三、現(xiàn)代制造科學(xué)的新發(fā)展

1.學(xué)科交叉研究的成績

近年來，國家自然科學(xué)基金委員會工程與材料科學(xué)部機械學(xué)科支持了一大批交叉學(xué)科的項目，如與管理科學(xué)部、信息科學(xué)部交叉的重大項目“先進制造技術(shù)中的若干基礎(chǔ)性研究”、與生命科學(xué)部交叉的重點項目“生物脫附與機械仿生”、與材料學(xué)科交叉的重點項目“非理想材料的超塑性成形”。這些項目的研究取得了豐碩成果。例如:電接觸可靠性科學(xué)涉及材料學(xué)、摩擦學(xué)、電子學(xué)及化學(xué)等科學(xué)，屬基礎(chǔ)邊緣科學(xué)研究。北京郵電大學(xué)機械工程系章繼高教授在國家自然科學(xué)基金連續(xù)資助下從事電接觸可靠性科學(xué)研究，已在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物和學(xué)術(shù)會議上發(fā)表了一系列有重要發(fā)現(xiàn)的學(xué)術(shù)論文，得到國內(nèi)外同行專家的稱贊，北京被譽為電接觸研究的世界學(xué)術(shù)中心。其研究成果用于電接觸器件的制造，不僅提高了可靠性，而且節(jié)省了相當數(shù)量的黃金，產(chǎn)生了重要的經(jīng)濟效益。該項成果獲得了國家自然科學(xué)獎三等獎，項目得到美國AMP公司80萬美元的再資助。

快速原型制造(RPM)是一種簡捷的計算機快速堆積成形制造技術(shù)，是計算機應(yīng)用技術(shù)、微電子科學(xué)、光學(xué)、材料科學(xué)與機械科學(xué)的交叉，是制造科學(xué)的一個重要發(fā)展方向。從事成形制造研究的清華大學(xué)顏永年教授、華中理工大學(xué)黃樹槐教授在LOM、FDM等RPM方法的研究上獲得重要進展。顏永年教授在快速成形的離散/堆積原理的數(shù)學(xué)描述與建模中創(chuàng)造性地提出了能量場概念和理論，提出并開發(fā)了無木模鑄型制造、無焙燒陶瓷型精密鑄造、RP功能集成概念和技術(shù)，研制出的世界上最大的LOM雙掃描成形機已提供給國內(nèi)的汽車制造企業(yè)，研制成功的多功能快速成形機已打入國際市場。

微型機械制造涉及機械、電子、材料、物理、化學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域。清華大學(xué)周兆英教授等在微型泵閥研究領(lǐng)域、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械研究所王立鼎院士在微型馬達研究領(lǐng)域取得重要進展，已研制出微流量傳感器、微閥和微泵等10余種微器件，在國際上首先開展了微管正反向流過流特性、微構(gòu)件機械特性(如硅微梁的疲勞實驗研究)，科學(xué)成果論文發(fā)表后受到了國內(nèi)外同行專家的高度評價，為進一步研究開發(fā)微米—納米技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

生物脫附和機械仿生是一個很有代表性的學(xué)科交叉研究領(lǐng)域。挖掘機、推土機和拖拉機等地面機械在工作時由于黏土附著嚴重影響作業(yè)效率而成為一大難題。從事地面機械研究的任露泉教授等深入研究了土壤動物表面的脫粘特性及規(guī)律，首次發(fā)現(xiàn)并研究了蜣螂等動物的非光滑表面減阻脫附的特性，發(fā)表的科學(xué)論文多次被引用，并被SCI、EI收錄，他們設(shè)計制造的仿生拖拉機犁鏵表面，由于降低了犁耕阻力，使能耗減少了10%～15%。

可以預(yù)見，生物科學(xué)、信息科學(xué)、納米科學(xué)、制造科學(xué)和管理科學(xué)將是21世紀的5個主流科學(xué)，與此相關(guān)的5大技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)將改變世界。機械工程科學(xué)與信息科學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、管理科學(xué)的學(xué)科交叉是機械工程科學(xué)發(fā)展的趨勢，也是現(xiàn)代制造科學(xué)形成和發(fā)展的必由之路。從事機械工程科學(xué)研究的專家、學(xué)者要充分認識到這種趨勢，在機械工程與信息科學(xué)、生命科學(xué)和管理科學(xué)的交叉研究中推動學(xué)科前進。

