多学科深度融合研究是支撑现代制造业转型升级的关键引擎

产业与科技谈巧云2019年第18卷第6期多学科深度融合研究是支撑现代制造业转型升级的关键引擎□李光明刘震昆郑丽璇【内容摘要】现代制造业的转型升级是社会经济持续健康发展的根本所在，是国家竞争力的核心体现。

在新一轮科技革命中，制造业出现的问题往往牵涉到材料、工艺、信息控制等多方面内容。

多学科交叉融合是将生产中涉及到的各方面科学理论及经验相互融合，能为复杂工程问题的实施提供全面的具有指导性的综合解决方案。

在此过程中，创新性思维易于激发,人才和研发团队将得到锤炼，各学科知识技术将得到充分交融，最终将自然形成适合生产实践的综合性研发平台。

因此在全球制造业技术装备发生重大突破的背景下，多学科深度融合应用于生产实践，对于带动我国制造业升级换代，形成新的产业方向有重大意义，必将成为我国现代制造业发展的关键引擎。

【关键词】多学科深度融合;现代制造业；创新型人才；转型升级【基金项目】本文为四川省科技厅软课题项目（编号：2018ZR0074）研究成果。

【作者单位】李光明，刘震昆，郑丽璇；西南科技大学制造学院一、现代制造业的重要性现代制造业是西方发达国家技术创新的核心领域。

产品的制造是把理论知识转化为物质财富的基本方式,在此过程中实现的知识演进及最终形成的产品构成了现代社会基础的物质基础，带来的经济效益是其他任何社会活动所无法比拟的。

制造业可以创造出众多具有高度关联性的产业链，还可以吸纳很多传统职业（管理、财务和培训服务等），还可以造就许多全新的就业机会（零售业、电子商务、物联网、运输业等），同时还能支持和扩大教育和智力服务等工作。

统计显示，每增加1美元的制造品销售额，就可以附带创造出价值1.40美元的其他经济活动⑴。

无论是现代农业、材料、生物、物流还是电子通信、互联网等行业，在这些非工业实现升级转型的过程中，现代制造业都发挥着不可替代的基础平台作用。

2007年，全球研发费用高达1.1万亿美元,其中超过60%的部分来自于工业;在美国，约67%的研发开支来自工业界，德国则接近70%⑵。

可以设想一下，如果没有合成氨的整套工艺及设备,没有排灌系统在内的各种农业机械的研制成功，全球农业根本无力养活这么多人口。

如果没有诸如扫描电镜、能谱仪、核磁共振等高精度的测试仪器，材料、生物、化学及相关学科的研究进展将会迟滞不前；如果没有数十万吨的轧机设备，很难想象大型油轮，集装箱货轮所能承担大宗货物的运输，如果没有纳米光刻设备，就没有微处理器及芯片，现代社会就难以岀现如此便捷、快速、超大容量的数据储存、传输的现代通信和互联网等业务。

二、中国制造业目前的困境自2001年中国加入世界贸易组织的近二十年间，国内制造业依托廉价劳动力和来料加工的方式打开了广阔的海外市场，使得中国经济尤其是制造业得到了迅猛发展，而且可以充分学习、利用国际先进技术的协作弥补自身的不足。

尽管今天的中国制造业在数量规模已经处于世界前列，按2010年美国汇率换算，中国制造业产值首次超过了美国跃居世界首位⑶。

但在表征产业技术能力的“工业四基”（关键基础材料、核心基础零部件、先进基础工艺和产业技术基础）等方面仍然存在质量稳定性、环境适应性和精确保持性低的问题，高品质、个性化、高复杂性、高附加值的产品供给能力严重不足,制造业中的关键装备、核心零部件严重依赖进口和外资企业生产。

