文档介绍：现代机械工程的前沿科学
不同科学之间的交叉融合将产生新的科学聚集,经济的发展和社会的进步对科学技术产生了新的要求和期望,从而形成前沿科学。前沿科学也就是已解决的和未解决的科学问题之间的界域。前沿科学具有明显的时域、领域和动态特性。工程前沿科学区别于一般基础科学的重要特征是它涵盖了工程实际中出现的关键科学技术问题。
超声电机、超高速切削、绿色设计与制造等领域,国内外已经做了大量的研究工作,但创新的关键是机械科学问题还不明朗。大型复杂机械系统的性能优化设计和产品创新设计、智能结构和系统、智能机器人及其动力学、纳米摩擦学、制造过程的三维数值模拟和物理模拟、超精度和微细加工关键工艺基础、大型和超大型精密仪器装备的设计和制造基础、虚拟制造和虚拟仪器、纳米测量及仪器、并联轴机床、微型机电系统等领域国内外虽然已做了不少研究,但仍有许多关键科学技术问题有待解决。
信息科学、纳米科学、材料科学、生命科学、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的面貌。因此,与以上领域相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会是21世纪机械工程科学的重要前沿科学。
 制造科学与信息科学的交叉--制造信息科学
机电产品是信息在原材料上的物化。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。信息化是制造科学技术走向全球化和现代化的重要标志。人们一方面对制造技术开始探索产品设计和制造过程中的信息本质,另一方面对制造技术本身加以改造,以使得其适应新的信息化制造环境。随着对制造过程和制造系统认识的加深,研究者们正试图以全新的概念和方式对其加以描述和表达,以进一步达到实现控制和优化的目的。 
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,大量制造信息向知识和决策转化。
(2) 非符号信息的表达、制造信息的保真传递、制造信息的管理、非完整制造信息状态下的生产决策、虚拟管理制造、基于网络环境下的设计和制造、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和信息科学基础融合的产物,构成了制造科学中的新分支--制造信息学。
 微机械及其制造技术研究
微型电子机械系统(MEMS),是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS的发展将极大地促进各类产品的袖珍化、微型化,成数量级的提高器件与系统的功能密度、信息密度与互联密度,大幅度地节能、节材。它不仅可以降低机电系统的成本,而且还可以完成许多大尺寸机电系统无法完成的任务。例如用尖端直径为5μm的微型镊子可以夹起一个红细胞;制造出3mm大小能够开动的小汽车;可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机等。MEMS技术的发展开辟了技术全新的领域和产业,具有许多传统传感器无法比拟的优点,因此在制造业、航空、航天、交通、通信、农业、生物医学、环境监控、军事、家庭以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。
微机械是机械技术与电子技术在纳米尺度上相融合的产物。早在1959年就有科学家提出微型机械的设想,1962年第一个硅微型压力传感器问世。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60~120μm的硅微型静电电动机,显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力。微机械技术有可能像20世纪的微电子技术那样,在21世纪对世界科技、经济发展和国防建设产生巨大的影响。近10年来,微机械的发展令人瞩目。其特点如下:相当数量的微型元器件(微型结构、微型传感器和微型执行器等)和微系统研究成功,体现了其现实的和潜在的应用价值;多种微型制造技术的发展,特别是半导体微细加工等技术已成为微系统的支撑技术;微型机电系统的研究需要多学科交叉的研究队伍,微型机电系统技术是在微电子工艺的基础上发展的多学科交叉的前沿研究领域,涉及电子工程、机械工程、材料工程、物理学、化学以及生物医学等多种工程技术和科学。
目前对微观条件下的机械系统的运动规律,微小构件的物理特性和载荷作用下的力学行为等尚缺乏充分的认识,还没有形成基于一定理论基础之上的微系统设计理论与方法,因此只能凭经验和试探的方法进行研究。微型机械系统研究中存在的关键科学问题有微系统的尺度效应、物理特性和生化特性等。微系统的研究正处于突破的前夜,是亟待深入研究的领域。
 材料制备/零件制造一体化和加工新技术基础
材料是人类进步的里程碑,是制造业和高技术发展的基础。每