關(guān)于機(jī)械學(xué)科的前沿性思考

【專家解說】：機(jī)械工程科學(xué)發(fā)展總趨勢 在機(jī)械工程科學(xué)方面，雖然已經(jīng)取得了矚目的創(chuàng)新及進(jìn)展，但必須清醒地認(rèn)識到，我國機(jī)械工程科學(xué)總體上還處于落后狀態(tài)。主要體現(xiàn)在：中國機(jī)械工程的理論、方法和技術(shù)對中國制造業(yè)的自主創(chuàng)新和發(fā)展的貢獻(xiàn)不顯著；中國學(xué)者提出的機(jī)械領(lǐng)域的新概念、新理論不多；有重要國際影響的機(jī)械工程理論、方法和技術(shù)不多；國際機(jī)械領(lǐng)域?qū)W術(shù)界有較大影響的中國學(xué)者很少。總體上中國機(jī)械工程學(xué)術(shù)領(lǐng)域在國際上的地位滯后于中國制造業(yè)在國際制造界的地位。 未來機(jī)械工程學(xué)科的發(fā)展將主要受到兩方面的制約和推動，一個是制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，另一個是學(xué)科的演變進(jìn)步。 鑒于未來制造業(yè)發(fā)展的總趨勢是全球化、信息化、綠色化、知識化和極端化(以下簡稱“五化”)。機(jī)械工程科學(xué)的基本任務(wù)，就是為制造業(yè)的“五化”提供所需求的機(jī)械系統(tǒng)新理論、新方法和先進(jìn)制造技術(shù)。 隨著世界的進(jìn)步、國家的需求和學(xué)科的發(fā)展，機(jī)械工程科學(xué)的發(fā)展出現(xiàn)了以下顯著特點(diǎn)和趨勢：一方面，高技術(shù)領(lǐng)域如光電子、微納系統(tǒng)、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、重大工程等的發(fā)展，要求機(jī)械與制造科學(xué)向這些領(lǐng)域提供更多更好的新理論、新方法和新技術(shù)，因而出現(xiàn)和發(fā)展著微納制造、仿生及生物制造、微電子制造等制造科學(xué)新領(lǐng)域；另一方面，隨著機(jī)械與制造科學(xué)與信息科學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、管理科學(xué)、納米科學(xué)技術(shù)的交叉，除了推動著機(jī)構(gòu)學(xué)、摩擦學(xué)、動力學(xué)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度學(xué)、傳動學(xué)和設(shè)計學(xué)的發(fā)展外，還產(chǎn)生和發(fā)展著仿生機(jī)械學(xué)、納米摩擦學(xué)、制造信息學(xué)、制造管理學(xué)等新的交叉科學(xué)。 由于我國未來將大力推進(jìn)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)儀器及裝備技術(shù)，因此，基于自主創(chuàng)新的高技術(shù)儀器及裝備的設(shè)計制造的基礎(chǔ)研究將得到更充分地重視和更快地發(fā)展；此外，由于21 世紀(jì)我國資源和環(huán)境面臨空前的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，要求機(jī)械與制造科學(xué)比以往任何時候更重視環(huán)境的保護(hù)、產(chǎn)品的安全性和綠色度、材料和能源的節(jié)省、機(jī)電裝備的再制造以及新能源制造領(lǐng)域的研究。 機(jī)械學(xué)發(fā)展展望 (1) 機(jī)構(gòu)學(xué)是機(jī)械工程學(xué)科中最有代表性的學(xué)科之一。機(jī)構(gòu)學(xué)研究一方面應(yīng)注重機(jī)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)理論研究，以使我國在國際機(jī)構(gòu)學(xué)界保持優(yōu)勢地位，另一方面應(yīng)注重與制造和控制的學(xué)科交叉，在設(shè)計理論和關(guān)鍵技術(shù)兩個方面同時取得突破，以開發(fā)出性能優(yōu)良新機(jī)構(gòu)和新裝備。航空航天器、機(jī)器人機(jī)構(gòu)、紡織機(jī)械、工程機(jī)械、微納機(jī)構(gòu)、仿生機(jī)構(gòu)等工程中存在大量機(jī)構(gòu)問題，機(jī)構(gòu)學(xué)大有用武之地。 (2) 摩擦學(xué)研究自20 世紀(jì)90 年代起有了長足發(fā)展，其基本經(jīng)驗(yàn)是與納米、生物、計算機(jī)以及與工程問題的交叉結(jié)合，發(fā)展了納米摩擦學(xué)、生物摩擦學(xué)、表面減阻及亞納米拋光技術(shù)等。今后的發(fā)展是進(jìn)一步向?qū)W科面更寬的交叉方向——界面機(jī)械與制造科學(xué)、納米制造摩擦學(xué)和納米生物摩擦學(xué)方向發(fā)展。