面向制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，突破裝備重大需求，為促進(jìn)學(xué)術(shù)交流，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域縱深發(fā)展，《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》于2023年第3期（2月）推出“超精密測(cè)量技術(shù)”專題，其中邀請(qǐng)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程與材料科學(xué)部機(jī)械學(xué)科主任葉鑫等從科學(xué)基金資助情況統(tǒng)計(jì)和文獻(xiàn)分析本領(lǐng)域的代表性進(jìn)展。
1、引 言
機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)以計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)理論、測(cè)試?yán)碚摲椒?、傳感技術(shù)及器件、測(cè)試儀器系統(tǒng)等內(nèi)容為主體，綜合運(yùn)用材料、控制、信息等多學(xué)科領(lǐng)域最新成果，研究機(jī)械信息的高效獲取方法與技術(shù)，構(gòu)建高性能儀器設(shè)備，是定量機(jī)械科學(xué)研究、精準(zhǔn)制造過(guò)程控制和可靠服役性能維護(hù)的基礎(chǔ)。機(jī)械測(cè)試是機(jī)械學(xué)科的3 個(gè)重要組成部分之一：設(shè)計(jì)是前提、制造是基礎(chǔ)、測(cè)量是關(guān)鍵；機(jī)械測(cè)試是機(jī)械設(shè)計(jì)的量化工具，是機(jī)械制造的眼睛。在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)格局發(fā)生深刻變化、國(guó)內(nèi)高質(zhì)量發(fā)展提出新要求的背景下，機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)正逐步摒棄傳統(tǒng)單一、輔助的功能模式，從被動(dòng)為機(jī)械學(xué)科提供測(cè)試服務(wù)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)創(chuàng)新測(cè)量方法技術(shù)，推動(dòng)制造技術(shù)進(jìn)步，特別是在以光刻機(jī)為代表的各類高端裝備中，機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)更是貫穿設(shè)計(jì)、制造與服役的全過(guò)程，起到了信息賦能的融合與推動(dòng)作用。
機(jī)械測(cè)試領(lǐng)域研究，在技術(shù)及儀器設(shè)備層面的科學(xué)性與專業(yè)性使其成為與制造系統(tǒng)深度融合集成、保障制造工藝優(yōu)化、產(chǎn)品性能提升的關(guān)鍵；在原理方法基礎(chǔ)層面的交叉性和前沿性使其兼具“ 非對(duì)稱”趕超優(yōu)勢(shì)，特別是新一代量子基標(biāo)準(zhǔn)體系下的計(jì)量測(cè)試原理方法和溯源技術(shù)、智能制造環(huán)境狀態(tài)感知等問(wèn)題有望成為在該領(lǐng)域彎道超車的重點(diǎn)。
本文通過(guò)科學(xué)基金資助情況統(tǒng)計(jì)及國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)檢索，綜合分析了本領(lǐng)域的代表性進(jìn)展、研究熱點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)，為本領(lǐng)域的科研工作者提供參考。
2、自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助分析及研究進(jìn)展
2.1、面上/青年/地區(qū)項(xiàng)目
36年來(lái)（1987年—2022年），機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)領(lǐng)域申請(qǐng)國(guó)家自然科學(xué)基金面上/青年/地區(qū)項(xiàng)目總數(shù)為6423項(xiàng)，在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造學(xué)科（E05）申請(qǐng)總數(shù)中的占比為7. 09%，但平均資助率卻達(dá)到了21. 52%，高出E05 平均資助率1. 1個(gè)百分點(diǎn)，且面上項(xiàng)目和青年科學(xué)基金項(xiàng)目申請(qǐng)總數(shù)及獲資助項(xiàng)目數(shù)排前5名的依托單位完全一致，如圖1所示，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的資助率最高（高達(dá)44. 32%），合肥工業(yè)大學(xué)申請(qǐng)量最高但資助率在前5名高校中最低。地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目申請(qǐng)量和獲資助項(xiàng)目數(shù)前5名的依托單位相同，分別是南昌航空大學(xué)、華東交通大學(xué)、昆明理工大學(xué)、桂林電子科技大學(xué)、南昌大學(xué)。圖1 機(jī)械測(cè)試領(lǐng)域面上和青年基金項(xiàng)目申請(qǐng)及資助前5名依托單位情況（1987年—2022年）
2.2、重要人才類項(xiàng)目的資助情況
自1994年國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱杰青項(xiàng)目）和2012年優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱優(yōu)青項(xiàng)目）設(shè)立至今，機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)領(lǐng)域共有88 人申請(qǐng)杰青項(xiàng)目，11人獲得資助，平均資助率為12. 5%，高于E05 平均資助率（10. 03%），獲資助人數(shù)占E05 總資助人數(shù)（118 名）的9. 32%；共有86人申請(qǐng)優(yōu)青項(xiàng)目，8人獲得資助，平均資助率為9. 3%，基本與E05 的平均資助率（9. 32%）持平，獲資助人數(shù)占E05總資助人數(shù)（126名）的6. 35%。申請(qǐng)與資助情況，如圖2所示。人才類項(xiàng)目有2個(gè)特點(diǎn)：
機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)重要人才類項(xiàng)目申請(qǐng)及資助情況1） 面向制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，突破裝備重大需求。獲資助人才類項(xiàng)目背景主要面向高端精密裝備幾何量超精密測(cè)量所需的新型測(cè)量原理、方法、技術(shù)及儀器研究，研究方向主要集中在精密與超精密測(cè)量、機(jī)械傳感與測(cè)量、微納結(jié)構(gòu)測(cè)量、在線/原位測(cè)量等方向的理論、方法與器件等。這些方向瞄準(zhǔn)了高端精密裝備和高性能制造過(guò)程，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)重大裝備“ 上水平”、制造過(guò)程“高性能”、服役狀態(tài)“恒保持”的關(guān)鍵。如北京航空航天大學(xué)張廣軍教授研制的載人飛船二氧化碳分壓傳感器隨“神舟一號(hào)”和“神舟二號(hào)”成功發(fā)射；華中科技大學(xué)劉世元教授提出了納米結(jié)構(gòu)橢偏散射計(jì)算測(cè)量新原理，創(chuàng)新研制出寬光譜穆勒矩陣橢偏儀、高分辨成像橢偏儀、超快橢偏儀等三類儀器，膜厚重復(fù)測(cè)量精度為0. 002 nm（目前國(guó)際最高水平），廣泛應(yīng)用于集成電路（IC）納米結(jié)構(gòu)、新型二維材料、極端超快過(guò)程等測(cè)量表征，實(shí)現(xiàn)了高端橢偏儀成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化，開發(fā)的IC 膜厚/關(guān)鍵尺寸（OCD）測(cè)量設(shè)備已批量進(jìn)入中芯國(guó)際、長(zhǎng)江存儲(chǔ)等產(chǎn)線。2） 深耕機(jī)械測(cè)試沃土，精心培育高端人才。