明代的棉紡織技術其實已經非常成熟。從軋花、彈棉花、紡紗，到織布，以及織好布後染色，都有先進的工具和工藝，比同時代西方絲毫不差。
那軋花來說，有攪車，是一種腳踏器械，只要一個人，自踏、自搖、自喂，一日可軋籽棉十斤，出皮棉三斤。彈花則有懸弓，將彈弓懸吊在縛在柱旁的彎竹竿頂端，可以省卻時時舉弓之勞，操作極爲方便。
紡紗則有黃道婆改進的腳踏紡車，可同時紡四錠甚至五錠棉紗。至於織布，技術更爲先進，羅織、交織各種織布技術非常成熟，有三梭羅、五梭羅、七梭羅各種品種，還能把棉、麻、絲混織，製成各種各樣的布匹。
若是建立紡織工場的話，完全可以利用這些成熟的技術，製作紡織機械，僱傭工人，紡紗織布。有皇家爲背景，成立這樣一個紡織工場非常容易。
但是，這些紡織技術全都是靠人工完成，需要僱傭太多工人，費力費時不說，成本也高。
朱由檢要做的是發明新的技術取代人力，極大的提高生產效率，這樣才能和江南的棉布競爭，把大量的棉布賣向海外，這樣才能賺大錢！
蒸汽機等機械在魂遊後世的時候見過，朱由檢看見過蒸汽火車、蒸汽輪船，更看見過更厲害的電動機械，但朱由檢完全看不懂，根本不知道怎麼回事，很多東西想描述都描述不出來。
也許可以把魂遊看過的一些畫面寫出來，用以引導科學院這些天才，讓他們往那個方向研究，也許這樣大明可以發明出蒸汽機之類的東西，率先引發技術革命。但要想成功發明出來，還不知道需要多少年，朱由檢根本等不及！
但是可以利用水力啊！前宋時便有水力紡車，只不過元亂時失傳，爲何不能重新制作出來，取代人力？科學院裏有這個時代最優秀的技術人才，完全可以設計出一套可以利用水力的紡織機械！
在朱由檢的重金獎賞和未來股權激勵下，宋應星、王徵，還有鄧玉函湯若望等人，開始了夜以繼日的研究。徐光啓甚至連內閣的會議都忘記參加，引得黃立極、施鳯來等大學士十分不滿，還有御史彈劾徐光啓玩物喪志！
他們首先讓工匠把現在的紡織機械打製出來，然後開始研究如何利用水力使得這些機械自動運轉。這些人都是絕頂聰明，很快便發明出來了水力紡紗機，水力攪車，水力織布機，但是織布的效率還是沒有提高多少。
“我明白了，原來的腳踏紡紗車已經能同時紡四錠紗，咱們設計的水力紡紗機還是四錠，這樣不行，應該重新設計，設計出至少能紡八錠甚至更多的紡紗機。”宋應星道。
“還有水力織布機，除了利用水力和原來沒什麼不同。織的布太窄，咱們應該設計出織寬布的織布機。而且織布時梭子要靠工人來回扔，速度慢，工人很容易疲憊，能不能設計一種自動來回運動的梭子，這樣可以極大地提高生產效率？”鄧玉函也道。
終於，在大半年後，由一個瑞士人叫懷特的表匠製作出了“飛梭”，飛梭放在特製的槽中，藉助於一條特製的繩索帶動織梭，織工拉動繩索使其來回飛越梭道。就效率來說，比原來手擲梭子方法相比較，效率提高一倍，布面也比原來的寬了一半。
紡紗機，王徵提供了一個思路，把原本橫着的紗錠豎着放置，這樣就可以用一個紡輪帶動更多的紗錠。王徵和鄧玉函合作，按照這個思路設計出了新的紡織機，可以用一個紡輪帶動八個豎直紗錠，把效率提升了一倍。後來又進行了改進，可以用一隻紡輪帶動三十二個紗錠，效率進一步提升。
在水力紡紗織布機初步發明出來後，朱由檢便下令建立紡織工場。一開始是準備在北京城外永定河邊建場，後來徐光啓提議，可以把工場設立在天津。
理由是天津守着運河，從山東河北各地收購的棉花可以通過運河運到天津，生產出來的棉布也可以通過水道運往外地甚至運出海外。而若是把工場設在北京的話，運輸需要先經過運河到達通州，然後從通州經陸路轉運，非常麻煩。
而且天津衛城以東，靠近海邊有大量的鹽鹼地，這些地方種植莊稼產量極低，很多都是荒地，購地的成本很低，甚至可以直接用皇家名義徵收，畢竟將來的工場會越來越大，需要的土地很多，北京城外永定河邊的田地皆上好農田，都是有主之地，徵收起來必定擾民。
朱由檢從善如流，聽從了徐光啓的建議，決定在天津建設工場。經過考慮後，派宋應星爲皇家棉紡織工場第一任總理，負責工場籌建之事。
就在崇禎元年，宋應星再次會試落榜，對科舉徹底絕望，在徐光啓的舉薦下加入了皇家科學院，從事他最感興趣的研究工作。水力紡織工場建立，需要建造太多的水力機械，必須有這樣的人總管。爲了激勵宋應星，朱由檢給了他一個翰林院待詔的官職，雖然只有從九品，卻是清貴的翰林官，而且不用在翰林院上班。
當然，宋應星只是負責技術，具體管理上，則從科學院商科調了一名叫做田華的講師擔任大掌櫃。田華原本是閹黨的商行掌櫃，閹黨倒臺，資產被查抄，田華差一點被抓進錦衣衛大牢，科學院成立，便被招到科學院當講師，給商科學生講授商業管理運作。
田華上任後，做的第一件事便是去山東拜訪各家士紳，以皇商的名義敲定棉花收購合同。他給出的價格不低，甚至要稍微高出一點市場價格，要的量又大，山東的士紳們自然願意和他合作。
當然，這些都是後話。把時間往前拉，就在科學院衆人還在研究水力紡織機械的時候，新成立的大沽水師，周遇吉和鄭芝龍接到了一個任務。