摘要：在机械学发展战略软课题研究中，对于“机械学”这一个广泛使用的名称的来源、各种使用中所具有的内涵以及其变迁进行了考察，认为不应当仅仅由行政管理上的划分来定位机械学。在分析了我国对机械科学、机械工程和机械学习惯上的理解和它们之间应有的相互关系之后，建议把机械学定位在机械科学的基础部分，而机械工程则是机械科学的应用技术部分。文章分析了机械发展的历程特别是对未来的机 械将是什么样子进行了探讨。认为人们在追求手足延长的时候，期望得到一种“有头脑”的手足的延长，或者在潜意识中把头脑的延长也列为机器的任务将是引导机械发展的主导因素。据此，对于机械科学、特别是机械学应当如何使自己适应机械的发展，即如何拓展和更新自己的内容提出了看法。

1 机械学的内涵

　　“机械学”这个词何时被首次使用，当时的内涵是什么，尚有待考证。自从20世纪50年代，“机械学”的使用频次增 加，首先它是俄文字МАШИΗΟВЕДЕНИЕ的中文译名。在需要译成英文时，因为找不到带“－ology”字尾的与“ 机械”对应的字，又曾经有人用过MachineryScience作为英译词。 后来被国务院学位委员会用作为“机械工程”一级学科中一个二级学科的名称，并逐渐广泛流传。但是,其内涵在不同的用途中则往往有所不同,例如在自然科学基金委员会的学科分类中,也是用作机械学科下面的子学科的名称。这些用法意味着机械学是一个比机械工程或机械学科范围小的学科。在很长时期中，按国务院学位委员会机械工程学科评议组的划分，机械学下面还包含着7个左右三级学科，它们是机械制图（后来改名为计算机图学）、机构学、机械设计、机械动力学、机械结构强度、摩擦学、机器人学等,后来又加了振动冲击噪声。而自然科学基金委员会的划分中，里面还有传动机械学，但不 包括振动冲击噪声。这在很多情况下是一种管理上的安排，它们之间明显的联系则是都属于机械工程或机械学科中比较基础的领域。在计划经济体制下，学科发展也要受行政计划控制。如果不能纳入某种计划的框架，那么这个学科就难以得到发展所需要的支持，所以很多研究者都希望自己的研究方向能挤到计划框架的某一个空格中。但是行政总是从管理上的方便考虑问题,而不管学科之间的关系,有时不免弄出一些很有争议的事。为了弄清МАШИΗΟВЕДЕНИЕ的含义，作者(在20世纪90年代)曾经特地请教过俄国科学院机械研究所的一位所长。他的回答非常明确，МАШИΗΟВЕДЕНИЕ 等同于英文的MechanicalEngineering。这就是说，机械学与机械工程在俄文中是一个意思。这种解释，显然是不可能为我国已经习惯的传统理解所接受。设想如果引入“机械科学”的概念，这个概念所具有的内涵无疑是大于机械工程。那么，把机械学定位于机械科学中的基础部分，应当是可以站得住的。而机械工程则是机械科学中的应用技术部分。对于像机械科学这样一个广泛涉及人类生产、生活的学科，承认它有基础部分和应用部分，大概是不会发生什么问题的。我国行政划分中 的“机械工程”，虽然帽子很大，其领域实际上非常狭窄,这一点从我国各大学的院、系构成和各一级学会所辖范围的划分中可以明显看出。它不包括航空航天工程、不包括核工程、不包括内燃机工程、不包括热能动力工程等等，甚至也不包括船舶工程和汽车工程。严格地讲，它仅仅是“机械制造工程”，这也是计划经济框架的产物。同时也反映了长期以来我们不重视机械科学基础规律的研究，满足于引进别人的技术，仿制别人的产品，以把东西做出来为目标，不屑于下工夫去做基础研究，以至今日在产品创新上举步艰难。所 以把机械学理解为机械科学的基础部分也许更能推动对于机械科学中基本理论和基本方法的研究。无论是航空航天工程、核工程、内燃机工程、热能动力工程，甚至车辆工程、船舶工程以及机械制造工程本身都不能不以上述那几个三级学科的领域为其理论基础，因为它们不管如何，都不能否定其所研究的对象主要是由某种机械结构所构成或主要是由某种机械结构所实施的。当然随着机械科学的发展,机械学所研究的范围将会大大越出上述几个三级学科的边界。这并不等于要增加无数占空格的研究方向，而是要由学科自身发展的历程自然地形成自己的领域分支。总的说来，只要认定机械学是机械科学中基础的部分这一划分，就不会产生太大的偏差。用这个划分来审视过去（不论是哪一个机构）定义的机械学的领域，与 国际上惯例相比，明显的缺陷是缺少与“能量”有关的许多学科的内容；从发展趋势上看，将要增加的会是与“智能”、“信息”和“材料”有关的一些学科的内容。

