现代制造科学的新发展

三、现代制造科学的新发展

1.学科交叉研究的成绩

近年来，国家自然科学基金委员会工程与材料科学部机械学科支持了一大批交叉学科的项目，如与管理科学部、信息科学部交叉的重大项目“先进制造技术中的若干基础性研究”、与生命科学部交叉的重点项目“生物脱附与机械仿生”、与材料学科交叉的重点项目“非理想材料的超塑性成形”。这些项目的研究取得了丰硕成果。例如:电接触可靠性科学涉及材料学、摩擦学、电子学及化学等科学，属基础边缘科学研究。北京邮电大学机械工程系章继高教授在国家自然科学基金连续资助下从事电接触可靠性科学研究，已在国内外学术刊物和学术会议上发表了一系列有重要发现的学术论文，得到国内外同行专家的称赞，北京被誉为电接触研究的世界学术中心。其研究成果用于电接触器件的制造，不仅提高了可靠性，而且节省了相当数量的黄金，产生了重要的经济效益。该项成果获得了国家自然科学奖三等奖，项目得到美国AMP公司80万美元的再资助。

快速原型制造(RPM)是一种简捷的计算机快速堆积成形制造技术，是计算机应用技术、微电子科学、光学、材料科学与机械科学的交叉，是制造科学的一个重要发展方向。从事成形制造研究的清华大学颜永年教授、华中理工大学黄树槐教授在LOM、FDM等RPM方法的研究上获得重要进展。颜永年教授在快速成形的离散/堆积原理的数学描述与建模中创造性地提出了能量场概念和理论，提出并开发了无木模铸型制造、无焙烧陶瓷型精密铸造、RP功能集成概念和技术，研制出的世界上最大的LOM双扫描成形机已提供给国内的汽车制造企业，研制成功的多功能快速成形机已打入国际市场。

微型机械制造涉及机械、电子、材料、物理、化学等诸多学科领域。清华大学周兆英教授等在微型泵阀研究领域、中国科学院长春光学精密机械研究所王立鼎院士在微型马达研究领域取得重要进展，已研制出微流量传感器、微阀和微泵等10余种微器件，在国际上首先开展了微管正反向流过流特性、微构件机械特性(如硅微梁的疲劳实验研究)，科学成果论文发表后受到了国内外同行专家的高度评价，为进一步研究开发微米—纳米技术奠定了基础。

生物脱附和机械仿生是一个很有代表性的学科交叉研究领域。挖掘机、推土机和拖拉机等地面机械在工作时由于黏土附着严重影响作业效率而成为一大难题。从事地面机械研究的任露泉教授等深入研究了土壤动物表面的脱粘特性及规律，首次发现并研究了蜣螂等动物的非光滑表面减阻脱附的特性，发表的科学论文多次被引用，并被SCI、EI收录，他们设计制造的仿生拖拉机犁铧表面，由于降低了犁耕阻力，使能耗减少了10%～15%。

可以预见，生物科学、信息科学、纳米科学、制造科学和管理科学将是21世纪的5个主流科学，与此相关的5大技术及其产业将改变世界。机械工程科学与信息科学、生命科学、材料科学、管理科学的学科交叉是机械工程科学发展的趋势，也是现代制造科学形成和发展的必由之路。从事机械工程科学研究的专家、学者要充分认识到这种趋势，在机械工程与信息科学、生命科学和管理科学的交叉研究中推动学科前进。

2.多学科交叉的新学科

现代制造已不仅仅是机械制造，它的基本特点是大制造、全过程、多学科。“大制造”应包括光机电产品的制造、工业流程制造、材料制备等，它是一种广义制造概念。从制造方法看，它不仅包括机械加工方法，还应包括高能束加工方法、硅微加工方法、电化学加工方法等。“全过程”，不仅包括从毛坯到成品的加工制造过程，还包括产品的市场信息分析，产品决策，产品的设计、加工和制造过程，产品的销售和售后服务，报废产品的处理和回收，以致产品的全寿命过程的设计、制造和管理。