36年間（1987年—2022 年），在機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)領(lǐng)域申請(qǐng)項(xiàng)目的依托單位共373 家，各類項(xiàng)目總計(jì)申請(qǐng)量36 項(xiàng)（年均1 項(xiàng)）以上的僅26 家，說(shuō)明該領(lǐng)域目前大多數(shù)學(xué)者仍然是單兵作戰(zhàn)，能形成團(tuán)隊(duì)優(yōu)勢(shì)的相對(duì)較少。比較有代表性的團(tuán)隊(duì)有：哈爾濱工業(yè)大學(xué)譚久彬院士團(tuán)隊(duì)，面向超精密激光干涉、激光共焦、微光纖傳感、微環(huán)境測(cè)控等超精密測(cè)量?jī)x器與裝備技術(shù)研究，近10年來(lái)承擔(dān)機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)領(lǐng)域基金項(xiàng)目30 余項(xiàng)，總經(jīng)費(fèi)2300余萬(wàn)元，資助培養(yǎng)院士1人，優(yōu)青1名，其他國(guó)家高層次及青年人才12人。天津大學(xué)邾繼貴團(tuán)隊(duì)，依托于精密測(cè)試技術(shù)與儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，針對(duì)機(jī)械制造發(fā)展過(guò)程中的在線精密測(cè)量問(wèn)題，研究激光及光電測(cè)試、視覺檢測(cè)、大尺寸測(cè)量等空間幾何量測(cè)量原理和技術(shù)，創(chuàng)新制造現(xiàn)場(chǎng)精密測(cè)量理論與方法，開發(fā)新型測(cè)量?jī)x器，服務(wù)航空航天、船舶、汽車等領(lǐng)域大型裝備現(xiàn)場(chǎng)精密測(cè)量需求，支撐裝備制造技術(shù)持續(xù)迭代升級(jí)，助力國(guó)家智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展。近10年，團(tuán)隊(duì)獲批國(guó)家自然科學(xué)基金委重大科研儀器研制項(xiàng)目1 項(xiàng)、重點(diǎn)項(xiàng)目1 項(xiàng)及其他項(xiàng)目10 項(xiàng)，培養(yǎng)杰青1 名。中北大學(xué)張文棟團(tuán)隊(duì)，立足于研究開發(fā)極端環(huán)境下動(dòng)態(tài)過(guò)程參量原位測(cè)試的方法、技術(shù)和儀器，解決動(dòng)態(tài)測(cè)試中基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題與關(guān)鍵技術(shù)難題，培養(yǎng)杰青、優(yōu)青各2名，另有卓青、青拔、青長(zhǎng)、百千萬(wàn)人才11名。
2.3、重點(diǎn)類項(xiàng)目的資助情況
機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)領(lǐng)域重點(diǎn)類項(xiàng)目申請(qǐng)及資助情況，如圖3所示。迄今為止共有83人提出申請(qǐng)，18人獲得資助，資助率為21. 69%，略高于E05 的平均資助率（19. 12%），獲資助人數(shù)占E05 總資助人數(shù)（257名）的7%。其中，聚焦無(wú)損檢測(cè)、在線檢測(cè)、高精密測(cè)量和超聲傳感方向的項(xiàng)目較多，瞄準(zhǔn)了動(dòng)態(tài)測(cè)量、位姿測(cè)量、在線測(cè)量、高分辨測(cè)量以及微細(xì)結(jié)構(gòu)測(cè)量和缺陷檢測(cè)等前沿方向。同時(shí)，也有計(jì)量基準(zhǔn)方向的項(xiàng)目。表明資助項(xiàng)目涵蓋了機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)的幾乎所有資助領(lǐng)域，對(duì)各領(lǐng)域的協(xié)調(diào)發(fā)展起到了很好的導(dǎo)向作用。圖3 機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)重點(diǎn)類項(xiàng)目申請(qǐng)及資助情況
機(jī)械測(cè)試領(lǐng)域具有很強(qiáng)的交叉性，融入設(shè)計(jì)與制造的全過(guò)程。截至目前，機(jī)械學(xué)科所資助的252項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目中，非機(jī)械測(cè)試領(lǐng)域的項(xiàng)目有235項(xiàng)，其中研究?jī)?nèi)容或技術(shù)手段涉及機(jī)械測(cè)試、測(cè)量的項(xiàng)目有158項(xiàng)，占比67. 2%。如：華中科技大學(xué)熊有倫院士在“ 大型復(fù)雜曲面零件的數(shù)字化設(shè)計(jì)-加工-測(cè)量一體化理論與技術(shù)”重點(diǎn)項(xiàng)目中，開展了幾何量和物理量在線組合測(cè)量的研究，研究大型復(fù)雜曲面零件的全局測(cè)量和局部測(cè)量相結(jié)合的在線測(cè)量和數(shù)據(jù)融合方法，探索加工過(guò)程中力、熱等物理量的間接測(cè)量新方法，實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜曲面零件加工過(guò)程中幾何量和物理量的組合測(cè)量和快速高精度獲取；西安交通大學(xué)何正嘉教授在“大型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)早期故障智能預(yù)示的理論與技術(shù)”重點(diǎn)項(xiàng)目中，利用多源傳感器優(yōu)化配置，分析復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和摩擦學(xué)特性，研究潛在故障發(fā)生、發(fā)展機(jī)理，通過(guò)多源（振動(dòng)、噪聲、溫度、扭轉(zhuǎn)等）傳感器的優(yōu)選與合理配置，獲得最能反映微弱和潛在故障的信息。然而，作為機(jī)械測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)，機(jī)械計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、理論與方法的研究較少，需引導(dǎo)科學(xué)家加強(qiáng)該方向的研究。
2.4、國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)及項(xiàng)目的資助情況
國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目面向科學(xué)前沿和國(guó)家需求，以科學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，資助對(duì)促進(jìn)科學(xué)發(fā)展、探索自然規(guī)律和開拓研究領(lǐng)域具有重要作用的原創(chuàng)科研儀器與核心部件的研制，著力支持原創(chuàng)性重大科研儀器設(shè)備研制，為科學(xué)研究提供更新穎的手段和工具，以全面提升我國(guó)的原始創(chuàng)新能力。包括部門推薦和自由申請(qǐng)2個(gè)亞類，部門推薦類項(xiàng)目的資助額度在1000萬(wàn)元/項(xiàng)以上（以下簡(jiǎn)稱大儀器），自由申請(qǐng)類項(xiàng)目一般應(yīng)小于1000萬(wàn)元（以下簡(jiǎn)稱小儀器）?，F(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展歷程表明，重大科學(xué)創(chuàng)新和科學(xué)研究新領(lǐng)域的開辟通常以科學(xué)儀器和技術(shù)方法上突破為先導(dǎo)。機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)獲資助國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)及項(xiàng)目在學(xué)部及全委的占比，如圖4所示。截至目前，E05 學(xué)科共資助大儀器3項(xiàng)。1） 中南大學(xué)鐘掘院士主持的“材料與構(gòu)件深部應(yīng)力場(chǎng)及缺陷無(wú)損探測(cè)中子譜儀研制”（51327902），資助經(jīng)費(fèi)為7800萬(wàn)元。