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1、未来机械工程的发展趋势21世纪以前，科学与技术着重于认识自然世界，不断提高人类生存能力；21世纪科技将更多地着眼于认识人类自身，不断提高人的生命质量。在21世纪里，就制造业来讲，发明和发展了汽车、机床、机器人、飞机、火箭 、芯片、计算机、电视机等成千上万的机电产品，极大地改变了人类的生产方式和生活方式展望未来，21世纪将更加伟大、更加辉煌。制造业将出现更多意想不到的奇迹。生产 的汽车不仅会跑，可能还会飞；制造的飞机将更快、更安全；高速列车和磁悬浮列车将飞驰 在祖国的原野；智能仪器装备和智能机器人将按照人们的要求高效率、高质量地 制造产品；微型机器人将能进入血管清理“垃圾”、修补心脏；人们可用分
2、子组装技术组装 出 理想性能的微器件；掌上工具可能是计算机、可视电话、电视、音响和网络的集成，等等。未来机械工程科学发展的总趋势将是交叉、综合化；柔性、集成化；智能、数字化；精密、 微型化；高效、清洁化。智能机器人及仪器设备、微型机电系统、高效柔性、智能自动化制 造技术将日趋成熟，并被市场所接受；可重构制造系统的理论与技术和适合我国的制造模式 将得到完善和发展；在机构学、摩擦学、仿生机械和仿生制造等领域我国将进入世界先 进行列；我国科学家问鼎诺贝尔奖将不是天方 夜谭。制造业在制造科学技术的武装下将全面现代化，国家由于制造业创造的财富而更加昌 盛繁荣。人民的生活将更加富裕潇洒。信息科学、材料科学
3、、生命科学、纳米科学、管理科学和制造科学将是改变21世纪的主 流科学，由此产生的高新技术及其产业将改变世界。与以上领域交叉发展的制造系统和制 造信息学、纳米机械和纳米制造科学、仿生机械和仿生制造学、制造管理科学和可重构制造 系统等是21世纪机械工程科学的重要前沿。半个世纪以来, 我国的机械工程科学得到了很大的发展，我们已经建立了较完善的学科体系 ，在学科前沿、技术创新和工程应用诸方面取得了突出成就。新技术在制造业中的应用，使得被人们称作“夕阳产业”的机械制造业不断涌现新的希望，唤发新的活力。从起初“规模型”、“成本型”到“质量型”，再到现在的“快速响应型”无不展示其适应市场竞争，求生存、求发展
4、的勃勃生机。围绕着以满足个性需求为宗旨的新产品开发与竟争，一场以大制造、全过程、多学科为特征的新的制造业革命正波澜壮阔地展开。这是二十一世纪知识经济新时代下制造业的趋势，同时也预示着其未来的可持续发展方向全球化、信息化、智能化。高技术改变制造业当今日新月异的科学技术发展，展现出了更多的科学发现和技术发明前景。信息科技、生命科学和生物技术、纳米科技的突飞猛进与相互交织影响，成为新一轮科技革命的重要标志。高技术的迅猛发展，同样对制造业的发展起到了推动、提升和改造的作用。高技术对制造业的改变是全面的和连续不断的，包括影响制造业未来的发展方向、重心领域、科技前沿、核心要素等，这里就几个重大方向问题做些
5、说明。一、高技术改变制造业尺度向下延伸尺度向下延伸促使制造业的重点前沿转移。在人类文明的几千年历史中，人们在认知周围世界的基础上，制造行为的范围大体上是在公尺上下三个数量级（即由千米到毫米）之间，这也大致相当于几千年人类作到的从必然王国走向自然王国的范围，同时也是人类“制造”活动的范围。20世纪科学技术的发展使人类对客观世界的认识和掌握进一步向下延伸，逐步进入了微米、纳米和原子分子级范畴，相应发展的高技术及其产业化的需求推动和拉动了精密、微细制造技术的发展。微电子技术的发展使制造业的领域迅速向微米、亚微米领域进展，正在推向纳米级制造。高技术，首先是信息技术和生物技术对制造技术向下延伸的推动力是