　　人类自从用机械代替简单工具，使手和足的“延长”在更大程度上得到了发展。但是人还以头脑为其独有的特征，为了使头脑的功能得以延伸，因而产生了控制理论、计算机科学、人工智能科学和信息科学。正如机械虽然在某些方面极度地延长了手和足的功能，却仍然不能代替手和足一样，计算机在若干方面极度地扩展了头脑的功能却也不能代替头脑。另一方面，手足是受头脑控制的。理所当然，机械的发展，也 必然是计算机（为叙述简单起见，在理解上认为同时包括控制理论、计算机科学、人工智能科学和信息科学，下同）控制下的机械。计算机不是仅仅用来做计算的机器，它起的是头脑的作用，有人把它译成“电脑”，我们没有采用这个译名，但是要求对计算机作广义的理解。所以我们说，不论是什么机械，都将向机器人发展，或者都将发展成为一个机器人。没有头脑的手和足,或是头脑功能低下,不能很好指挥手足,当然是不行的；但是没有手足的头脑,或是手足不灵,不听头脑指挥, 又能做什么呢?有些人只看到计算机是前沿,认为机械已经过时 ,没有什么好发展的了。其实这是一种很片面的观点。美国高技术股泡沫的破灭，实际上也与这种片面的认识有关。如果头 脑发展得过快，手足的发展还用不了这么多头脑的功能，头脑再强，也是没有市场的，它并不能为社会带来想象中的效益。这是一个很简单的道理。所以，中央在关于第十个五年计划的建议中指出，在“加快传统产业技术改造”中，要“大力 振兴装备制造业”,讲的就是这个道理。“头脑”发展了，“手足”也必须有相应的发展，现在的机器，已经远远地越过了马克思时代定义的“原动机＋传动机＋工作机”的框架。是不是用当时的机械科学理论就能指导今天装备工业的发展？结论是显而易见的，那就是说，机械科学也必须有一个与控制理论、计算机科学、人工智能科学和信息科学相适应的飞跃发展。尤其是它的基础部分，从体系上和内容上都需要有根本的改变。基础，不能用来作为陈旧内容的庇护所。否则不仅会妨碍机械工程本身的发展，而且会严重妨碍其它学科和国民经济的发展。