該項(xiàng)目是基金委工程與材料科學(xué)部首批資助的重大儀器專項(xiàng)項(xiàng)目，重點(diǎn)針對(duì)結(jié)構(gòu)材料深部?jī)?nèi)應(yīng)力不能直接測(cè)量的問(wèn)題，該問(wèn)題已成為研究、設(shè)計(jì)、制造工程結(jié)構(gòu)和復(fù)雜裝備的巨大屏障，嚴(yán)重影響著新材料的研究工作。通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)施，自主研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)高通量、高分辨、大承重、高定位精度的中子應(yīng)力工程譜儀，具有兼顧宏觀應(yīng)力檢測(cè)和缺陷周邊微應(yīng)力場(chǎng)檢測(cè)的功能，可實(shí)現(xiàn)在高低溫及機(jī)械加載條件的應(yīng)力測(cè)試，為揭示材料與構(gòu)件深部應(yīng)力形成與演變規(guī)律提供了重要的研究手段。2021 年9 月18 日，經(jīng)項(xiàng)目驗(yàn)收專家組充分質(zhì)疑和討論，專家組認(rèn)為該儀器總體處于國(guó)際先進(jìn)水平，高中子通量、小取樣體積和可測(cè)工件尺寸等指標(biāo)屬國(guó)際一流，測(cè)點(diǎn)智能切換具有獨(dú)創(chuàng)性，并且突破了高通量中子聚焦、大小取樣體積與高分辨探測(cè)、大承載高剛度高精度樣品臺(tái)架等關(guān)鍵技術(shù)。服務(wù)于工程構(gòu)件精確設(shè)計(jì)和制造及服役性能的精確評(píng)估，以及材料-構(gòu)件一體化設(shè)計(jì)、重大裝備安全運(yùn)行的工程需求，為國(guó)家重大工程的安全服役提供科學(xué)依據(jù)。2） 清華大學(xué)雒建斌院士主持的“高分辨原位實(shí)時(shí)摩擦能量耗散測(cè)量系統(tǒng)”（51527901），資助經(jīng)費(fèi)為7475. 9 萬(wàn)元。項(xiàng)目立足于引領(lǐng)摩擦學(xué)的研究，由以力學(xué)為核心的研究范式向能量范式轉(zhuǎn)變，以千分之一量級(jí)摩擦系數(shù)的超滑體系為研究對(duì)象，為降低占比工業(yè)30% 的摩擦損耗為發(fā)展目標(biāo)。課題突破了萬(wàn)分之一量級(jí)超低摩擦系數(shù)測(cè)量、摩擦過(guò)程中聲子動(dòng)力學(xué)行為測(cè)量、電子伏特級(jí)物理射線超寬發(fā)射譜的探測(cè)、摩擦界面分子結(jié)構(gòu)演變的實(shí)時(shí)測(cè)量等儀器關(guān)鍵技術(shù)，并研制出國(guó)際首臺(tái)原位實(shí)時(shí)高靈敏度摩擦能量耗散測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)分之一的摩擦系數(shù)并揭示了摩擦能量耗散摩擦起源以及超滑的本質(zhì)，拓展了超滑材料體系和指標(biāo)能力。目前國(guó)際上尚無(wú)同類功能的儀器。其成功研制將大幅提升我國(guó)大型表界面領(lǐng)域科學(xué)儀器的研究水平，具有重大戰(zhàn)略意義。超滑本質(zhì)的揭示將利于研發(fā)出新的超滑材料，使摩擦能耗呈數(shù)量級(jí)降低，可望對(duì)制造、交通、能源等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，也將是人類文明史的一大進(jìn)步。3） 武漢大學(xué)劉勝教授主持的“薄膜生長(zhǎng)缺陷跨時(shí)空尺度原位/實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)控實(shí)驗(yàn)裝置”（51727901），資助經(jīng)費(fèi)為6500 萬(wàn)元。該項(xiàng)目針對(duì)薄膜生長(zhǎng)過(guò)程跨越介觀到宏觀的空間尺度和飛秒到秒的時(shí)間尺度、缺陷萌生及演化機(jī)理留有許多空白的現(xiàn)狀，研制薄膜生長(zhǎng)過(guò)程跨時(shí)空尺度原位/實(shí)時(shí)測(cè)量與調(diào)控實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)飛秒激光-等離子體復(fù)合增強(qiáng)的分子束外延（MBE）、有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）、微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）真空互聯(lián)系統(tǒng)，生長(zhǎng)異構(gòu)異質(zhì)薄膜。目前已成功研制出飛秒激光連續(xù)/突發(fā)成像系統(tǒng)、超快激光調(diào)控裝置等各類測(cè)試/調(diào)控裝置及定制超快電子成像等關(guān)鍵裝備；已完成主體多功能薄膜集成生長(zhǎng)裝備的設(shè)計(jì)、各測(cè)量裝置與薄膜生長(zhǎng)系統(tǒng)的集成方案；同時(shí)開展了金剛石半導(dǎo)體p 型摻雜、氮化鎵外延薄膜的飛秒激光缺陷修補(bǔ)研究，從本質(zhì)上揭示了能量的吸收、傳遞、轉(zhuǎn)換機(jī)制，以及微觀缺陷的產(chǎn)生、演化和調(diào)控規(guī)律等主要科學(xué)問(wèn)題。該實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)解決我國(guó)在薄膜生長(zhǎng)核心技術(shù)“卡脖子”問(wèn)題具有重要意義，大大促進(jìn)了寬禁帶等半導(dǎo)體材料與器件領(lǐng)域的學(xué)科發(fā)展與進(jìn)步。圖4 大儀器和小儀器在工材學(xué)部及全委的占比情況在機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)方向共資助小儀器12 項(xiàng)，占E05 學(xué)科資助項(xiàng)目數(shù)和經(jīng)費(fèi)的一半以上，分別占工程與材料科學(xué)部資助項(xiàng)目數(shù)量和資助經(jīng)費(fèi)的17. 95%；在全委的資助項(xiàng)目數(shù)量和資助經(jīng)費(fèi)也分別占到了2. 97% 和3. 08%。資助的項(xiàng)目多聚焦于航空航天、量子傳感等前沿領(lǐng)域無(wú)損檢測(cè)和測(cè)量、損傷測(cè)試、高分辨率成像關(guān)鍵核心儀器等領(lǐng)域。面向航空航天及量子傳感，如在軌服務(wù)的空間機(jī)械臂接觸作業(yè)地面半實(shí)物模擬器、航天服內(nèi)嵌式意圖驅(qū)動(dòng)操作儀、基于稀疏孔徑多波段成像的飛機(jī)位姿動(dòng)態(tài)視覺測(cè)量系統(tǒng)、機(jī)載共形陣列天線柔性自動(dòng)三維掃描測(cè)量技術(shù)與系統(tǒng)、深空探測(cè)成像儀、全模式微動(dòng)磨損測(cè)試系統(tǒng)和高溫高壓多相流沖擊微動(dòng)損傷測(cè)試系統(tǒng)、共聚焦拉曼與微納米壓痕同步同位測(cè)試儀、固態(tài)量子傳感的自旋系綜測(cè)量與調(diào)控裝置等。面向智能制造、基礎(chǔ)工業(yè)和人類健康的多目標(biāo)測(cè)量和檢測(cè)儀器研制，如高性能精密坐標(biāo)測(cè)量可重構(gòu)多目標(biāo)坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)及儀器、五軸數(shù)控機(jī)床的激光高精度多參數(shù)快速綜合測(cè)量?jī)x、超精密蝸輪副隱含誤差規(guī)律的機(jī)械傳動(dòng)誤差檢測(cè)智能儀、小模數(shù)齒輪超精密測(cè)量?jī)x、極端工況下輪軌黏著特性測(cè)試系統(tǒng)等基礎(chǔ)制造業(yè)、多面體結(jié)構(gòu)高性能分子成像儀器、血糖血脂無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)核磁共振科學(xué)儀器、人體運(yùn)動(dòng)單元放電序列（MUAPt）的非侵入式記錄儀器等。每一項(xiàng)科研儀器的研制成功通常成為某一領(lǐng)域發(fā)展的“增速器”，為相關(guān)方向的基礎(chǔ)科學(xué)研究、制造工藝優(yōu)化、產(chǎn)業(yè)化提供了新原理、新方法和新途徑，也能起到為該領(lǐng)域指明新研究方向和廣闊發(fā)展前景的重要作用。機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)面向機(jī)械工程學(xué)科共性測(cè)量問(wèn)題，以重大科研儀器設(shè)備研制為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一，與國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目鼓勵(lì)和培育具有原創(chuàng)性思想的探索性科研儀器研制的資助導(dǎo)向較為相符。這也充分體現(xiàn)了機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)是衡量機(jī)械前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究能力及機(jī)械工程發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一，在機(jī)械學(xué)科基礎(chǔ)研究、制造技術(shù)裝備研發(fā)、制造過(guò)程控制、產(chǎn)品質(zhì)量保證、系統(tǒng)運(yùn)行保障等全部流程環(huán)節(jié)中發(fā)揮著不可或缺的支撐作用。