6、十分巨大和迅猛的，世界装备制造业前沿积极转向微纳制造的趋势十分明显。制造业重心尺度向下延伸，将研发前沿转向微纳制造的意义还在于“小”对“大”的深化作用。认识“小”，是认识物质自然规律、解释物理化学现象、掌握物质行为机理、创立新产品全新原理的必由之路。制造业未来的核心技术、难点、高增值潜力越来越多地寓于微小之中。由于大型设备的技术竞争往往最终归结到核心器件的竞争，体现在专用芯片、控制器件、微传感器、智能控制、新型材料等，有远见的企业在生产制造中尺度和大尺度机械产品的同时，把改进生产方式和不断提高产品水平的未来越来越寄托在微纳技术上。用“微小技术”发展“重大产品”，充分体现了高技术发展对机械制造业
7、发展重大和深远的影响。二、高技术改变制造业产品智能化 功能仿生、拟人化智能化预示着全新一代机械产品的诞生。高技术为机电一体化注入了新的含义和活力，使最初意义上的机电一体化实现向高技术升级，机电一体化的概念在不断扩展中成为多元技术的集成，或如有的专家描绘的“机电光声热化生一体化综合集成技术”。而机电一体化产品五要素（结构、运动、检测、控制、驱动）在信息技术的催化下，实现充分的融合和集成，机械产品自此真正成为智能化产品。生物工程正在成为制造技术的重要组成部分。生物加工和为生物技术提供仪器设备成为制造业的重要组成部分，对生物体、柔性体的处置加工成为与加工金属体和刚性体同样普遍的制造方式。而生物领域的
8、巨大发现和生物工程的应用大大加快了制造产品领域仿生技术、拟人化技术的开发应用。例如蛛丝这样的自然材料在纳米技术的配合下将成为在制造领域有影响的重要仿生产品。生长型制造的比重正在迅速提高。高技术在分子生长领域的成就将在微制造领域推动“从下而上”制造方式的开发掌握和合理应用，使传统的制造模式发生难以预测的变化。纳米技术与仿生学的结合可以使生物物理学家仿照生命过程的各个环节制造出用于各种各样目的的纳米机器人。国外有一项“先进安全车（ASV Advanced Safety Vehicle）”计划，目的是利用电子技术等高技术进一步提高汽车安全性能，实现汽车的高度智能化。这里主要包括两大部分：安全预防技术
9、和事故避免技术。其中如防困警报系统，打算利用高技术来达到：当车辆偏离车道上标记的行驶路线时发出警报（仪表板上的摄像机监视驾驶员面部表情、眼睛睁开程度、眼皮眨动频率，在打瞌睡早期予以识别，发出警报或释放薄荷醇气味和空调冷气，进一步则自动启动制动系统）。此外还有轮胎气压过低警报系统、夜间目标检测与警报系统、汽车导行系统、车距警报系统、冲击吸能系统、行人保护系统、碰撞识别通报系统（自动呼叫救援调度中心并发出数据）等，这些都将建立在应用高技术的基础上。高技术正在使机器人技术发生重大变化，由于信息技术的全面应用，机器人的遥控和全自控操作已经成为现实，机器人的使用面正在日新月异地扩大。三、高技术改变制造业
10、扩展跨度 服务高级化发展了几百年的以产品为中心的制造业正在向服务方向扩展延伸。纯物质形态的制造业产品正在向越来越非物质形态的服务方向发展。这是历史的巨大进步，也是制造业的巨大发展和进步。从世界制造业发展规律看，服务比重的提高是制造业走向高级化的主要标志，而高技术的应用为制造业服务内容的扩展和水平的提高开拓了广阔的天地。一个有启示性的例子是美国通用电气公司的新商业模式卖“推进服务”而不是卖“喷气发动机”。亦即用一笔综合性收费，通用电气公司向航空公司出售在一定合同期限内得到保障的发动机正常运转时间，其中包括零件、维修、备用发动机、融资等保障飞机飞行的一切服务。此项服务几年前就已达到累计200亿美元
11、营业额。同样，IBM 公司则从卖计算机向卖“计算能力”方向发展。从卖机器卖零件转向卖功能卖服务，与此相应的制造业结构从以产品为中心迈向以服务为中心，制造业主体增值部分由设备、工程、成套、交钥匙扩展到规划设计、管理维护、咨询服务、战略分析、概念创意等非物质型的高层次服务、知识型服务，正在使制造业结构和内涵发生彻底的带根本性的变化。制造业扩展服务内容，既表现为行业结构的改变，也体现在产品方向的扩大。以机器人为例，生产型机器人是未来制造业很重要的组成部分，而服务型机器人注定将有更为广阔的发展潜力。从技术层面分析，工业机器人多数是执行重复性任务为主的“固定式”机器人（如生产线上的焊接机器人），而服务机