现代制造科学是多学科交叉学科，它涉及以下领域:①计算机学科、半导体学科中的微电子器件和计算机器件的设计与制造；②自动化学科的制造过程和制造系统控制理论和方法；③光学和光电子学科的器件和仪器的设计与制造，光电测试理论与方法；④机械工程学科的零件和机器的设计制造理论方法，机械构件及机电系统性能的模拟仿真；⑤管理学科关于可重组企业和可重组制造系统理论、企业管理方法和工业工程理论；⑥材料学科中新材料制备科学，冶金学科中材料成形科学；⑦化学工程中化工流程科学和化工产品的制造科学；⑧与生物科学交叉的仿生制造和仿生机械学；⑨物理学科中的纳米科学，力学学科中机电系统动力学问题。

现代制造科学是支撑和产生先进制造技术理论、方法和技术的基础。它涉及制造系统和制造过程的理论和建模，制造信息和知识的获取、处理、传递及应用，制造模式与生产管理理论与方法，制造产品的现代设计理论与方法，制造过程及系统的测量、监控理论和方法以及制造自动化理论等。

学科交叉研究不是一个学科的科学知识在另一个学科的简单应用(例如计算机科学技术在制造科学技术中应用，数学和力学在制造科技中的应用研究，似不能算作学科交叉)，学科交叉可以这样理解:某学科要寻求自身的突破和发展，必须依赖与相关学科的知识融合，而交叉研究的结果又能促进自身和相关学科的发展。此外，其研究队伍应当具备相应的交叉学科知识群和研究条件。

生物科学与制造科学的交叉将产生生物制造或仿生制造科学，现代管理科学与制造科学的交叉将产生现代工业工程科学，信息科学与制造科学的交叉将产生制造信息科学，计算机与制造科学的交叉将产生虚拟制造科学。近20年来国际制造科学的发展经验告诉我们，学科交叉是推动制造科学发展的决定性因素。微型机电系统、快速原型制造、敏捷制造模式、机器人学等的发展就是学科交叉的结果。

3.主要研究的科学问题

21世纪在制造科学领域，我们的科学研究应结合国情，联系实际，瞄准学科前沿，遵照“有所为，有所不为”的方针，避免低水平重复，选择有优势或容易发挥我们特长的领域，力争取得突破。笔者认为，21世纪制造科学领域至少有如下重要科学问题:①现代制造过程和制造系统的基础理论；②制造过程与系统的数学描述、建模、仿真及优化，制造中的计算机几何；③设计及制造过程信息的获取、表达及传递，非全信息状态下的决策，非符号信息表达，制造信息保真及传递，海量制造信息的管理；④网络/虚拟制造基础理论，网络及虚拟环境下制造系统的体系结构及全局最优决策理论；⑤支持产品设计和制造过程创新的理论及方法；⑥现代制造过程和制造系统的多学科模拟/仿真研究；⑦现代制造过程和制造系统中的人—机—环境界面交互、协调和统一理论；⑧先进制造生产模式及管理理论与方法，研究适合我国国情及文化背景的高效、快速、可重组先进制造生产理论及其模式；⑨适应社会主义市场经济和制造生产模式的经营管理及虚拟企业的基础理论及运作方法；计算机、微电子和光学关键零件的制造工艺基础；微型机电系统的设计、制造理论和方法；新材料制备、微纳米制造和仿生制造的理论基础；现代制造过程和制造系统的控制理论和方法；基于资源节约和环境保护的制造理论和方法。

4.纳米制造科学

纳米制造科学技术是人类对自然的认识和改造从宏观领域进入微观领域，在21世纪最重要的前沿科学技术之一。它泛指纳米级(0.1～100毫微米)尺度的材料制备、零件及系统的设计、加工制造、测量和控制的相关科学和技术。