3、 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
自1986年國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)成立以來(lái)，機(jī)械學(xué)科所資助的1521個(gè)機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)項(xiàng)目中精密測(cè)量占比14. 6%、超精密測(cè)量占比52. 33%、納米測(cè)量占比6. 11%、量子測(cè)量占比0. 33%、其他占比26. 63%。資助項(xiàng)目和相關(guān)成果顯示，測(cè)量精度要求不斷提高，測(cè)量尺度向極大和極小兩極加速延伸；測(cè)量頻響要求不斷增大，測(cè)量參量由靜態(tài)向動(dòng)態(tài)高頻測(cè)試方向拓展；測(cè)量參量向多種類、多參量同時(shí)測(cè)試方向發(fā)展；測(cè)量對(duì)象及條件要求不斷升級(jí)，測(cè)量向?qū)ο髲?fù)雜化和條件極端化方向發(fā)展；測(cè)量基準(zhǔn)精度要求不斷提高，測(cè)量基準(zhǔn)開始由實(shí)物基準(zhǔn)向高精度的自然基準(zhǔn)方向發(fā)展等?；跈C(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)學(xué)術(shù)成果動(dòng)態(tài)，重點(diǎn)聚焦于精密與超精密測(cè)量、納米測(cè)量、量子測(cè)量3個(gè)主要方向，并結(jié)合各自特點(diǎn)對(duì)機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與未來(lái)作出總結(jié)和展望。3.1、精密與超精密測(cè)量精密與超精密測(cè)量的對(duì)象通常是具有宏觀尺寸的物體，如大尺寸待拋光的碳化硅鏡面以及光學(xué)鏡頭表面。精密測(cè)量的目標(biāo)是對(duì)這些具有宏觀尺寸特征的物體表面或亞表面進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的精度范圍需達(dá)到1 μm 至0. 1 μm 的量級(jí)。而超精密測(cè)量則進(jìn)一步將測(cè)量的精度推進(jìn)至100 nm 以內(nèi)，乃至1 nm 甚至皮米量級(jí)。以precision metrology 與precision measurement 作為主題詞，在Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)中，精密與超精密測(cè)量領(lǐng)域過(guò)去20年整體呈現(xiàn)發(fā)文量逐漸上升的趨勢(shì)，這與精密測(cè)量的測(cè)量對(duì)象（尺寸、形貌、溫度、壓力、應(yīng)力等形性參數(shù)）具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景具有較大的聯(lián)系。在檢索到的5403篇文獻(xiàn)中，美國(guó)、中國(guó)、德國(guó)在此領(lǐng)域分別發(fā)表了1523、1420、651篇，占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，其中資助機(jī)構(gòu)主要來(lái)自于我國(guó)自然科學(xué)基金委（資助率為14. 938%）、美國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)（資助率為4. 588%）以及歐盟相關(guān)科研機(jī)構(gòu)（資助率為4. 196%）。以英國(guó)哈德斯菲爾德大學(xué)蔣向前教授、日本東北大學(xué)高偉教授、北京理工大學(xué)郝群教授、浙江大學(xué)居冰峰教授、英國(guó)諾丁漢大學(xué)Adam Clare 教授為代表的精密測(cè)量領(lǐng)域高被引學(xué)者，在納米量級(jí)超精密表面測(cè)量領(lǐng)域取得了卓越的研究成果，其中蔣向前教授成為第一位以中國(guó)專家身份進(jìn)入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC213 顧問(wèn)組的成員，同時(shí)也被任命為ISO 新一代GPS（幾何產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)范與論證）4項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)研究制定的負(fù)責(zé)人。進(jìn)一步在中國(guó)知網(wǎng)以精密測(cè)量、精密儀器、精密計(jì)量作為主題詞，共檢索到2158篇文獻(xiàn)，其中科技類論文主要發(fā)表在《中國(guó)光學(xué)》《儀器儀表學(xué)報(bào)》《物理學(xué)報(bào)》等期刊。以哈爾濱工業(yè)大學(xué)譚久彬院士、天津大學(xué)葉聲華院士、清華大學(xué)張書練教授等為代表的我國(guó)著名精密測(cè)量領(lǐng)域?qū)＜?，在高精密光電子測(cè)量領(lǐng)域取得了卓越成績(jī)，是“將科研論文寫在祖國(guó)大地上”的典范。高測(cè)量精度對(duì)保證制造產(chǎn)品的性能與儀器設(shè)備的性能具有極其重要的意義。一方面，高精密測(cè)量技術(shù)與儀器是科學(xué)探索不可或缺的手段與工具。截至2017年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)、化學(xué)獎(jiǎng)、生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)總數(shù)為371項(xiàng)，獲獎(jiǎng)總?cè)藬?shù)為594人；直接因測(cè)量科學(xué)研究成果或直接發(fā)明新原理儀器而獲獎(jiǎng)的項(xiàng)目總數(shù)為42項(xiàng)（占比11. 3%），總?cè)藬?shù)為64人（占比10. 8%），如電子顯微鏡、質(zhì)譜儀、CT 斷層掃描儀、掃描隧道顯微鏡、超分辨熒光顯微鏡、冷凍電鏡、激光干涉儀等；同時(shí)，72%的物理學(xué)獎(jiǎng)、81%的化學(xué)獎(jiǎng)、95%的生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)都是借助于相關(guān)尖端儀器完成的。科研儀器，尤其尖端測(cè)量?jī)x器，對(duì)前沿科學(xué)研究及重大物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)發(fā)揮著不可估量的作用。另一方面，現(xiàn)代制造業(yè)已經(jīng)將制造產(chǎn)品的表面性能推進(jìn)到近原子尺度。以集成電路制造中的晶圓拋光為例，對(duì)拋光后的晶圓表面進(jìn)行近原子量級(jí)的精密測(cè)量，是確定拋光表面質(zhì)量是否滿足一致性、高平坦性的關(guān)鍵；以大口徑太空望遠(yuǎn)鏡為例，為了保證鏡頭的分辨率和成像質(zhì)量，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)反射鏡的面型精度提出了極為苛刻的要求。3.2、納米測(cè)量與精密超精密測(cè)量不同，納米測(cè)量的對(duì)象是具有納米尺度特征的納米結(jié)構(gòu)或納米材料。由于納米制造的對(duì)象處于微觀尺度，因此納米測(cè)量主要是指納米尺度（尤其包括0. 1~100 nm 尺寸范圍）和精度的測(cè)量技術(shù)。一個(gè)硅原子的直徑大約為0. 25 nm，納米尺度已經(jīng)接近原子量級(jí)，因此對(duì)納米量級(jí)物體的高精度測(cè)量難度比傳統(tǒng)測(cè)量大很多。