12、器人则更多地是“移动式”机器人，向服务型机器人扩展，据有关专家预测，将使机器人行业发展到和全球汽车工业一样庞大，而日本预计到2025年机器人产值将达到8亿日元。但是，这一突破必须要建立在高技术发展的基础上，因为移动式机器人多数工作于非定规（Unstructured ）条件下，也就是它们工作的条件往往不是事先设计中预料得到的，典型的例子是病人护理，由于病人的一次突发咳嗽，就能使通常的机器人措手不及，作出错误反应，这里需要机器人具有全身感知（whole-body sensing）能力。为此，科学家们正在运用微传感方面的高技术成就来实现全表面感知，如美国科学家研究的”Senskin”，就是在数据处理
13、技术、新材料技术和微传感技术的基础上，集成产生的所谓“敏感皮肤”，覆盖机器人全身的敏感皮肤将使各种服务型智能机器人真正成为可能。高技术应用带来的服务高级化将为制造业开拓巨大的新领域。现代物流系统的普遍采用、射频识别技术的推广应用、高速网络与装备系统的结合、通信技术与工程项目的结合，都将使装备制造业迈向更广阔的天地。四、高技术改变制造业材料基础多样化材料领域的新技术将给制造业带来翻天覆地的巨变。由于高技术的应用，人们生活和生产中一些多年的梦想将有可能得到实现：从玻璃不脏、皮鞋不擦到超强度、超韧性、“刀枪不入”、“永不磨损”，相应地可以实现机器转速更高、重量更轻、体积更小；今天在赛车、火箭、高尔夫
14、球杆上应用的新材料将逐渐在更多的产品上得到应用。传统机械设计采用的数据、公式、常数、系数也不得不经历根本性的改变。新型陶瓷材料正在成为越来越重要的工业制造材料。现代航空发动机用热障陶瓷涂层（TBC ）容许发动机进气温度达到1700，使5倍音速的超音速飞机成为可能。“生物钢”( B i o- S t e e l是根据蜘蛛丝蛋白仿制的生物材料，这种人造基因蜘蛛丝的硬度是钢的45倍，既坚硬又柔韧，因而首先在军事上具有广泛的用途。在未来也将使工业设计制造产生重大的改变。基于有机电子学的新型有机材料将彻底改变电子线路和显示技术，将出现可到处悬挂的、轻便的、可卷叠的OLED 显示屏，取代笨重的阴极射线管，
15、使多种机械产品的控制显示和输出方式发生巨大的改观。纳米材料的应用对制造业的革命性影响估计得再大也不会过分。由于物质粒径在10纳米以下，将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1纳米时，表面原子数比例达到90%以上，晶界数量的大幅度增加使材料的强度、韧性和超塑性大大提高，同时对光、电和机械应力的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗粒，这些都使得纳米材料在宏观上显示出许多奇妙的特性。例如晶粒尺寸在50纳米以下的纳米陶瓷，具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷不具备的优点，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用。纳米材料改变制造业的另一个不可忽视的方面是高质量碳纳米材料成为
16、新型储氢材料的前景。在传统机械制造设计和工艺领域，新材料的应用同样意味着巨大的创新。例如最基本的机械传动和摩擦磨损，由于纳米材料、智能材料、梯度材料、新型陶瓷材料、新型高分子聚合物、表面涂层及自修复材料等的应用，对机械传动和摩擦副的性能、功能，以及设计方法、标准、数据等，都产生了巨大的影响。如果在大型高速旋转机械和传动系统中采用电流变、磁流变等智能材料来控制系统的刚性，可实现减振降噪和降低高峰应力。而采用新型表面工程的纳米涂层技术和仿生以及智能表面自诊断、自修复技术，将可能实现各类摩擦副表面性能的主动控制和寿命的大幅度延长。如果把眼光放得更长远一点，把立足点转移到“自下而上”的自组装，对于制造业的影响更是翻天覆地的。自装配技术源于分子间有选择的自发性组合，在胚胎学、形体起源学和超分子化学等领域都已有广泛的应用。高技术的前沿之一，正是在微机电系统MEMS 技术中多种材料如蛋白质、乳胶、金属分