纳米制造科学技术研究涉及材料科学、信息科学、物理科学、光学、生物学和制造科学等。它不仅导致制造科学向微观领域扩展，而且对我国未来的科技、经济和国防事业的强大具有战略意义。

我们在宏观研究中所常用的物理量，如弹性模量、密度、温度、压力等，在微观尺度领域可能要重新定义，我们习以为常的牛顿定理、欧几里得几何、热力学、电磁学、流体力学可能不再适用，需要重新定义和描述，而量子效应、物质的波动性、原子力等微观物理特性却要起重要的作用。人们已经发现，有的宏观脆性材料在纳米尺度时具有很强的塑性；流体在微管流动中，液体的表面张力和对管壁的附着力已不可忽略；在纳米加工及表面质量分析中，必须考虑原子间的结合力并应用界观物理的知识。目前，已有科学家在研究纳米零件的设计与制造，设计利用移动不同的物质原子构造理想性能的器件。

纳米制造科学技术有如下主要研究内容及科学问题:①纳米级精度和表面的测量仪器(如可用于加工、测量的扫描隧道显微镜、显微测量激光干涉仪等)；②纳米级表层物理、化学和机械性能的检测；③纳米级表面的加工(金刚石刀具超精密切削、镜面磨削、高能束加工:原子和分子的去除、搬迁和重组的扫描隧道显微加工)；④纳米材料的制备、纳米级微传感器制造和控制；⑤微型机电系统(微型飞机、微型卫星、微型陀螺、微型机器人等)的理论与技术。

5.制造管理科学

制造生产模式是管理科学、社会人文科学与制造科学的交叉。事实已经证明并将进一步证明，中国制造的产品如果要在国际市场具有竞争能力，中国的制造商如果要成为国际名牌企业，除了要拥有世界一流的制造技术外，更重要的是要有世界一流的组织管理模式和管理水平。当然其先决条件是企业内外必须建立比较完善的市场竞争机制。

制造生产模式是制造业为了提高产品的竞争能力而采取的一定的组织生产模式。它具有鲜明的时代性。质量、成本、交货期、服务和产品的环境适应性已成为制约现代产品竞争力的5个要素。福特大批量生产模式以提供廉价的产品为主要目的，柔性生产模式以满足顾客的多样化需求为主要目的，敏捷生产模式以向顾客及时提供所需求的产品为主要目的，绿色制造以产品在整个生命周期中有利于环境的保护为主要目的。制造模式主要研究企业高效经济运筹、生产组织和管理、企业间合作、质量保障体系、人—机—环境关系等。

人是制造过程和制造系统中的决定性因素。因此，制造系统、制造过程和生产模式中人的思想行为、人机关系、人际关系、企业社会环境、人在制造中的积极作用就成为制造科学与社会科学、人文科学交叉的主要研究内容。

我国现行的科学研究体制和教育体制中有不利于学科交叉的因素。在美国，制造专业一般设在工业工程系，制造科学和工业管理经过长期的交叉融合，已经自成一体。中国在20世纪80年代以前没有管理专业，管理也没有被看作科学。此后，虽然设立了管理专业和人文专业，但多数仍然与制造专业分家，造成了教育体制上管理和制造的“两张皮”状态，不利于学科交叉。

美国科学基金会制造学科处设有6个项目处，含有管理内容的有运筹研究、创新管理和生产系统。中国国家自然科学基金委员会与制造有关的研究除设在工程与材料科学部的机械学科外，还设在工程与材料学部的材料学科，信息科学部的计算机、电子、半导体、光学、自动化等领域以及管理科学部的生产管理领域。机械学科以前资助的项目大多属于制造工程技术科学领域，很少有人文管理方面的项目。近年来，机械学科开始资助制造模式方面的项目。除了资助以上项目以外，还设立了“快速可重组制造系统”、“敏捷制造”和“虚拟制造”等重点项目，旨在推动制造科学技术与制造管理科学的学科交叉。