2.多學(xué)科交叉的新學(xué)科

現(xiàn)代制造已不僅僅是機械制造，它的基本特點是大制造、全過程、多學(xué)科。“大制造”應(yīng)包括光機電產(chǎn)品的制造、工業(yè)流程制造、材料制備等，它是一種廣義制造概念。從制造方法看，它不僅包括機械加工方法，還應(yīng)包括高能束加工方法、硅微加工方法、電化學(xué)加工方法等?！叭^程”，不僅包括從毛坯到成品的加工制造過程，還包括產(chǎn)品的市場信息分析，產(chǎn)品決策，產(chǎn)品的設(shè)計、加工和制造過程，產(chǎn)品的銷售和售后服務(wù)，報廢產(chǎn)品的處理和回收，以致產(chǎn)品的全壽命過程的設(shè)計、制造和管理。

現(xiàn)代制造科學(xué)是多學(xué)科交叉學(xué)科，它涉及以下領(lǐng)域:①計算機學(xué)科、半導(dǎo)體學(xué)科中的微電子器件和計算機器件的設(shè)計與制造；②自動化學(xué)科的制造過程和制造系統(tǒng)控制理論和方法；③光學(xué)和光電子學(xué)科的器件和儀器的設(shè)計與制造，光電測試理論與方法；④機械工程學(xué)科的零件和機器的設(shè)計制造理論方法，機械構(gòu)件及機電系統(tǒng)性能的模擬仿真；⑤管理學(xué)科關(guān)于可重組企業(yè)和可重組制造系統(tǒng)理論、企業(yè)管理方法和工業(yè)工程理論；⑥材料學(xué)科中新材料制備科學(xué)，冶金學(xué)科中材料成形科學(xué)；⑦化學(xué)工程中化工流程科學(xué)和化工產(chǎn)品的制造科學(xué)；⑧與生物科學(xué)交叉的仿生制造和仿生機械學(xué)；⑨物理學(xué)科中的納米科學(xué)，力學(xué)學(xué)科中機電系統(tǒng)動力學(xué)問題。

現(xiàn)代制造科學(xué)是支撐和產(chǎn)生先進制造技術(shù)理論、方法和技術(shù)的基礎(chǔ)。它涉及制造系統(tǒng)和制造過程的理論和建模，制造信息和知識的獲取、處理、傳遞及應(yīng)用，制造模式與生產(chǎn)管理理論與方法，制造產(chǎn)品的現(xiàn)代設(shè)計理論與方法，制造過程及系統(tǒng)的測量、監(jiān)控理論和方法以及制造自動化理論等。

學(xué)科交叉研究不是一個學(xué)科的科學(xué)知識在另一個學(xué)科的簡單應(yīng)用(例如計算機科學(xué)技術(shù)在制造科學(xué)技術(shù)中應(yīng)用，數(shù)學(xué)和力學(xué)在制造科技中的應(yīng)用研究，似不能算作學(xué)科交叉)，學(xué)科交叉可以這樣理解:某學(xué)科要尋求自身的突破和發(fā)展，必須依賴與相關(guān)學(xué)科的知識融合，而交叉研究的結(jié)果又能促進自身和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。此外，其研究隊伍應(yīng)當具備相應(yīng)的交叉學(xué)科知識群和研究條件。

生物科學(xué)與制造科學(xué)的交叉將產(chǎn)生生物制造或仿生制造科學(xué)，現(xiàn)代管理科學(xué)與制造科學(xué)的交叉將產(chǎn)生現(xiàn)代工業(yè)工程科學(xué)，信息科學(xué)與制造科學(xué)的交叉將產(chǎn)生制造信息科學(xué)，計算機與制造科學(xué)的交叉將產(chǎn)生虛擬制造科學(xué)。近20年來國際制造科學(xué)的發(fā)展經(jīng)驗告訴我們，學(xué)科交叉是推動制造科學(xué)發(fā)展的決定性因素。微型機電系統(tǒng)、快速原型制造、敏捷制造模式、機器人學(xué)等的發(fā)展就是學(xué)科交叉的結(jié)果。