此外，中國摩擦學(xué)領(lǐng)域的青年學(xué)者應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)在國際學(xué)術(shù)界的影響，爭取在國際學(xué)術(shù)界占有更重要的位置。 (3) 機(jī)械動力學(xué)研究中，非線性動力學(xué)、復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)動力學(xué)分析和故障監(jiān)測等領(lǐng)域已經(jīng)有了很大的進(jìn)展，但復(fù)雜系統(tǒng)及多場耦合的非線性動力學(xué)分析建模和故障預(yù)示監(jiān)控依然是個國際性難題，大型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)動力學(xué)設(shè)計仿真、微納系統(tǒng)動力學(xué)分析及設(shè)計是我國學(xué)術(shù)界面臨的重要前沿課題。 (4) 機(jī)械設(shè)計學(xué)，目前我國制造業(yè)中高端技術(shù)裝備中自主產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品少，現(xiàn)有機(jī)械設(shè)計理論、方法和技術(shù)落后是其重要原因，急需重點(diǎn)推動我國裝備設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。要重點(diǎn)推動復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的概念設(shè)計、復(fù)雜系統(tǒng)總體設(shè)計、設(shè)計支撐系統(tǒng)(設(shè)計數(shù)據(jù)、知識和信息平臺)、基于網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能仿真虛擬設(shè)計等領(lǐng)域的理論、方法和技術(shù)的發(fā)展。 制造科技發(fā)展展望 制造技術(shù)的發(fā)展總趨勢是基于資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)基礎(chǔ)上的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化、智能集成化、高效精確化及極端制造化技術(shù)。采用德爾菲調(diào)查方法及研究分析，未來我國將要重點(diǎn)發(fā)展的制造科技主要有以下8 個領(lǐng)域。 (1) 空天及深海裝備制造科技。未來飛機(jī)將進(jìn)一步向大型、快速、輕型、舒適性、安全性方向發(fā)展；用于國防的各種飛行器，將向超快、精確、輕微及智能監(jiān)控方向發(fā)展。高速、精確、智能化微型飛行器技術(shù)；微小制導(dǎo)技術(shù)；超低溫、超真空、無重力極端條件下的裝備設(shè)計與制造科學(xué)技術(shù)、智能作業(yè)機(jī)器人、超大型射電望遠(yuǎn)鏡、適于高壓腐蝕環(huán)境作業(yè)的深海裝備的設(shè)計與制造技術(shù)等將得到大的發(fā)展。 (2) 先進(jìn)電子及通信制造科技。未來20 年內(nèi)，量子、納米或商業(yè)基因計算機(jī)將問世。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)光通信技術(shù)，衛(wèi)星通信技術(shù)，基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬制造技術(shù)，非硅、量子、納米、基因計算機(jī)芯片及其后封裝科學(xué)技術(shù)將有大的發(fā)展。產(chǎn)品信息化和數(shù)字化；將傳感、計算機(jī)及軟件技術(shù)“嵌入”產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化和智能化；產(chǎn)品設(shè)計制造過程的數(shù)字化、虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化。例如數(shù)字智能轎車可以自動優(yōu)化和選擇路徑、自動避撞和隨時報告運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)和可能發(fā)生故障的時間和部位；數(shù)字智能柔性制造單元或系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)零件自主智能裝卸、加工、檢測和故障維護(hù)。智能數(shù)字網(wǎng)絡(luò)多功能集成產(chǎn)品將會越來越多、越來越普遍，而且更新?lián)Q代會越來越快。 (3) 微納米制造科技。從將納米尺度器件發(fā)展到納米尺度產(chǎn)品的批量納米制造將是今后20 年納米制造領(lǐng)域的最大變化。納米機(jī)械學(xué)、納米尺度和精度器件的設(shè)計、制造、測量及裝配科學(xué)技術(shù)；具有批量生產(chǎn)工藝的“自下而上”的生長型和“自上而下”的去除型以及前兩者相結(jié)合的混合型制造技術(shù)將得到很大發(fā)展。 (4) 新能源裝備制造技術(shù)。由于一次能源將逐步枯竭，核能、深海能源、再生能源及清潔能源的研發(fā)和使用將大大促進(jìn)該領(lǐng)域制造技術(shù)的發(fā)展。核能工藝及裝備、深海能源探測及采掘工藝及裝備、新能源和再生能源的裝備制造、基于新能源的經(jīng)濟(jì)型汽車發(fā)動機(jī)及車輛設(shè)計與制造技術(shù)研究將得到更大重視和關(guān)注。 (5) 綠色制造科技。即基于資源節(jié)約和環(huán)境友好的綠色可持續(xù)性制造，是一項(xiàng)戰(zhàn)略性制造理念、制造模式和制造技術(shù)。綠色可持續(xù)性制造包含無污染無廢棄物制造、綠色產(chǎn)品的設(shè)計與制造、廢舊機(jī)電產(chǎn)品的再制造、節(jié)能節(jié)材制造以及新能源裝備制造五個方面。耗能耗材多、污染環(huán)境的機(jī)電產(chǎn)品和生產(chǎn)過程將會受到市場和法規(guī)的制約而逐漸減少或消亡，相反，新能源、節(jié)能節(jié)材和無污染機(jī)電產(chǎn)品及其生產(chǎn)過程將得到更大發(fā)展。電動汽車和燃料電池汽車如果能突破電池材料和低成本制造兩大瓶頸，將會實(shí)現(xiàn)車輛業(yè)改朝換代的大革命。由于廢棄產(chǎn)品的海增，再制造業(yè)將得到迅速發(fā)展。 (6) 仿生制造科技。由于生物制造技術(shù)的發(fā)展，仿生人或動物器官開始用于臨床；仿生機(jī)械、機(jī)器人更普遍地進(jìn)入人們的生活。仿人器官制造技術(shù)、仿生機(jī)電系統(tǒng)，如仿飛禽類飛機(jī)、仿動物機(jī)器人、智能機(jī)器人制造技術(shù)將有大的發(fā)展，與此相關(guān)的仿生機(jī)械學(xué)及仿生制造科學(xué)的深入研究是此項(xiàng)領(lǐng)域得以突破的關(guān)鍵。 (7) 光子制造科技。研究表明，未來以激光為基礎(chǔ)的光子學(xué)將超越電子學(xué)。激光由于所具有的準(zhǔn)確性、高能量密度和可傳輸變換等其他任何能源無法比擬的突出優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“未來制造系統(tǒng)的共同加工手段”，包括光子加工制造、激光加工、光化學(xué)加工、光電加工技術(shù)。其中強(qiáng)激光、飛秒皮秒激光加工、微納尺度光子制造技術(shù)及科學(xué)是該領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向。 (8) 數(shù)字裝備制造科技。數(shù)字化制造裝備包括 極大極小尺度、高效率、高精度的智能數(shù)字化加工裝備以及各類精密儀器和復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)械裝備是機(jī)械制造工程和產(chǎn)業(yè)得以實(shí)現(xiàn)的工具和依賴，是我國由制造大國走向制造強(qiáng)國的重要標(biāo)志。涉及相關(guān)工程重要需求和學(xué)科交叉的關(guān)鍵裝備及儀器設(shè)計理論與方法、創(chuàng)新制造工藝技術(shù)以及基于網(wǎng)絡(luò)的智能數(shù)字化控制理論是需要重點(diǎn)突破的科技問題。 結(jié)束語 我國機(jī)械工程科學(xué)雖然已經(jīng)取得了長足的進(jìn)展，但與國際先進(jìn)水平仍然存在很大差距。我們必須保持清醒的頭腦，高瞻遠(yuǎn)矚，盡快制定學(xué)科的長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃，采取正確的學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略和策略。加強(qiáng)對基礎(chǔ)研究中原創(chuàng)性理論方法的支持力度，加強(qiáng)對原創(chuàng)性技術(shù)發(fā)明的支持力度。在繼續(xù)保持和發(fā)揚(yáng)摩擦學(xué)、機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)等在國際學(xué)術(shù)界占有一席之地的同時，力爭在2020 年前后機(jī)械與制造學(xué)科總體上進(jìn)入國際先進(jìn)行列。在機(jī)械工程領(lǐng)域?qū)W術(shù)界，涌現(xiàn)多個在國際上有重大影響的科技成果和著名科學(xué)家；在機(jī)械與制造相關(guān)的國際學(xué)術(shù)界占有更多席位；有一批國際一流并在國際上有重要影響的國家實(shí)驗(yàn)室和工程研究中心；有一大批自主創(chuàng)新的重大科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，促使我國制造業(yè)產(chǎn)生更多的高技術(shù)產(chǎn)品和世界名牌企業(yè)。