讓枯燥冰冷的機械勃發生命力

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，傳統工科如機械、化工、土木等學科內容顯得有點枯燥艱澀。隨著科技和產業變革，傳統工科正在發生什么變化？智能時代我們如何學好工科？本期來聽聽科學家怎么說。

談起自己的專業，南京航空航天大學航空學院教授、機械結構力學及控制國家重點實驗室副主任裘進浩的反應有點讓記者意外，“選這個專業偶然的成分更多，不像現在的90后00后，他們信息豐富多了，有自己的思想和規劃。”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，研究方向經歷了不少變化，而扎實的數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無窮生命力。

從機械制造到智能材料與結構，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，做這個選擇很大程度是因為他的物理老師畢業于南航。

裘進浩說，由于當時中國制造業還比較落后，機械專業的教學內容也比較窄。在研究生期間他選擇了放電加工方向，“這在當時是傳統切削之外的特種加工技術，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，隨著科技的進步發展,特種加工的種類已經越來越多。”

博士期間，裘進浩開始轉向智能材料與結構方向，智能材料與結構是上世紀90年代發展起來的新方向。“所謂智能材料與結構，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，結構在一定程度可以發生一些“變形”和變化，實現更好的飛行性能，這就是智能材料與結構研究在航空領域上的應用和實現。

讓機械的材料和結構也更加“智能”，航空領域最早開展了智能材料結構研究。裘進浩說，過去的機械材料和結構是冰冷的，如今通過貼上“傳感器”，機械結構就有了神經系統；貼上“作動器”，機械結構就有了肌肉，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。“現在大部分飛機的機翼都是固定的，未來一部分結構會發生替換。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，部分樣品已經使用在飛行器等實際結構測試之中。

20多年來，裘進浩一直從事著智能材料與結構的研究，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、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《壓電精密驅動功能部件的基礎研究》以“優秀”成績通過國家驗收。

精密驅動功能部件是高端裝備的關鍵基礎件,廣泛應用于航空航天等領域。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，其振動呈現明顯的低頻特性，很難在短時間內迅速衰減，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構表面作為傳感器和驅動器，對展開臂結構實現振動控制，該研究成果有望用于我國下一個衛星型號中。

基礎打得牢，走得才會更遠更踏實

與傳統工科不同的是，智能材料結構技術是集材料、電子、自動控制和計算機技術為一體的多學科綜合的新技術。裘進浩表示，在智能時代，機械結構系統朝著數字化、智能化方向去發展，其數學、物理、化學等基礎科學的支撐日顯重要。

從機械到放電加工，再到智能材料結構，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理知識，自己做題。”甚至于讀博也“沾了數學的光”。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，一門數學，兩門力學和一門英語，總分400分他就考了390多分，其中數學和2門力學均考了滿分。

裘進浩說，現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，但基礎知識卻未必比以前扎實，“我現在也經常對學生們講，一碰上工程實際問題，一定用得上數學知識。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。”

“其實很多國家培養卓越的工程人才都很重視基礎知識。”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，但從實際情況看來，基本能力培養卻沒有到位。例如，有時他讓學生調研所需要的實驗儀器，問他們所調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，獲取所調研實驗設備的必要信息，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，現在已經在東南大學讀研了。兒子不容易管，所以在他小學時基本沒有管，現在作為高中生他自己在琢磨未來的專業方向了。”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，作業認認真真做，一步一個腳印，基礎打得越牢，走得就會更扎實。”

大量實踐培養工程直覺，應用研究服務航空航天

“對實驗中的物理現象的理解很重要，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，靠直覺發現少考慮了一個因素，導致實驗無法成功。”后來實驗重新設置后，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聘。裘進浩在7名應聘者中脫穎而出。

海外工作經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，國內航空航天的快速發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，在繼續開展基礎研究的同時，積極開展應用研究，與多個航空航天領域的研究院所在振動噪聲控制、結構健康監測、自適應結構等領域建立了廣泛的合作。

航空飛行器的結構健康監測尤為重要。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，可以實現飛行器結構的在線檢測。