與精密測(cè)量技術(shù)相比，納米測(cè)量具有以下特點(diǎn)：1）以非接觸測(cè)量手段為主；2）須提供納米乃至亞納米量級(jí)測(cè)量精度；3）須保證在納米尺度上有穩(wěn)定可靠的重復(fù)性；4）涉及多學(xué)科知識(shí)（如光學(xué)干涉與衍射、電子散射、晶格衍射、電子隧穿效應(yīng)等）。以nanoscale metrology、nanoscale measurement 及nanometrology 作為主題詞，在Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)檢索，納米測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)文量在2013年前緩慢增長(zhǎng)，在2014年、2015年急劇增長(zhǎng)后趨于平緩，這與微納米制造技術(shù)及產(chǎn)品的快速發(fā)展有著較大關(guān)聯(lián)。檢索到的47382 篇文獻(xiàn)中，美國(guó)、中國(guó)、印度、德國(guó)在此領(lǐng)域分別發(fā)表了11159、10356、5003、4230 篇，共占據(jù)總發(fā)文量的64. 894%，其中資助機(jī)構(gòu)主要來(lái)自我國(guó)自然科學(xué)基金委（資助率為13. 269%）、美國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)（資助率為7. 499%）以及歐盟相關(guān)科研機(jī)構(gòu)（資助率為5. 120%）。以德國(guó)聯(lián)邦技術(shù)物理研究所戴高良博士、美國(guó)紐約州立大學(xué)Alain C. Diebold 教授、捷克計(jì)量院Petr Klapetek 博士、美國(guó)阿拉巴馬大學(xué)Nader Jalili 教授、美國(guó)德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校Eric Vogel 教授、日本東京大學(xué)高增·高橋（Takamasu-Takahashi）教授、英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室Andrew Yacoot 研究員為代表的納米測(cè)量領(lǐng)域的高被引學(xué)者，在納米結(jié)構(gòu)成像與表征方面取得了豐碩的研究成果，其中美國(guó)紐約州立大學(xué)Alain C. Diebold 教授長(zhǎng)期耕耘在納米光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，在光學(xué)散射納米結(jié)構(gòu)測(cè)量技術(shù)與光學(xué)物理參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域取得了一系列重要成果，并與硅谷半導(dǎo)體測(cè)量領(lǐng)域公司保持長(zhǎng)期合作關(guān)系，是國(guó)際上“產(chǎn)學(xué)研用”的典型代表。在中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，以納米測(cè)量、納米檢測(cè)等作為主題詞，共檢索到514篇文獻(xiàn)，其中科技類論文主要分布在《合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》《天津大學(xué)學(xué)報(bào)》《儀器儀表學(xué)報(bào)》《光學(xué)技術(shù)》《計(jì)量學(xué)報(bào)》《光學(xué)學(xué)報(bào)》等期刊。以天津大學(xué)胡小唐教授、浙江理工大學(xué)陳本永教授、合肥工業(yè)大學(xué)費(fèi)業(yè)泰教授等為代表的測(cè)量技術(shù)及儀器方面的專家居多。納米測(cè)量對(duì)實(shí)現(xiàn)納米制造的可預(yù)測(cè)性、可操控性和可重復(fù)性，對(duì)保證基于納米制造技術(shù)的產(chǎn)品或?qū)崿F(xiàn)的功能滿足可靠性、安全性和一致性等要求具有十分重要的意義。一方面，納米測(cè)量是保證納米制造產(chǎn)品性能的關(guān)鍵。以集成電路制造領(lǐng)域?yàn)槔?，特征尺寸更小、集成度更高的芯片是集成電路制造的永恒追求，如果制造的不可控因素?dǎo)致芯片內(nèi)納米結(jié)構(gòu)特征尺寸偏離設(shè)計(jì)值10%~15%，抑或產(chǎn)生一些缺陷結(jié)構(gòu)，將對(duì)芯片的性能產(chǎn)生極大影響，甚至造成芯片功能失效。因此，對(duì)芯片制造過(guò)程中的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行精密測(cè)量與檢測(cè)是提升集成電路制造性能的重要手段。另一方面，納米測(cè)量也是探索微觀世界的利器。宏觀世界的物理規(guī)律已經(jīng)趨于完備，然而在微觀世界依然有眾多的謎題有待揭示。納米測(cè)量，因其觀測(cè)對(duì)象本質(zhì)上就是具有納米尺度的物體，這為探索微觀世界、發(fā)現(xiàn)全新的知識(shí)提供了重要的技術(shù)手段。3.3、量子化測(cè)量
在Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)中，發(fā)現(xiàn)量子測(cè)量領(lǐng)域過(guò)去20 年發(fā)文量整體呈現(xiàn)逐步攀升的趨勢(shì)，這與量子領(lǐng)域本身的前沿?zé)岫燃傲孔訙y(cè)量在空間探測(cè)、慣性制導(dǎo)、現(xiàn)代制造工業(yè)等領(lǐng)域的逐步應(yīng)用有著必然聯(lián)系。特別是現(xiàn)代制造工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域較廣，對(duì)制造裝備的在役溫度、幾何量穩(wěn)定性、電磁參數(shù)、力學(xué)性能等通常具有極高的要求，因此需要更為精密、響應(yīng)時(shí)間更快的高靈敏測(cè)量技術(shù)與器件。量子化測(cè)量利用原子、光子等量子體系的量子特性及現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)微觀量子態(tài)進(jìn)行精確調(diào)控及觀測(cè)，建立多物理場(chǎng)量子體系與被測(cè)宏觀物理狀態(tài)的耦合關(guān)聯(lián)模型，進(jìn)而完成長(zhǎng)度、角速度、磁、熱等機(jī)械量的高靈敏傳感測(cè)量。特別地，固態(tài)量子體系物理量測(cè)量具有啟動(dòng)時(shí)間短、不需預(yù)熱等顯著優(yōu)勢(shì)，理論靈敏度可突破傳統(tǒng)測(cè)量極限，且依靠先進(jìn)量子調(diào)控、微納加工技術(shù)，固態(tài)量子體系器件芯片化前景廣闊，發(fā)展?jié)摿薮?。近年?lái)，光頻梳的發(fā)明使光頻通過(guò)頻率鏈無(wú)縫鏈接到微波鐘頻率，可獨(dú)立保證長(zhǎng)度基準(zhǔn)的準(zhǔn)確可靠，對(duì)幾何量測(cè)量具有重要意義。面向現(xiàn)場(chǎng)的扁平化溯源方法體系建立是量子計(jì)量的一個(gè)重點(diǎn)方向，2019年5月20日（世界計(jì)量日）新修訂后的國(guó)際單位制（SI）體系正式生效，在新的量子化SI 體系下，計(jì)量溯源將呈現(xiàn)2 個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：1） 計(jì)量溯源的扁平化，量子計(jì)量基準(zhǔn)與信息技術(shù)相結(jié)合，使量值溯源鏈條更短、速度更快、測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)更穩(wěn)，將改變過(guò)去依靠實(shí)物基準(zhǔn)逐級(jí)傳遞的計(jì)量模式，實(shí)現(xiàn)最佳測(cè)量，提升產(chǎn)品質(zhì)量競(jìng)爭(zhēng)力；2） 從傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室條件溯源轉(zhuǎn)向在線實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，從過(guò)去終端產(chǎn)品的單點(diǎn)校準(zhǔn)或測(cè)試轉(zhuǎn)向研發(fā)設(shè)計(jì)、采購(gòu)、生產(chǎn)、交付及應(yīng)用全生命周期的計(jì)量技術(shù)服務(wù)。國(guó)內(nèi)在光頻梳脈沖對(duì)準(zhǔn)測(cè)距、雙光梳多外差測(cè)距、光譜編碼測(cè)距等原理創(chuàng)新方面已接近世界先進(jìn)水平，并且已經(jīng)將光頻梳測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用于衛(wèi)星、空間相機(jī)部組件等大型構(gòu)件的測(cè)量，但在光頻梳集成以及小型化、芯片化等方面和國(guó)外仍有較大差距。國(guó)際上，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局陸續(xù)支持開展新型量子傳感導(dǎo)航系統(tǒng)及器件重大研發(fā)計(jì)劃。歐盟于2016年發(fā)布《量子宣言（草案）》，呼吁建立10 億歐元的量子技術(shù)旗艦計(jì)劃，將量子測(cè)量作為重要研究領(lǐng)域之一，在科學(xué)研究、產(chǎn)業(yè)推廣、技術(shù)轉(zhuǎn)化、人才培養(yǎng)等方面都將獲得重要支持。我國(guó)在2016年的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中設(shè)立了“量子調(diào)控與量子信息”重點(diǎn)專項(xiàng)，將量子調(diào)控與量子信息技術(shù)納入國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，明確提出要在核心技術(shù)、材料、器件等方面突破瓶頸。
