收购之前，Fitbit 的销售额几乎每年都在下降。这让创始人和许多早期员工非常富有，但这时只是他们在 IPO 估值的一半。
Fitbit 是第一家成功地将传感器集成到你可穿戴设备中的硬件公司。但与特斯拉的电动汽车不同的是，他们的产品与现有企业的核心产品近似，也就是苹果公司推出的苹果手表。我没有关于 Fitbit 产品路线图和执行情况的内部信息，但似乎他们可以更快地推出他们的第一款腕带（比 Jawbone 晚两年）和他们的第一款智能手表（缺乏苹果智能手表的功能和设计感）。在某些方面，Fitbit 最终像诺基亚一样。两者都打造了定义品类的产品，但错过了最终导致被 Apple 压垮的新产品洞察力。
2020 年代领先的性能产品初创公司（leading performance product startups）可能会像特斯拉或 Fitbit 那样集成软件和硬件。 他们可能也会利用自动化和人工智能。 我认为他们将利用一些新兴材料，特别是生物制造材料（biomanufactured materials），并包括高度跨学科的工程师团队来建造令人惊叹的东西 （highly cross-disciplinary teams of engineers to build amazing things）。
范阳注：“ 我不喜欢今天大多数的消费电子产品。软件很差，硬件也很差，乔布斯不在了，三宅一生也去世了，科技产品没有了审美。” 推特上一位创始人的牢骚，也代表新的公司要想成功，不同技术的整合集成，还有好的品味与文化，都很重要。
迈向新材料范式
材料进步很重要。我越来越相信，新的、更好的材料重新定义了初创企业可以创造的产品的可能性、一个新行业发展的可能性，以及整个社会的想象力。