2 未来的机械

　　要研究机械科学的范畴，不能不先研究机器本身发展的形势。未来机器究竟是什么样子？这是很难预测和描述的。传统上认为，“机械是机构和机器的总称。能把各种机械能或非机械能转换为可方便利用的机械能，以及将机械能变换为某种非机械能或用机械能来做一定工作的装备或器具...第一类称为动力机械，...第二类称为能量转变机械,...第三类称为工作机械...。”这是上面提到的“原动机＋传动机＋工作机” 的另一种说法。传统上也认为，机械是由机械结构构成的。但是，在计算机广泛应用的今天，“机器”又常常被用来称呼计算机，如“机器语言”、“机器可读”、“机器学习”等等。今天的计算机肯定不是主要由机械结构构成的，虽然在20世 纪60年代之前，人们所用的计算机还完全是一种机械结构。这种现象即使并不能使人认同计算机就是我们在这里讨论的“ 机器”（本文亦无意于进行这种联系），但至少也可以说明人们在追求手足延长的时候，期望得到一种“有头脑”的手足的延长，或者在潜意识中把头脑的延长也列为机器的任务。事实上，众多的事例表明，传统上关于机械仅仅是由机械结构构成的概念，已经陈旧了。由于各种器件的微小化和相互嵌入,相关学科研究领域的相互影响和渗透,严格的划分几乎已经不可能。例如所谓的微型光学电子机械系统MOEMS，就是微米量级的光学器件、微电子线路和微机构组成的微系统。在市场需求的驱动下，机械的品种、结构、材料、用途以及相关理论及实现方法正在日新月异地变化和发展。现在满足家庭、生活用途的许多机器是一个极大的市场,大多数无法归纳到上面所讲的三类之中，像电视机，机器（宠物）猫，数字相机，CT扫描机，等等，就是这种情况。作为技术进步先驱的许多种战争机器，恐怕也不好归到哪一类。现代和未来机器的特点是功能日益多样化、高效化和强化，特别是日益具有主动控制的功能、信息处理功能和人工智能。

　　从上述事例中，至少可以为现代机械增加三个新的特征：

　　首先，机械应当是一种“有头脑”的手足的延长，即使其中的“头脑”并不理想。简单地说，应当具有主动控制的功能。例如磁悬浮系统，它并不需要人经常去关注，能根据环境输入的变化按照事先存储在机械中的控制策略自动调节悬浮力的输出，并在情况不正常时向人们发出警告。

　　其次，传统“机械”只处理物质和能量，但是人们现在更关心的是处理信息。如果不是有意识地去研究机械中的信息流，其结果只能是机械自己被人们所抛弃。文献中定义生命系统是由信息组织起来的物质和能量。大量一代又一代新的机械产品，都是为了处理信息而不是为了处理物质和能量设计和开发的。

　　第三，仅仅一般的“有头脑”的手足的延长还是不能满足人们对机器的要求，我们说过，今后的机器都将是机器人。这意味着机械将具有更强的智能。包括玩具和宠物，都不例外。宠物机器猫需要能响应人的爱抚，表现出对人的感情，这就不是“有头脑”的手足所能完成的任务。智能是什么？按照文献中的说法，智能就是智力和智慧。智力是指学习、记忆、思维认识客观事物和解决实际问题的能力。其核心是思维 能力。简单说，就是处理信息和应用信息的能力。所以，在机器中有一个信息流。第一要能采集信息，手足的触觉，就是采集信息的能力，传统的机械结构，并不具有这种功能。但是人的智能并不是仅仅依靠触觉，还有视觉、听觉、嗅觉和味觉。第二要能存储和管理信息，以便在需要时能方便地检索出来。第三要能从信息中提取特征，获取知识，这就是信息处理的能力。第四要能够做出决策，发出采取某种行动的指令，这就是应用信息。上面讲过处理信息，但是智能的核心是应用信息。机械结构应当能在决策之后，准确地实现所需的行动。例如，无人驾驶汽车就需要把雷达、声纳和摄像机与油门、刹车、方向盘集成在一起以保证汽车在高速行驶中能走在道路的中线上并不会与前后的物体碰撞。所有这一切，并不会从结构上相互独立，而是越来越做得融合在一起，生命系统的发展已经给了我们非常明确的启示。人造系统，也必然走这一条路，像采集信息的传感器，越来越要求做成嵌入式的；采用无线通讯技术，导线也不需要了；控制器做在一个芯片上，发出的指令经过放大，由机械结构来执行；但是这种放大，可以是机械的，混合的或完全非机械的。生命系统的实现多种功能的结构是在长期进化过程中巧妙地融合成的，仿生系统由于认识不到这一点或不能做到这一点，所以常常还不尽如人意。有这三个新的特征，关于什么是现代机器就比较清楚了，同时机械科学以及它的基础机械学应当涉及什么研究领域也就可以得到明确的描述。当然，也还可以举出许多别的特征，例如，向着极小方向发展，即所谓微型机械。也可以说向着极大方向发展，例如超级油轮。概括起来，就是向着满足极端工作条件的需要发展。不过，这个特征过去也经常讨论，现在只有量的差别。

