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星光 | ​裘进浩:兴趣是最好的“传感器”,让枯燥冰冷的机械勃发生命力
2020/08/04 20:33  交汇点新闻  

  编者按:目前,我国逐步迈向制造强国,对于卓越工科人才的需求很大。在很多人印象里,传统工科如机械、化工、土木等学科内容显得有点枯燥艰涩。随着科技和产业变革,传统工科正在发生什么变化,智能时代我们如何学好工科?本期来听听科学家怎么说。

  谈起自己的专业,南京航空航天大学航空学院教授、机械结构力学及控制国家重点实验室副主任裘进浩的反应有点让记者意外,“选这个专业偶然的成分更多,不像现在的90后00后,他们信息丰富多了,有自己的思想和规划。”裘进浩说,跟不少同龄人一样,自己是受陈景润故事的影响走上了追求科学的道路,研究方向经历了不少变化,而扎实的数理基本功让自己一直受益无穷。而回首科研路,对他而言,兴趣是最好的“传感器”,潜心科研,能让看似枯燥冰冷的机械勃发无穷生命力。

  从机械制造到智能材料与结构,他让机械“生命化”

  裘进浩1979年参加了高考,来到南京机电学院的机械制造专业,做这个选择很大程度是因为他的物理老师毕业于南航。

  裘进浩说,由于当时中国制造业还比较落后,机械专业的教学内容也比较窄。在研究生期间他选择了放电加工方向,“这在当时是传统切削之外的特种加工技术,依靠电腐蚀来蚀除多余的金属,加工一些超硬材料和复杂形状的工件。如今,随着科技的进步发展,特种加工的种类已经越来越多。”

  博士期间,裘进浩开始转向智能材料与结构方向,智能材料与结构是上世纪90年代发展起来的新方向。“所谓智能材料与结构,是将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中,使制成的构件具有人们期望的智能功能。”裘进浩举例,比如飞机在飞行过程中,结构在一定程度可以发生一些“变形”和变化,实现更好的飞行性能,这就是智能材料与结构研究在航空领域上的应用和实现。

  让机械的材料和结构也更加“智能”,航空领域最早开展了智能材料结构研究。裘进浩说,过去的机械材料和结构是冰冷的,如今通过贴上“传感器”,机械结构就有了神经系统;贴上“作动器”,机械结构就有了肌肉,让冷冰冰的机械仿佛变成有血有肉的“生命体”,对外界变化做出及时反应。“现在大部分飞机的机翼都是固定的,未来一部分结构会发生替换。比如美国F14的“可变后掠翼”,飞机的机翼就可以前后摆动。”裘进浩告诉记者,如今航空航天市场中的智能材料还处于“临床试验”的阶段,部分样品已经使用在飞行器等实际结构测试之中。

  20多年来,裘进浩一直从事着智能材料与结构的研究,先后主持了国家自然科学基金重点项目、国家863计划、国防基础、教育部重大培育等多项重大科研项目。近日,裘进浩教授为首席科学家的“973计划”项目《压电精密驱动功能部件的基础研究以“优秀”成绩通过国家验收。

  精密驱动功能部件是高端装备的关键基础件,广泛应用于航空航天等领域。裘进浩说,比如航天器的展开臂在太空中展开后,直径有十几米,“尺寸大刚度小,其振动呈现明显的低频特性,很难在短时间内迅速衰减,从而影响天线工作性能。”团队提出用压电元件粘贴在展开臂结构表面作为传感器和驱动器,对展开臂结构实现振动控制,该研究成果有望用于我国下一个卫星型号中。

  基础打得牢,走得才会更远更扎实

  与传统工科不同的是,智能材料结构技术是集材料、电子、自动控制和计算机技术为一体的多学科综合的新技术。裘进浩表示,在智能时代,机械结构系统朝着数字化、智能化方向去发展,其数学、物理、化学等基础科学的支撑日显重要。