3.主要研究的科學(xué)問題

21世紀在制造科學(xué)領(lǐng)域，我們的科學(xué)研究應(yīng)結(jié)合國情，聯(lián)系實際，瞄準學(xué)科前沿，遵照“有所為，有所不為”的方針，避免低水平重復(fù)，選擇有優(yōu)勢或容易發(fā)揮我們特長的領(lǐng)域，力爭取得突破。筆者認為，21世紀制造科學(xué)領(lǐng)域至少有如下重要科學(xué)問題:①現(xiàn)代制造過程和制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論；②制造過程與系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述、建模、仿真及優(yōu)化，制造中的計算機幾何；③設(shè)計及制造過程信息的獲取、表達及傳遞，非全信息狀態(tài)下的決策，非符號信息表達，制造信息保真及傳遞，海量制造信息的管理；④網(wǎng)絡(luò)/虛擬制造基礎(chǔ)理論，網(wǎng)絡(luò)及虛擬環(huán)境下制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及全局最優(yōu)決策理論；⑤支持產(chǎn)品設(shè)計和制造過程創(chuàng)新的理論及方法；⑥現(xiàn)代制造過程和制造系統(tǒng)的多學(xué)科模擬/仿真研究；⑦現(xiàn)代制造過程和制造系統(tǒng)中的人—機—環(huán)境界面交互、協(xié)調(diào)和統(tǒng)一理論；⑧先進制造生產(chǎn)模式及管理理論與方法，研究適合我國國情及文化背景的高效、快速、可重組先進制造生產(chǎn)理論及其模式；⑨適應(yīng)社會主義市場經(jīng)濟和制造生產(chǎn)模式的經(jīng)營管理及虛擬企業(yè)的基礎(chǔ)理論及運作方法；計算機、微電子和光學(xué)關(guān)鍵零件的制造工藝基礎(chǔ)；微型機電系統(tǒng)的設(shè)計、制造理論和方法；新材料制備、微納米制造和仿生制造的理論基礎(chǔ)；現(xiàn)代制造過程和制造系統(tǒng)的控制理論和方法；基于資源節(jié)約和環(huán)境保護的制造理論和方法。

4.納米制造科學(xué)

納米制造科學(xué)技術(shù)是人類對自然的認識和改造從宏觀領(lǐng)域進入微觀領(lǐng)域，在21世紀最重要的前沿科學(xué)技術(shù)之一。它泛指納米級(0.1～100毫微米)尺度的材料制備、零件及系統(tǒng)的設(shè)計、加工制造、測量和控制的相關(guān)科學(xué)和技術(shù)。

納米制造科學(xué)技術(shù)研究涉及材料科學(xué)、信息科學(xué)、物理科學(xué)、光學(xué)、生物學(xué)和制造科學(xué)等。它不僅導(dǎo)致制造科學(xué)向微觀領(lǐng)域擴展，而且對我國未來的科技、經(jīng)濟和國防事業(yè)的強大具有戰(zhàn)略意義。

我們在宏觀研究中所常用的物理量，如彈性模量、密度、溫度、壓力等，在微觀尺度領(lǐng)域可能要重新定義，我們習以為常的牛頓定理、歐幾里得幾何、熱力學(xué)、電磁學(xué)、流體力學(xué)可能不再適用，需要重新定義和描述，而量子效應(yīng)、物質(zhì)的波動性、原子力等微觀物理特性卻要起重要的作用。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，有的宏觀脆性材料在納米尺度時具有很強的塑性；流體在微管流動中，液體的表面張力和對管壁的附著力已不可忽略；在納米加工及表面質(zhì)量分析中，必須考慮原子間的結(jié)合力并應(yīng)用界觀物理的知識。目前，已有科學(xué)家在研究納米零件的設(shè)計與制造，設(shè)計利用移動不同的物質(zhì)原子構(gòu)造理想性能的器件。

納米制造科學(xué)技術(shù)有如下主要研究內(nèi)容及科學(xué)問題:①納米級精度和表面的測量儀器(如可用于加工、測量的掃描隧道顯微鏡、顯微測量激光干涉儀等)；②納米級表層物理、化學(xué)和機械性能的檢測；③納米級表面的加工(金剛石刀具超精密切削、鏡面磨削、高能束加工:原子和分子的去除、搬遷和重組的掃描隧道顯微加工)；④納米材料的制備、納米級微傳感器制造和控制；⑤微型機電系統(tǒng)(微型飛機、微型衛(wèi)星、微型陀螺、微型機器人等)的理論與技術(shù)。

5.制造管理科學(xué)