3 机械学的前景

　　前面已经说过，没有手足的头脑,或是手足不灵,不听头脑指挥,同样是不行的。局限于机械结构本身的理论，已经研究多年，今天放在人们面前的，是更加苛刻的要求。机器的应用要不断进入过去从未达到过的领域。不需要过多展开就可阐明人类正在进入太空：高真空、强幅射、大温差、长寿命要求；微观世界：纳米尺度、分子模拟;深水：6000米水深或更深；生命科学：基因观察、处理或移植；等等。因此有关机构学、机械设计、机械动力学、机械结构强度、摩擦学、机器人学都需要面对这些挑战，从发展自己的理论中寻找新的技术，从应用新技术中产生新的理论。因为图形通常是信息和知识的载体，所以计算机图学在迎战这些挑战中，也有自己的任务。

　　上面讲到的这些学科，很多本身都是独立的学科。机械学的发展不能代替和限制它们各个学科自己的发展。这里要指出：

　　首先，机械学的发展代表着这些学科在机械结构及上面所讨论过的延伸中的应用的发展。

　　其次，这些应用的发展不应当把自己局限在原来学科的僵化的范围中，而要看到，各个学科在理论和方法上的发展是相互依赖、相互渗透的。机械结构强度的发展不能脱离材料科学的发展，当纤维增强材料和聚合物材料广泛应用后，强度分析就要从以金属材料为主向前推进。有了变频电机、步进电机和其它接受主动控制的执行器，是否可以将许多复杂的机械结构简化？在研究机械动力学时，最难以处理的是边界条 件，这些边界条件往往受摩擦学行为支配，例如结合面上的刚度阻尼，支承上油膜提供的约束条件。因此，摩擦学的第三公理指出：摩擦学行为是多个学科行为之间强耦合的结果。

　　第三,要更为深入地认识各个学科在理论和方法上的发展是相互依赖、相互渗透的,就要用系统的观点来观察研究对象, 而不是只看到一个一个的零件。例如做内燃机缸套和活塞组件之间的各种行为的研究时，如果把各缸分割开来孤立地进行研究，那就等于放弃了多缸内燃机缸体振动影响的这个因素，而众所周知，这个振动通常是很激烈的。现在材料科学中非常热门的课题是服役效能（performance）的研究。实际上，传统的材料科学研究方法局限于在试样上对材料的性能进行研究，或者可以说是在标准系统条件下的研究。另外,他们看到的只是一个一个零件。这种研究结果对于目标系统的可用性是明显有问题的。于是在临界的状态下，又不得不依赖于完全在目 标系统条件下专门的试验。服役效能的研究从理论上讲就是要解决标准系统条件下的研究结果向目标系统条件转化的转化条件问题，从方法论上就是要将信息技术引入服役效能的研究以获得材料在目标系统条件下的表现。这一点在文献中已经做过基本的论述。

　　第四，生命系统是由信息组织起来的物质和能量，机械也不例外。所以要用信息流的观点来观察机械各个部分之间的关系。不仅要研究信息的前馈，更要研究信息的反馈；不仅要研究主观上明确需要采集的信息的传递，更要注意机械内部各个部分之间内在的信息传递。