  从机械到放电加工,再到智能材料结构,裘进浩认为,能顺利切换研究方向受益于自己的基本功,“上学时候有空就会自学数理知识,自己做题。”甚至于读博也“沾了数学的光”。裘进浩笑道,当时参加日本东北大学的博士入学考试,一共考四门课程,一门数学,两门力学和一门英语,总分400分他就考了390多分,其中数学和2门力学均考了满分。

  裘进浩说,现在的大学生包括研究生知识面比以前宽,电脑用得也很顺溜,但基础知识却未必比以前扎实,“我现在也经常对学生们讲,一碰上工程实际问题,一定用得上数学知识。科研分析需要大量繁复的计算,有时往往一个表达式都要写一页纸。一个微小的纰漏都有可能导致全盘皆输。”

  “其实很多国家培养卓越的工程人才都很重视基础知识。”裘进浩举例说,比如法国工程师学院实行“2+3”的学历制度,学生完成了两年的基础课程后通过激烈的筛选性考试,才能进入后三年的学习,最终获得工程师的文凭。

  裘进浩有点担忧地表示,我们的学校越来越重视能力培养,但从实际情况看来,基本能力培养却没有到位。例如,有时他让学生调研所需要的实验仪器,问他们所调研仪器的性能指标是否能满足实验要求时,往往会把学生问住。裘进浩严肃地表示,获取所调研实验设备的必要信息,判断是否能满足要求,这是每个大学生都需要具备的基本能力。

  在学校带学生,裘进浩是个严师,学生的论文裘进浩总会反复修改很多遍,在家他却是个放羊式家长。“女儿上小学时我连她小学在哪都不知道,现在已经在东南大学读研了。儿子不容易管,所以在他小学时基本没有管,现在作为高中生他自己在琢磨未来的专业方向了。”说起一对儿女,裘进浩显得有些愧疚又充满自豪。

  “女儿之前成绩比较一般,直到初中三年级突然通知我去拿一个奖,原来是考进了年级前五十。”裘进浩说,“女儿的成绩看似不经意间上升的,其实不然,她有些同学在开学前提前学过,等于学两遍,周末还有补课。她就是按部就班学,作业认认真真做,一步一个脚印,基础打得越牢,走得就会更扎实。”

  大量实践培养工程直觉,应用研究服务航空航天

  “对实验中的物理现象的理解很重要,我们做研究有时也要靠感性和直觉,这个直觉依靠的是大量的实验和平时的积累。”裘进浩说,日本当时有个项目,需要从海底用管道抽取矿石,而管子在水流作用时是否会振动的问题,成了一个难题。当时加拿大一个业界大专家证明了在海底这个管子会振动,但日本的研究团队做控制实验时,历经三个月的时间都无法模拟出管子振动的情况。“我看了实验后,靠直觉发现少考虑了一个因素,导致实验无法成功。”后来实验重新设置后,进展变得很顺利。

  十多年旅居日本,裘进浩仅仅用八年时间就从博士成为了正教授。“日本人评教授没有论文的硬杠杠,不是评出来而是聘任的。”裘进浩回忆,当时美国机械工程学会杂志上发布了职位招聘的广告,当时不少日本和海外的教授级人才前来应聘。裘进浩在7名应聘者中脱颖而出。

  海外工作经历让裘进浩取得了累累科研硕果。然而,裘进浩心中始终怀有一腔报国热情,国内航空航天的快速发展更坚定了他回国奉献的决心。2006年,裘进浩重返母校南京航空航天大学,在继续开展基础研究的同时,裘进浩积极开展应用研究,与多个航空航天领域的研究院所在振动噪声控制、结构健康监测、自适应结构等领域建立了广泛的合作。

  航空飞行器的结构健康监测尤为重要。在裘进浩的办公桌上摆着一个待检测的材料,“高速飞行器温度最高时能达到两千多度,如果其中隔热部件有损伤和脱落,后果不堪设想。”裘进浩介绍说,他的团队在研究一种相对耐高温的压电材料,只要有载荷的变化或者振动就可以把载荷的变化或振动转换为电压信号,压电材料可以用作传感器;通过对获得的电压信号进行分析处理,可以实现飞行器结构的在线检测。

  交汇点记者 杨频萍

  图片由受访者本人提供

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责编:张红

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