3.4、發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)
機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)研究已發(fā)展為以計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)理論、測(cè)試?yán)碚摲椒ā鞲衅骷夹g(shù)與測(cè)試儀器研究為主體，以主動(dòng)服務(wù)于機(jī)械工程學(xué)科的先進(jìn)測(cè)量原理技術(shù)研究、高性能儀器設(shè)備研制和應(yīng)用模式創(chuàng)新為目標(biāo)。特別是我國(guó)航空航天、高速軌道交通、新能源汽車、電子信息等高端制造業(yè)中的傳感測(cè)試及儀器設(shè)備需求呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)，如何提升機(jī)械測(cè)試自主創(chuàng)新能力以滿足高端制造業(yè)發(fā)展的迫切需求已成為機(jī)械測(cè)試領(lǐng)域發(fā)展必須面對(duì)的重大現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。實(shí)際上，隨著制造領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大以及產(chǎn)品性能的不斷提高，信息科學(xué)、材料科學(xué)、物理科學(xué)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域在機(jī)械系統(tǒng)中占據(jù)的重要性日益突出。極端尺度、極限精度、高動(dòng)態(tài)性、多元參量、復(fù)雜綜合對(duì)象、極端測(cè)試環(huán)境使得測(cè)試測(cè)量的難度不斷提升。智能制造全球化的背景使得測(cè)試傳感儀器設(shè)備向高性能、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，并與制造系統(tǒng)深度融合集成，進(jìn)而促進(jìn)傳統(tǒng)工藝優(yōu)化、先進(jìn)工藝創(chuàng)新、產(chǎn)品性能提升。仍然以申請(qǐng)量與獲批量最大的測(cè)量理論與技術(shù)為分析對(duì)象，機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)存在如下發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)。1） 從單一參量離線測(cè)量到復(fù)雜參量在線、在役測(cè)量和復(fù)雜環(huán)境感知獨(dú)立的離線測(cè)量能夠獲取高精度的專一測(cè)量參數(shù)，但其較長(zhǎng)的信息傳輸路徑、間接的測(cè)量方式、較大的設(shè)備體積導(dǎo)致其難以集成到整個(gè)制造產(chǎn)線上，難以實(shí)時(shí)檢測(cè)產(chǎn)線的動(dòng)態(tài)狀況。多測(cè)量手段組合也難以保證測(cè)量的高效性與及時(shí)性，利用已有測(cè)量技術(shù)的微型化、集成化、規(guī)模化意味著會(huì)在一定程度上犧牲部分性能。如在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片測(cè)量中，傳統(tǒng)離線條件下測(cè)量低速轉(zhuǎn)動(dòng)葉片形狀精度已無(wú)法滿足研制需求，下一步將要求在實(shí)際高速轉(zhuǎn)動(dòng)工作狀態(tài)下采用智能嵌入式傳感器對(duì)葉片形狀進(jìn)行在線在役的超精密測(cè)量。同時(shí)，隨著智能制造推進(jìn)，智能單元、智能車間、智慧工廠已逐步在航空航天、能源重工等工程領(lǐng)域開展了基礎(chǔ)性、示范性應(yīng)用。發(fā)展復(fù)雜作業(yè)下環(huán)境狀態(tài)感知技術(shù)，構(gòu)建智能自主單元，提升智能裝備在復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中運(yùn)行適應(yīng)性、自律性、穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)推動(dòng)智能制造技術(shù)深層次發(fā)展具有重大意義。2） 從單一物理量測(cè)量到多物理場(chǎng)復(fù)合測(cè)量和復(fù)雜系統(tǒng)綜合信息感知高端裝備制造與服役環(huán)境更加惡劣，性能要求更加苛刻，智能化特征要求更加顯著。在高端裝備與制造過(guò)程中的高溫、強(qiáng)電磁場(chǎng)、多化學(xué)相、狹小空間等極端復(fù)雜環(huán)境下，多參量測(cè)量、多物理量強(qiáng)耦合動(dòng)態(tài)演變機(jī)制、工藝參數(shù)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控對(duì)保證先進(jìn)制造產(chǎn)品性能具有重大意義，未來(lái)需要重點(diǎn)關(guān)注復(fù)雜物理場(chǎng)耦合原位高精測(cè)試、多物理量測(cè)量解耦、多參數(shù)測(cè)量理論與方法。另外，面向汽車、航空航天、船舶等高端復(fù)雜產(chǎn)品的制造正經(jīng)歷從傳統(tǒng)模擬量協(xié)調(diào)向數(shù)字量協(xié)調(diào)的技術(shù)變革，基于制造過(guò)程綜合感知信息的數(shù)字化制造模式是提高質(zhì)量效率、改善產(chǎn)品性能、延長(zhǎng)服役壽命的必然選擇，先進(jìn)的高性能測(cè)量方法與技術(shù)設(shè)備已成為重大裝備數(shù)字化制造系統(tǒng)中不可或缺的組成要件。同時(shí)，復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的技術(shù)綜合度、復(fù)雜度急劇增加，整機(jī)產(chǎn)品的功能和性能大幅提升，面向復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的測(cè)量任務(wù)面臨著比以往更為嚴(yán)苛復(fù)雜的測(cè)量要求、條件及環(huán)境。3） 從單一尺度測(cè)量到跨尺度、多模態(tài)及微納尺度形性多參數(shù)測(cè)量半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，芯片制造已經(jīng)上升為國(guó)家最緊急和最重要的戰(zhàn)略任務(wù)之一。后摩爾時(shí)代推動(dòng)制程芯片大規(guī)模量產(chǎn)工藝不斷向5 nm 甚至3 nm 邁進(jìn)，芯片制造呈現(xiàn)出由傳統(tǒng)單一場(chǎng)作用向包括力、熱、電、磁等多場(chǎng)耦合作用轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，制造過(guò)程中材料和零部件的形態(tài)和性能可能會(huì)同時(shí)改變。發(fā)展形狀、性能參數(shù)的高分辨、高準(zhǔn)確度、高效率的多物理場(chǎng)、多尺度復(fù)合測(cè)量技術(shù)是支撐微納制造新方式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，亟待從理論、技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法上進(jìn)行重點(diǎn)研究。