据调查，我国50%的机械关键零部件依赖进口，重大设备生产的母机、高端医疗仪器、高级精密仪器及其核心元器件等均依赖进口。

随着当前国际外部环境的日趋严峻，我国制造业正面临着“前堵后追”的双重挤压。

一方面，美国和欧洲等发达国家纷纷实施“再工业化”和“制造业回归”的战略，使得我国制造业在市场与技术上备受相关国家政策和知识产权的限制和制约。

此外，印度、东南亚、南美洲等中低收入国家正在以更低廉的要素成本优势，成为工业发达国家中低端产品加工制造产业转移的新基地。

伴随着我国已进入工业化后期，市场需求由旺盛转为疲软，传统产能高度过剩，市场压力主要聚集在过于饱和的中低端产品需求上。

究其根源，除我国基础研究薄弱外，多学科交叉融合在生产实践中运用较少也是重要因素。

三、多学科融合是支撑现代制造业转型升级的动力多学科融合（FOMS-Fusion of multi Subjects）是在学科差异的基础上不断打破学科边界，以知识、范式、方法、工艺技术等促进学科间相互渗透、重叠、交叉、移植和借用活动，是多学科综合交汇的产物，是硬件和软件环境、理论和技术的交融统一。

中国工程院院士、中国石油勘探开发研究院院长赵文智认为，“跨学科交叉研究已成为世界科技发展的主流方向，成为取得重大科学发现和产生引领性、原创性、颠覆产业与科技论血2019年第18卷第6期性重大成果的重要途径之一，也是提升创新能力、培养拔尖人才的重要方式”。

在1901-2008近100年的时间里300多项诺贝尔自然科学奖中,多学科融合研究取得的成果比例已接近50%,并且呈逐年增大趋势。

事实证明，越来越多的重大科研、产业突破往往发生在不同学科融合的领域。

（一）为制造业发展提供理论和方法的指引。

制造业的设计和加工过程中，特别是关键零部件，往往涉及到结构、流体、热力及可靠性等多个相互耦合的学科，是较为复杂的系统工程问题，仅依靠单一的学科理论和方法难以解决，有必要将相关的学科联系起来，灵活有效地融汇多领域、多层次、非线性、时变性的交叉、耦合知识和理论对这些问题进行深入、综合和系统性的研究。

比如汽轮机、涡轮中关键部件的扭叶片就属于复杂的高技术产品，通常在较为极端恶劣的环境下工作，承受高温、高压和高转速的工作负荷，叶片的自振频率取决于几何形状、材料、温度分布、边界条件和旋转速度等,其结构设计过程需要采用松散耦合分析方法进行多学科系统分析,通过参数空间耦合信息在学科界面间传递流场、温度分布、振动和形变，进行协同优化设计。

（二）为制造业发展提供重大发现与突破。

科学研究、技术开发中的许多新领域和方向都源自于不同学科的融合，许多重大发现和突破往往具有不确定性、不可控和非主观性，易于出现在学科交叉边缘的范畴内。

多学科理论及应用技术的相互融合和渗透，更容易引起和激发研究技术人员的思想碰撞和创造性思维，多学科深度融合在参考、借鉴、吸收、剖析原有科研成果和方法，是实现理论创新、技术创新、方法创新及重大发现和成果的有效方式,是关键性创新的重要基础，从而开创岀更高、精、尖的领域和技术以推动产业的较大发展。

20世纪50年代的美国贝尔实验室，卡尔.费洛奇和林克.德里克在设计晶体管时解决了二氧化硅薄膜渗入硅片的技术，尽管技术的初衷是作为晶体管的保护层，但二氧化硅薄膜所特有的选择性蚀刻作用,却可以用来控制在芯片上渗透杂质的部位及需要保护的区域。

这样就为大规模集成电路和微处理器的研制提供了有效的方法，为工业自动化、持续控制及高精度仪器仪表的兴起开启了大门。

（三）为制造业发展提供新的方向和模式。

多学科深度融合是学科高度结构化的重要体现，借助于信息技术和研究工具构建关联多学科间的综合性、系统性的知识体系，易于打破各学科间固有的壁垒和界限，突破传统产业长期的思维定式，进而有利于解决人类面临的复杂性工程问题。