制造生產(chǎn)模式是管理科學(xué)、社會人文科學(xué)與制造科學(xué)的交叉。事實已經(jīng)證明并將進一步證明，中國制造的產(chǎn)品如果要在國際市場具有競爭能力，中國的制造商如果要成為國際名牌企業(yè)，除了要擁有世界一流的制造技術(shù)外，更重要的是要有世界一流的組織管理模式和管理水平。當然其先決條件是企業(yè)內(nèi)外必須建立比較完善的市場競爭機制。

制造生產(chǎn)模式是制造業(yè)為了提高產(chǎn)品的競爭能力而采取的一定的組織生產(chǎn)模式。它具有鮮明的時代性。質(zhì)量、成本、交貨期、服務(wù)和產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性已成為制約現(xiàn)代產(chǎn)品競爭力的5個要素。福特大批量生產(chǎn)模式以提供廉價的產(chǎn)品為主要目的，柔性生產(chǎn)模式以滿足顧客的多樣化需求為主要目的，敏捷生產(chǎn)模式以向顧客及時提供所需求的產(chǎn)品為主要目的，綠色制造以產(chǎn)品在整個生命周期中有利于環(huán)境的保護為主要目的。制造模式主要研究企業(yè)高效經(jīng)濟運籌、生產(chǎn)組織和管理、企業(yè)間合作、質(zhì)量保障體系、人—機—環(huán)境關(guān)系等。

人是制造過程和制造系統(tǒng)中的決定性因素。因此，制造系統(tǒng)、制造過程和生產(chǎn)模式中人的思想行為、人機關(guān)系、人際關(guān)系、企業(yè)社會環(huán)境、人在制造中的積極作用就成為制造科學(xué)與社會科學(xué)、人文科學(xué)交叉的主要研究內(nèi)容。

我國現(xiàn)行的科學(xué)研究體制和教育體制中有不利于學(xué)科交叉的因素。在美國，制造專業(yè)一般設(shè)在工業(yè)工程系，制造科學(xué)和工業(yè)管理經(jīng)過長期的交叉融合，已經(jīng)自成一體。中國在20世紀80年代以前沒有管理專業(yè)，管理也沒有被看作科學(xué)。此后，雖然設(shè)立了管理專業(yè)和人文專業(yè)，但多數(shù)仍然與制造專業(yè)分家，造成了教育體制上管理和制造的“兩張皮”狀態(tài)，不利于學(xué)科交叉。

美國科學(xué)基金會制造學(xué)科處設(shè)有6個項目處，含有管理內(nèi)容的有運籌研究、創(chuàng)新管理和生產(chǎn)系統(tǒng)。中國國家自然科學(xué)基金委員會與制造有關(guān)的研究除設(shè)在工程與材料科學(xué)部的機械學(xué)科外，還設(shè)在工程與材料學(xué)部的材料學(xué)科，信息科學(xué)部的計算機、電子、半導(dǎo)體、光學(xué)、自動化等領(lǐng)域以及管理科學(xué)部的生產(chǎn)管理領(lǐng)域。機械學(xué)科以前資助的項目大多屬于制造工程技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域，很少有人文管理方面的項目。近年來，機械學(xué)科開始資助制造模式方面的項目。除了資助以上項目以外，還設(shè)立了“快速可重組制造系統(tǒng)”、“敏捷制造”和“虛擬制造”等重點項目，旨在推動制造科學(xué)技術(shù)與制造管理科學(xué)的學(xué)科交叉。

中國的市場經(jīng)濟正處在發(fā)展過程中，制造技術(shù)和制造管理的交叉融合將與企業(yè)市場競爭機制的深化改革和完善并駕齊驅(qū)。

6.制造信息科學(xué)

信息在制造過程和制造系統(tǒng)中占有越來越重要的位置?，F(xiàn)代產(chǎn)品的信息含量在產(chǎn)品價值中的比重不斷增大。在信息時代，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本主要受到制造信息的制約。

機電產(chǎn)品是信息在原材料(毛坯)的物化，換言之，制造過程主要是信息在原材料(毛坯)上的增值過程。許多現(xiàn)代產(chǎn)品的價值增值主要體現(xiàn)在信息上。因此，制造過程中信息的獲取和應(yīng)用十分重要。21世紀是信息世紀，因特網(wǎng)是獲取信息的重要手段。信息化是制造科學(xué)技術(shù)走向全球化和現(xiàn)代化的重要標志。