微納米尺度是產(chǎn)品性能的保證，宏觀尺度是產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的物理載體。從制造過(guò)程底層到產(chǎn)品整個(gè)流程的角度來(lái)看，測(cè)量的本質(zhì)需求是跨尺度的，以極紫外光刻機(jī)中的掩模缺陷檢測(cè)為例，反射式極紫外掩模的宏觀大小在厘米至分米量級(jí)，而掩模缺陷檢測(cè)的目的是把整個(gè)掩模中所有的、不同尺寸的、不同位置的表面與內(nèi)部掩埋型缺陷檢測(cè)出來(lái)，這一檢測(cè)過(guò)程本質(zhì)上需橫跨分米、厘米、毫米、微米與納米多個(gè)尺度。為了保證缺陷檢測(cè)效率，必須保證檢測(cè)技術(shù)針對(duì)不同的尺度具有自適應(yīng)的測(cè)量速度與測(cè)量模式，進(jìn)而適應(yīng)不同的制造場(chǎng)景需求。傳統(tǒng)的基于單一物理原理的測(cè)量技術(shù)難以同時(shí)適配如此多的測(cè)量尺度需求，因此有必要結(jié)合多物理原理測(cè)量模式，如將力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)測(cè)量原理綜合評(píng)價(jià)整合，實(shí)現(xiàn)跨尺度的多模態(tài)測(cè)量。4） 從單一測(cè)量點(diǎn)位到智能大場(chǎng)景測(cè)量傳感網(wǎng)絡(luò)航空航天船舶等大型復(fù)雜裝備的超高性能必須依靠精確外形控制實(shí)現(xiàn)，外形尺寸信息是控制制造過(guò)程、保證制造質(zhì)量、提升產(chǎn)品性能的關(guān)鍵。大規(guī)模、多層次、實(shí)時(shí)持續(xù)的物理空間數(shù)據(jù)獲取，特別是高精度空間幾何量獲取已成為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜裝備智能制造的前提，測(cè)量需求表現(xiàn)出全局、并發(fā)、多源、動(dòng)態(tài)、可重構(gòu)、共融等全新特點(diǎn)。而在智能生產(chǎn)場(chǎng)景中，產(chǎn)品的復(fù)雜性和精密性導(dǎo)致制造產(chǎn)線普遍較長(zhǎng)、制造裝備多樣，形成復(fù)雜的制造網(wǎng)絡(luò)，制造設(shè)備的分布由傳統(tǒng)的單位點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布方向發(fā)展。生產(chǎn)測(cè)量裝備與測(cè)量傳感器正由單一檢測(cè)點(diǎn)位向低成本、分布式的測(cè)量設(shè)備或測(cè)量傳感器網(wǎng)絡(luò)形態(tài)發(fā)展，以高速、精確、全局獲取整體制造產(chǎn)線與制造裝備序列的動(dòng)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)。
4、 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與重點(diǎn)研究領(lǐng)域展望
機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)本身具有跨學(xué)科強(qiáng)交叉特性，特別是近年來(lái)立項(xiàng)的儀器項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目、杰青項(xiàng)目，在立足機(jī)械測(cè)試領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的同時(shí)，越來(lái)越多地顯示出與光學(xué)、超聲、醫(yī)學(xué)、生物和量子的交叉發(fā)展趨勢(shì)；主要包括機(jī)械計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、理論與方法，機(jī)械測(cè)試?yán)碚?、方法與技術(shù)，機(jī)械傳感器技術(shù)與測(cè)試儀器，機(jī)械制造過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制，其共同的關(guān)鍵詞是“機(jī)械”，相關(guān)研究工作和主要產(chǎn)出成果本質(zhì)上均圍繞服務(wù)于裝備制造前沿技術(shù)突破、服務(wù)于國(guó)家重大需求、服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)展開?？梢灶A(yù)見，未來(lái)面向先進(jìn)制造的精密與超精密測(cè)量、納米測(cè)量與量子測(cè)量將始終堅(jiān)持以國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)主戰(zhàn)場(chǎng)、國(guó)家重大工程需求牽引為出發(fā)點(diǎn)，以先進(jìn)測(cè)量基礎(chǔ)前沿問(wèn)題為導(dǎo)向，開展測(cè)量理論、技術(shù)方法、儀器設(shè)備、工程應(yīng)用等多方面、體系化研究。
4.1、關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題
1） 納米-原子量級(jí)在線、原位、動(dòng)態(tài)測(cè)量理論與方法精密與超精密測(cè)量、納米測(cè)量與量子測(cè)量的核心共性問(wèn)題是“高精度”，這是解決超高精度先進(jìn)制造中過(guò)程控制與性能檢測(cè)問(wèn)題的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。隨著全頻譜（面型、波紋度和粗糙度）、異質(zhì)表面、三維超構(gòu)納米制造不斷發(fā)展，亟需能夠從納米尺度、分子尺度乃至原子尺度揭示原子遷移、材料去除加工規(guī)律的新型測(cè)量原理及技術(shù)手段；能場(chǎng)輔助制造（如高能束納米制造）過(guò)程中，飛秒激光能夠在瞬間將被加工物質(zhì)電子溫度提升到上萬(wàn)攝氏度并引起晶格振動(dòng)，光子-聲子-溫度-電子多重耦合與量子效應(yīng)凸顯，亟需通過(guò)多重測(cè)量模式的組合或新測(cè)量手段以超高速度從原子、多物理場(chǎng)耦合角度直接或間接揭示材料加工中的相變機(jī)制。2） 復(fù)雜制造系統(tǒng)多物理量全局測(cè)量感知理論與方法以極大規(guī)模集成電路制造、大型客機(jī)、高技術(shù)船舶為代表的現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)，從規(guī)模、裝備精密度、產(chǎn)線縱深上均遠(yuǎn)超傳統(tǒng)制造業(yè)。精密測(cè)量需求已從傳統(tǒng)單一節(jié)點(diǎn)向全產(chǎn)業(yè)鏈全制造周期測(cè)量邁進(jìn)，制造質(zhì)量評(píng)價(jià)體系已由傳統(tǒng)局部測(cè)量節(jié)點(diǎn)逐級(jí)向頂層匯集轉(zhuǎn)向基于全局測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的多節(jié)點(diǎn)全時(shí)空流程整體動(dòng)態(tài)評(píng)估，測(cè)量技術(shù)與測(cè)量設(shè)備的復(fù)雜度、集成度與邊緣處理能力大幅提升，網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)?；?、協(xié)同化效應(yīng)進(jìn)一步顯現(xiàn)。探究嵌入式測(cè)量/傳感單元與制造系統(tǒng)功能部件的深度融合機(jī)制，摸索新型全局定位與測(cè)量傳感器分布網(wǎng)絡(luò)，研究復(fù)雜系統(tǒng)的多模態(tài)物理量感知技術(shù)與方法，挖掘復(fù)雜、極端、多物理量耦合環(huán)境下裝備與產(chǎn)線測(cè)量信號(hào)與產(chǎn)品性能間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，探索從數(shù)學(xué)層面解析全局測(cè)量/傳感網(wǎng)絡(luò)與產(chǎn)品制造良率間的深層關(guān)聯(lián)，對(duì)先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)具有深刻的指導(dǎo)意義。3） 量子-經(jīng)典混合集成式測(cè)量理論與方法以極大規(guī)模集成電路中晶圓缺陷檢測(cè)、掩模缺陷檢測(cè)為代表的宏-微-納跨尺度測(cè)量場(chǎng)景，對(duì)測(cè)量技術(shù)的自適應(yīng)能力、測(cè)量速度、測(cè)量范圍、測(cè)量精度提出了嚴(yán)苛的要求?？