讓枯燥冰冷的機械勃發(fā)生命力

目前，我國逐步邁向制造強國，對于卓越工科人才的需求很大。在很多人印象里，傳統(tǒng)工科如機械、化工、土木等學科內(nèi)容顯得有點枯燥艱澀。隨著科技和產(chǎn)業(yè)變革，傳統(tǒng)工科正在發(fā)生什么變化？智能時代我們?nèi)绾螌W好工科？本期來聽聽科學家怎么說。

談起自己的專業(yè)，南京航空航天大學航空學院教授、機械結(jié)構(gòu)力學及控制國家重點實驗室副主任裘進浩的反應(yīng)有點讓記者意外，“選這個專業(yè)偶然的成分更多，不像現(xiàn)在的90后00后，他們信息豐富多了，有自己的思想和規(guī)劃。”裘進浩說，跟不少同齡人一樣，自己是受陳景潤故事的影響走上了追求科學的道路，研究方向經(jīng)歷了不少變化，而扎實的數(shù)理基本功讓自己一直受益無窮。而回首科研路，對他而言，興趣是最好的“傳感器”，潛心科研，能讓看似枯燥冰冷的機械勃發(fā)無窮生命力。

從機械制造到智能材料與結(jié)構(gòu)，他讓機械“生命化”

裘進浩1979年參加了高考，來到南京機電學院的機械制造專業(yè)，做這個選擇很大程度是因為他的物理老師畢業(yè)于南航。

裘進浩說，由于當時中國制造業(yè)還比較落后，機械專業(yè)的教學內(nèi)容也比較窄。在研究生期間他選擇了放電加工方向，“這在當時是傳統(tǒng)切削之外的特種加工技術(shù)，依靠電腐蝕來蝕除多余的金屬,加工一些超硬材料和復雜形狀的工件。如今，隨著科技的進步發(fā)展,特種加工的種類已經(jīng)越來越多。”

博士期間，裘進浩開始轉(zhuǎn)向智能材料與結(jié)構(gòu)方向，智能材料與結(jié)構(gòu)是上世紀90年代發(fā)展起來的新方向。“所謂智能材料與結(jié)構(gòu)，是將具有仿生命功能的材料融合于基體材料中，使制成的構(gòu)件具有人們期望的智能功能。”裘進浩舉例，比如飛機在飛行過程中，結(jié)構(gòu)在一定程度可以發(fā)生一些“變形”和變化，實現(xiàn)更好的飛行性能，這就是智能材料與結(jié)構(gòu)研究在航空領(lǐng)域上的應(yīng)用和實現(xiàn)。

讓機械的材料和結(jié)構(gòu)也更加“智能”，航空領(lǐng)域最早開展了智能材料結(jié)構(gòu)研究。裘進浩說，過去的機械材料和結(jié)構(gòu)是冰冷的，如今通過貼上“傳感器”，機械結(jié)構(gòu)就有了神經(jīng)系統(tǒng)；貼上“作動器”，機械結(jié)構(gòu)就有了肌肉，讓冷冰冰的機械仿佛變成有血有肉的“生命體”，對外界變化做出及時反應(yīng)。“現(xiàn)在大部分飛機的機翼都是固定的，未來一部分結(jié)構(gòu)會發(fā)生替換。比如美國F14的‘可變后掠翼’，飛機的機翼就可以前后擺動。”裘進浩告訴記者，如今航空航天市場中的智能材料還處于“臨床試驗”的階段，部分樣品已經(jīng)使用在飛行器等實際結(jié)構(gòu)測試之中。

20多年來，裘進浩一直從事著智能材料與結(jié)構(gòu)的研究，先后主持了國家自然科學基金重點項目、國家863計劃、國防基礎(chǔ)、教育部重大培育等多項重大科研項目。近日，裘進浩教授為首席科學家的973計劃項目《壓電精密驅(qū)動功能部件的基礎(chǔ)研究》以“優(yōu)秀”成績通過國家驗收。

精密驅(qū)動功能部件是高端裝備的關(guān)鍵基礎(chǔ)件,廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。裘進浩說，比如航天器的展開臂在太空中展開后，直徑有十幾米，“尺寸大剛度小，其振動呈現(xiàn)明顯的低頻特性，很難在短時間內(nèi)迅速衰減，從而影響天線工作性能。”團隊提出用壓電元件粘貼在展開臂結(jié)構(gòu)表面作為傳感器和驅(qū)動器，對展開臂結(jié)構(gòu)實現(xiàn)振動控制，該研究成果有望用于我國下一個衛(wèi)星型號中。

基礎(chǔ)打得牢，走得才會更遠更踏實

與傳統(tǒng)工科不同的是，智能材料結(jié)構(gòu)技術(shù)是集材料、電子、自動控制和計算機技術(shù)為一體的多學科綜合的新技術(shù)。裘進浩表示，在智能時代，機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)朝著數(shù)字化、智能化方向去發(fā)展，其數(shù)學、物理、化學等基礎(chǔ)科學的支撐日顯重要。