中国的市场经济正处在发展过程中，制造技术和制造管理的交叉融合将与企业市场竞争机制的深化改革和完善并驾齐驱。

6.制造信息科学

信息在制造过程和制造系统中占有越来越重要的位置。现代产品的信息含量在产品价值中的比重不断增大。在信息时代，产品的生产成本主要受到制造信息的制约。

机电产品是信息在原材料(毛坯)的物化，换言之，制造过程主要是信息在原材料(毛坯)上的增值过程。许多现代产品的价值增值主要体现在信息上。因此，制造过程中信息的获取和应用十分重要。21世纪是信息世纪，因特网是获取信息的重要手段。信息化是制造科学技术走向全球化和现代化的重要标志。

与制造有关的信息主要有产品信息、工艺信息和管理信息。这一领域有如下主要研究方向和内容:①制造信息的获取、处理、存储、传递和应用，海量制造信息向知识和决策的转化；②非符号信息的表达，制造信息的保真传递，海量制造信息的管理，非完整制造信息状态下的生产决策，虚拟制造，基于网络环境下的设计与制造，制造过程和制造系统中的控制科学问题。

这些内容是制造科学与信息科学基础融合的产物，在信息科学中独具特色，构成了制造科学中的新分支——制造信息学。

7.仿生制造科学

在设计与制造过程中，人们已经应用人工神经网络、遗传算法来计算、分析、推论和控制制造系统或制造过程。实际上，制造过程、制造系统和生命过程、生命系统在许多方面有相似之处。制造系统和生命系统都是非线性耗散系统，都有生命周期。生物通过基因遗传将自己的基本特征复制给下一代；同样，新产品往往是在老产品基础上发展的。生命系统和现代制造系统的结构也有许多相似之处，它们都具有大脑(计算、思维和控制系统)、四肢(执行系统)、传感和神经(信息系统)。生命系统和现代制造系统都有自组织性、自适应性、协调性、应变性、智性和柔性。现代制造系统的这些生物特性研究是制造科学所面临的前沿课题。

生物脱附和机械仿生是我国独具优势和特色的交叉研究领域。深入研究土壤动物的动态脱粘特性及其规律十分必要；生物制造、生物去除加工采用生物菌对材料进行加工，是近年来发展的一种生物电化学和机械微细加工的交叉。对这些领域的研究，其科学意义远远大于项目本身。

制造科学与生命科学的交叉还表现在机械仿生学研究上。蛇形机器人、多足机器人、假肢、人工关节、机械手和智能机器人都是典型的机械仿生研究。可以预见，21世纪将进入制造科学与生命科学全面交叉发展的时代。这一领域有如下主要研究内容:①生物组织、结构和系统的仿生，例如骨骼、肌体、器官的自修复、自组织、自适应、自生长和自进化研究；②生物功能的仿生，例如驼蹄固沙仿生、生物脱土仿生、机器人运动仿生研究；③生物控制的仿生，例如人工神经网络、遗传算法、仿生测量研究；④生物制造，例如利用细菌加工零件、细胞移植和重组的生物制造。

这一领域当前有如下主要研究内容:①仿生机械相关的生物力学原理；②生物制造基础理论与技术；③组织工程材料成形的信息模型与物理模型；④面向生物工程的微操作系统原理、设计与制造基础；⑤仿生系统的控制理论与方法；⑥仿生系统的集成理论与技术。

纳米制造科学、仿生制造科学、制造信息科学和制造管理科学是影响现代制造科学发展的4个重要领域，对它们的深入研究必将推动学科的进展，同时也将为我国先进制造技术和制造业提供新的理论和方法。我们应当了解这些领域的国内外研究现状，结合国情和工程实际，利用我们已有的优势和特长，找到研究工作的切入点，有所突破，取得成就。