以计算机为基础的3D打印技术，改变了传统机械加工或手工操作（切削、钻削等减除式）的生产模式，高度集成了数字化建模、机构运动/动力学、自动控制、流变挤出和凝聚态物理等多个学科的相关知识和技术,通过交互式软件完成了产品的数字化模型，采用具有一定精度的运动机构将多种材料（塑料、金属、陶瓷等）按顺序进行沉淀,并借助于加热、液体粘结、层压或激光烧结等手段进行固化处理，按照特定工艺快速实现模具、复杂形状的工业产品、建筑模型的制作，属于添加式制造。

3D打印技术实现了异地协同设计、生产和智能制造，为制造业的发展开辟了新的生产模式。

（四）为制造业发展提供复合创新型人才。

中国制造业转型升级的局势已经刻不容缓,急需大量复合创新型人才对实体产业的支撑,这个过程离不开多科学深度融合的高等教育模式、工程研发阶段对人才的培养。

多学科深度融合能够弥补单一学科的知识缺陷，使知识结构更趋于合理、全面。

只有呈多层次、多序列、网格化的知识体系特质人才,才能依托在更加广阔的工程背景下进行思维的跨跃和转换,才有探索和解决具有实际复杂性工程问题的基础，能使人们从整体上理解和把握学科知识间的纵横关系,充分发挥知识间相互启发、促进的作用，这样容易促使创新成果的产生。

纵观历史，凡是对制造业发展有重大贡献的，无不是精通多个学科、复合型人才或者研发团队。

如天才发明家尼古拉.特斯拉，精通电、磁及机械等多个领域，一生注册了诸如感应电机模型、交流电及输送系统、无线控制技术、无叶涡轮机等多项发明专利。

这些革命性的发明正是现代电磁学理论、无线通信和无线电的基石。

技术先驱乔治.米歇尔和他的能源开发团队，坚持了长达30年之久的基础研究工作，团队内部对油气学科与信息、材料、控制等领域学科知识进行了深度交叉和融合，突破了水平井钻井和大规模多段水力压裂等核心技术，由此引发了工程技术的颠覆性创新。

使得美国能源成本急剧下降,甚至电价已降至中国的一半，这为美国的制造业回归提供了强劲动力，为美国经济复苏提供了重要支撑。

四、具备多学科深度融合知识背景的人才回归制造业是关键（一）加大人才引进、扶持力度。

千秋基业，人才为本，站在历史的新起点，中国制造业将会面对更为复杂的国内外形势，应对更严峻的风险挑战，无论政府还是企业都应坚持人才是第一资源的理念。

以地方产业的长期发展、转型升级和企业需求为导向,完善具备多学科深度融合知识背景的人才引进和培育的机制，变革实体企业中不适宜的人文因素和环境,为人才提供更为宽松、包容工作氛围和体面的生活保障，使他们更专注于从事的研发工作上，而不为其他琐碎杂事干扰。

（二）搭建产学研平台。

依据地方制造业发展的需求，充分发挥高等院校、科研院所在机械、材料、控制和信息等领域的学科优势，由政府适度主导，有充足的科研经费投入保障，行业协会牵线搭桥,构建合作平台，鼓励企业,特別是中小微企业与高等院校、科研院所加强合作关系，共同围绕行业关键和共性技术以及生产实际中的重大工程问题展开合作研究,攻克产业关键共性技术难题，突破关键知识产权和重要技术标准。

其中，中小微企业相比大型企业往往更面临缺乏人才和资金的双重窘境，但不意味着他们缺乏好的产业方向。

如德国的中小企业占企业总数的99.7%,且多数具有100-200年的历史,在很多工程领域是世界的“隐形冠军”o 这种以政府主导、企业为主的合作方式有利于高等院校和科研机构利用实验设备和人才优势,将知识转化为实际生产力，获取一定的经济收益。

有利于高等院校和科研机构的研究人员通过与企业专业技术人员的合作研发相互学习与交流,及时了解市场动态和企业发展需求，调整学校的专业设置、课程内容和科研机构的研究方向，也有利于高年级大学生深入企业一线进行实践环节的训练。