從機械到放電加工，再到智能材料結(jié)構(gòu)，裘進浩認為，能順利切換研究方向受益于自己的基本功，“上學時候有空就會自學數(shù)理知識，自己做題。”甚至于讀博也“沾了數(shù)學的光”。裘進浩笑道，當時參加日本東北大學的博士入學考試，一共考四門課程，一門數(shù)學，兩門力學和一門英語，總分400分他就考了390多分，其中數(shù)學和2門力學均考了滿分。

裘進浩說，現(xiàn)在的大學生包括研究生知識面比以前寬，電腦用得也很順溜，但基礎(chǔ)知識卻未必比以前扎實，“我現(xiàn)在也經(jīng)常對學生們講，一碰上工程實際問題，一定用得上數(shù)學知識。科研分析需要大量繁復的計算，有時往往一個表達式都要寫一頁紙。一個微小的紕漏都有可能導致全盤皆輸。”

“其實很多國家培養(yǎng)卓越的工程人才都很重視基礎(chǔ)知識。”裘進浩舉例說，比如法國工程師學院實行“2+3”的學歷制度，學生完成了兩年的基礎(chǔ)課程后通過激烈的篩選性考試，才能進入后三年的學習獲得工程師的文憑。

裘進浩有點擔憂地表示，我們的學校越來越重視能力培養(yǎng)，但從實際情況看來，基本能力培養(yǎng)卻沒有到位。例如，有時他讓學生調(diào)研所需要的實驗儀器，問他們所調(diào)研儀器的性能指標是否能夠滿足實驗要求時，往往會把學生問住。裘進浩嚴肅地表示，獲取所調(diào)研實驗設(shè)備的必要信息，判斷是否能滿足要求，這是每個大學生都需要具備的基本能力。

在學校帶學生，裘進浩是個嚴師，學生的論文裘進浩總會反復修改很多遍，在家他卻是個放羊式家長。“女兒上小學時我連她小學在哪都不知道，現(xiàn)在已經(jīng)在東南大學讀研了。兒子不容易管，所以在他小學時基本沒有管，現(xiàn)在作為高中生他自己在琢磨未來的專業(yè)方向了。”說起一對兒女，裘進浩顯得有些愧疚又充滿自豪。

“女兒之前成績比較一般，直到初中三年級突然通知我去拿一個獎，原來是考進了年級前五十。”裘進浩說，“女兒的成績看似不經(jīng)意間上升的，其實不然，她有些同學在開學前提前學過，等于學兩遍，周末還有補課。她就是按部就班學，作業(yè)認認真真做，一步一個腳印，基礎(chǔ)打得越牢，走得就會更扎實。”

大量實踐培養(yǎng)工程直覺，應(yīng)用研究服務(wù)航空航天

“對實驗中的物理現(xiàn)象的理解很重要，我們做研究有時也要靠感性和直覺，這個直覺依靠的是大量的實驗和平時的積累。”裘進浩說，日本當時有個項目，需要從海底用管道抽取礦石，而管子在水流作用時是否會振動的問題，成了一個難題。當時加拿大一個業(yè)界大專家證明了在海底這個管子會振動，但日本的研究團隊做控制實驗時，歷經(jīng)三個月的時間都無法模擬出管子振動的情況。“我看了實驗后，靠直覺發(fā)現(xiàn)少考慮了一個因素，導致實驗無法成功。”后來實驗重新設(shè)置后，進展變得很順利。

十多年旅居日本，裘進浩僅僅用八年時間就從博士成為了正教授。“日本人評教授沒有論文的硬杠杠，不是評出來而是聘任的。”裘進浩回憶，當時美國機械工程學會雜志上發(fā)布了職位招聘的廣告，不少日本和海外的教授級人才前來應(yīng)聘。裘進浩在7名應(yīng)聘者中脫穎而出。

海外工作經(jīng)歷讓裘進浩取得了累累科研碩果。然而，裘進浩心中始終懷有一腔報國熱情，國內(nèi)航空航天的快速發(fā)展更堅定了他回國奉獻的決心。2006年，裘進浩重返母校南京航空航天大學，在繼續(xù)開展基礎(chǔ)研究的同時，積極開展應(yīng)用研究，與多個航空航天領(lǐng)域的研究院所在振動噪聲控制、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、自適應(yīng)結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域建立了廣泛的合作。

航空飛行器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測尤為重要。在裘進浩的辦公桌上擺著一個待檢測的材料，“高速飛行器溫度最高時能達到兩千多度，如果其中隔熱部件有損傷和脫落，后果不堪設(shè)想。”裘進浩介紹說，他的團隊在研究一種相對耐高溫的壓電材料，只要有載荷的變化或者振動就可以把載荷的變化或振動轉(zhuǎn)換為電壓信號，壓電材料可以用作傳感器；通過對獲得的電壓信號進行分析處理，可以實現(xiàn)飛行器結(jié)構(gòu)的在線檢測。