　　第五，任何产品都要求在全生命周期中保证性能，机械也不例外。这使得原来把对象看成是时不变系统的理论和方法，都要做应有的发展。前面说到的信息，其中有一类就是关 于各种特征随时间变化的信息。过去机械的性能，是以出厂时的检测合格为目标。而现在则需要控制整个生命周期中性能的变化和衰退。机械普及到个人、家庭生活的每一个角落而不是像过去那样仅仅存在于具有专门技术的工厂里，这对机械是一场意义深远的革命性的变化。全生命周期中，在用户手里使用的阶段是最重要的阶段。用户购买产品是为了使用，产品在用户手里使用时的表现，已经成为制造商竞争的焦点。历史上制造商们从来没有给予如现在那样的重视。这对于机械学的理论和解决问题的方法也会产生根本性的影响。例如个人和家庭用户，不可能像工厂用户那样对每天要用到的数十种甚至上百种不同的机械都具有专业知识，大多数情况下可能是一点知识都没有，因此使用和维护服务就成了突出的问题。特别要提到的就是这类机械通常是没有备份的，而对个人和家庭来说，如果发生故障停机，就会造成极度不便，零故障停机是当然的目标。所以少维修，免维修和预测维修就成为机械学的重要命题。自从人类开始使用工具，人类就开始维修，但是维修长时期一直是工匠手里的技艺。当用户的机械发生故障，把他请来，根据经验对故障做出判断，对维修方案做出决策，并运用自己的技艺实施操作，维修的效果取决于技艺的高低，而要到下一次运行时才能确切地知道。为什么这种状态变化得很慢，就是缺乏对这种时变信息自觉的认识、研究和利用以及对这种时变信息提取特征之困难。要从维修技艺走向维修科学，重要的一步是把维修技艺与信息科学结合起来。当然使用中的服务决不仅仅是维修的问题。

　　由于前面种种关于未来机械的讨论中所阐明的理由，可以认为机械学已不能仍旧在原来的范围中打转。这里引用国务院学位委员会发布的机械设计与理论二级学科（原来的机械学二级学科已并入机械设计与理论二级学科）培养目标中的一段话：“在力学(特别在动力学)、摩擦学、强度理论、材料科学、控制理论以及设计理论方面有坚实基础；在传热学、电子技术、计算机及网络技术方面有较强基础；在人工智能科学、管理科学(特别是市场分析和成本分析)、环境科学及人机科学方面有一定基础。”从中可以看到，机械学还必须包括热力学、传热学、电子学、材料科学、控制理论、计算机科学、信息科学、人工智能科学、环境科学和管理科学中与机械发展有关的部分。同时，还需要从系统的观点和时变的观点来组织各方面的内容。

　　是否会形成一门机械信息学的新学科？要看形势的发展。如果形成，它将与机械电子工程学MECHATRONICS完全不同。它将是一门基础学科，研究与机械结构和机械系统中信息流有关的基础理论和方法。

4 结束语

　　如果把机械学定位于机械科学中的基础部分，那么就要从一个更高的角度来看待它的内涵。对机器的需求发生了很大的变化，机器在发展，机械科学必须有超前的发展。有人抱怨机械、机械科学、机械学不再受人重视，实际上是他自己把自己束缚在陈旧的机械的概念中。这种陈旧的机械理所当然地要为时代所抛弃。但是，随着时代需求发展的机器的生命是无限的，不仅不会被抛弃，而且日益深入到生产、生活，经 济、政治以至战争的每一个角落。机械不会被抛弃，机械科学、机械学也当然不会被抛弃，上面曾经列举的那些学科，哪 一个都不能代替机械科学和机械学，因为机械科学和机械学是把那些学科中与机械结构有关的应用与机械结构本身的理论和方法集成在一起，具有自己的理论体系和方法体系。但是它们必须认识现代机器和未来机器发展的大势，使自己的理论和方法能适应机械发展的需要，能对今天和明天的机械的发展起到指导作用。

谢友柏，西安交通大学(西安市710049)教授、中国工程院院 士。研究方向为现代设计、摩擦学等。