绯叨葓?chǎng)景下測(cè)量問(wèn)題受到宏微觀物理規(guī)律差異影響嚴(yán)重，所面對(duì)的復(fù)合測(cè)量要求甚至在多數(shù)情況下相互矛盾，傳統(tǒng)經(jīng)典物理測(cè)量手段面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。量子測(cè)量技術(shù)，尤其是量子成像技術(shù)所展現(xiàn)出來(lái)的極低信噪比下成像與探測(cè)能力，為測(cè)量精度與靈敏度提升帶來(lái)了新的技術(shù)方向。經(jīng)典測(cè)量技術(shù)的典型優(yōu)勢(shì)包括測(cè)量效率與測(cè)量的非破壞性（如光學(xué)測(cè)量手段），這與量子測(cè)量（尤其是量子成像）中的高測(cè)量精度（但形成大量糾纏光子對(duì)則需較長(zhǎng)時(shí)間）形成天然的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。新型量子傳感器通常成本高、使用條件要求高，需要專業(yè)人員調(diào)試與操控，而經(jīng)典傳感器技術(shù)相對(duì)成熟，具有體積小、集成度高、成本低、適應(yīng)性好等突出優(yōu)勢(shì)，將經(jīng)典與量子測(cè)量理論與模式相結(jié)合，對(duì)加深測(cè)量領(lǐng)域的科學(xué)內(nèi)涵、拓展測(cè)量科學(xué)的應(yīng)用廣度具有重要意義。
4.2、重點(diǎn)研究領(lǐng)域
圍繞國(guó)家在集成電路、航空航天、新能源、生物醫(yī)藥等先進(jìn)制造領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略布局，基于本領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，以前沿基礎(chǔ)方向與關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題為重點(diǎn)核心，建議將面向先進(jìn)制造的以下測(cè)量領(lǐng)域作為重點(diǎn)研究方向，如圖5所示。
先進(jìn)制造中測(cè)量領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與重點(diǎn)研究領(lǐng)域1） 宏-微-納跨尺度測(cè)量技術(shù)與儀器——研究跨尺度制造中測(cè)量速度、測(cè)量精度、測(cè)量魯棒性的關(guān)聯(lián)性與復(fù)雜性，開發(fā)多模態(tài)、多物理量協(xié)同測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)跨尺度制造材料的加工、排列、操作、成形等過(guò)程中多源參量的動(dòng)態(tài)、高速測(cè)量。2） 集成式測(cè)量設(shè)備與傳感器件——研究面向復(fù)雜制造環(huán)境、受限空間、復(fù)雜電磁耦合條件下的制造裝備與產(chǎn)線精密測(cè)量需求，開發(fā)集成式光-電-熱-力多模態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，發(fā)展片上集成式高性能測(cè)量傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)先進(jìn)制造裝備狀態(tài)與產(chǎn)線運(yùn)行過(guò)程的高性能、高可靠性、高耐久性測(cè)量與監(jiān)測(cè)。3） 復(fù)雜三維納米結(jié)構(gòu)測(cè)量、檢測(cè)技術(shù)與儀器——研究極短波長(zhǎng)電磁波、電子束、中子束等激勵(lì)源與納米結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)理，探索光-電-熱多源激發(fā)條件下的納米結(jié)構(gòu)散射信號(hào)測(cè)量機(jī)制，發(fā)展基于遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨成像技術(shù)的納米結(jié)構(gòu)測(cè)量與缺陷檢測(cè)理論與方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米結(jié)構(gòu)三維形貌與物理參數(shù)的快速、準(zhǔn)確測(cè)量與重構(gòu)。4） 多模態(tài)原位測(cè)量技術(shù)與儀器——研究能場(chǎng)輔助制造、超精密加工、增材制造、光場(chǎng)制造等領(lǐng)域中的原位測(cè)量需求與挑戰(zhàn)，探索在具有光子、電子、聲子、熱源等多物理場(chǎng)耦合條件下的制造過(guò)程表面與亞表面高速、動(dòng)態(tài)測(cè)量與表征方法，發(fā)展具有毫秒級(jí)以下時(shí)間分辨率、全三維納米量級(jí)空間分辨率測(cè)量技術(shù)與儀器。5） 極端制造條件下的測(cè)量技術(shù)與儀器——探索在極端溫度、極端磁場(chǎng)、極端壓力、極端輻射等條件下的形狀性能測(cè)量理論與方法，研究測(cè)量科學(xué)與新材料、信息科學(xué)、新物理效應(yīng)相結(jié)合的新范式，發(fā)展面向航空、宇航、深海、核聚變等制造領(lǐng)域的極端環(huán)境高性能、高魯棒性、高精密性測(cè)量?jī)x器與設(shè)備。6） 智能賦能的測(cè)量技術(shù)與儀器——以傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器難以解耦多物理場(chǎng)精密測(cè)量技術(shù)瓶頸為突破口，探索智能感知網(wǎng)絡(luò)、智能算法與傳統(tǒng)高精度測(cè)量?jī)x器設(shè)備結(jié)合的新機(jī)制方法，實(shí)現(xiàn)超高速、超高靈敏度、超高精度納米尺度測(cè)量與傳感。
5、總結(jié)與展望
隨著制造模式逐步走向納米化、極端化、規(guī)?；?、扁平化，機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)面臨著“極大尺度中的極小量測(cè)量”“ 極小尺度中的甚小量測(cè)量”“ 跨尺度中的納米精度測(cè)量”“ 極端條件下的多維多源物理量測(cè)量”“超高速納米量級(jí)原位在線測(cè)量”等重大挑戰(zhàn)。正如中國(guó)共產(chǎn)黨第二十次全國(guó)代表大會(huì)報(bào)告中特別提到的，要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，突出原創(chuàng)，鼓勵(lì)自由探索，尤其是在全球新一代科技競(jìng)爭(zhēng)白熱化的時(shí)代背景下，亟待發(fā)揮基礎(chǔ)研究的原創(chuàng)力，為科技創(chuàng)新和高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐。如今正面臨百年未有之大變局，人類近代史以來(lái)首次出現(xiàn)東方大國(guó)在整體制造業(yè)規(guī)模、制造業(yè)門類上超越西方主要工業(yè)大國(guó)之和，我國(guó)也正式邁入從“制造大國(guó)”向“制造強(qiáng)國(guó)”轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期。進(jìn)一步拓展機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)研究領(lǐng)域、發(fā)展高精度測(cè)量技術(shù)與儀器，是滿足我國(guó)核心制造裝備技術(shù)性能升級(jí)、高端原創(chuàng)裝備產(chǎn)業(yè)落地、產(chǎn)品性能全面提升的關(guān)鍵，對(duì)全面提升我國(guó)科技競(jìng)爭(zhēng)力具有極其重要的意義。我們要從面向國(guó)家重大需求、適應(yīng)科研范式變革、促進(jìn)學(xué)科交叉等方向加強(qiáng)戰(zhàn)略性謀劃，牽引推動(dòng)關(guān)乎人類生產(chǎn)生活方式變革乃至人類文明發(fā)展的重大技術(shù)創(chuàng)新，培養(yǎng)高水平人才為強(qiáng)化我國(guó)戰(zhàn)略科技力量、建設(shè)世界重要人才中心和創(chuàng)新高地提供保障，化挑戰(zhàn)為機(jī)遇。
致謝 衷心感謝機(jī)械學(xué)科歷任主任（黎明、雷源忠、王國(guó)彪和賴一楠）在機(jī)械測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)發(fā)展方向的超前規(guī)劃與重點(diǎn)布局。