與制造有關(guān)的信息主要有產(chǎn)品信息、工藝信息和管理信息。這一領(lǐng)域有如下主要研究方向和內(nèi)容:①制造信息的獲取、處理、存儲、傳遞和應(yīng)用，海量制造信息向知識和決策的轉(zhuǎn)化；②非符號信息的表達，制造信息的保真?zhèn)鬟f，海量制造信息的管理，非完整制造信息狀態(tài)下的生產(chǎn)決策，虛擬制造，基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的設(shè)計與制造，制造過程和制造系統(tǒng)中的控制科學(xué)問題。

這些內(nèi)容是制造科學(xué)與信息科學(xué)基礎(chǔ)融合的產(chǎn)物，在信息科學(xué)中獨具特色，構(gòu)成了制造科學(xué)中的新分支——制造信息學(xué)。

7.仿生制造科學(xué)

在設(shè)計與制造過程中，人們已經(jīng)應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法來計算、分析、推論和控制制造系統(tǒng)或制造過程。實際上，制造過程、制造系統(tǒng)和生命過程、生命系統(tǒng)在許多方面有相似之處。制造系統(tǒng)和生命系統(tǒng)都是非線性耗散系統(tǒng)，都有生命周期。生物通過基因遺傳將自己的基本特征復(fù)制給下一代；同樣，新產(chǎn)品往往是在老產(chǎn)品基礎(chǔ)上發(fā)展的。生命系統(tǒng)和現(xiàn)代制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也有許多相似之處，它們都具有大腦(計算、思維和控制系統(tǒng))、四肢(執(zhí)行系統(tǒng))、傳感和神經(jīng)(信息系統(tǒng))。生命系統(tǒng)和現(xiàn)代制造系統(tǒng)都有自組織性、自適應(yīng)性、協(xié)調(diào)性、應(yīng)變性、智性和柔性?，F(xiàn)代制造系統(tǒng)的這些生物特性研究是制造科學(xué)所面臨的前沿課題。

生物脫附和機械仿生是我國獨具優(yōu)勢和特色的交叉研究領(lǐng)域。深入研究土壤動物的動態(tài)脫粘特性及其規(guī)律十分必要；生物制造、生物去除加工采用生物菌對材料進行加工，是近年來發(fā)展的一種生物電化學(xué)和機械微細加工的交叉。對這些領(lǐng)域的研究，其科學(xué)意義遠遠大于項目本身。

制造科學(xué)與生命科學(xué)的交叉還表現(xiàn)在機械仿生學(xué)研究上。蛇形機器人、多足機器人、假肢、人工關(guān)節(jié)、機械手和智能機器人都是典型的機械仿生研究?？梢灶A(yù)見，21世紀將進入制造科學(xué)與生命科學(xué)全面交叉發(fā)展的時代。這一領(lǐng)域有如下主要研究內(nèi)容:①生物組織、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的仿生，例如骨骼、肌體、器官的自修復(fù)、自組織、自適應(yīng)、自生長和自進化研究；②生物功能的仿生，例如駝蹄固沙仿生、生物脫土仿生、機器人運動仿生研究；③生物控制的仿生，例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、仿生測量研究；④生物制造，例如利用細菌加工零件、細胞移植和重組的生物制造。

這一領(lǐng)域當前有如下主要研究內(nèi)容:①仿生機械相關(guān)的生物力學(xué)原理；②生物制造基礎(chǔ)理論與技術(shù)；③組織工程材料成形的信息模型與物理模型；④面向生物工程的微操作系統(tǒng)原理、設(shè)計與制造基礎(chǔ)；⑤仿生系統(tǒng)的控制理論與方法；⑥仿生系統(tǒng)的集成理論與技術(shù)。

納米制造科學(xué)、仿生制造科學(xué)、制造信息科學(xué)和制造管理科學(xué)是影響現(xiàn)代制造科學(xué)發(fā)展的4個重要領(lǐng)域，對它們的深入研究必將推動學(xué)科的進展，同時也將為我國先進制造技術(shù)和制造業(yè)提供新的理論和方法。我們應(yīng)當了解這些領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，結(jié)合國情和工程實際，利用我們已有的優(yōu)勢和特長，找到研究工作的切入點，有所突破，取得成就。