电子机械：交叉学科服务大国重器——访谈西安电子科技大学段宝岩院士

编辑部：段院士好！非常感谢您接受《电子机械工程》编辑部的访谈邀请！您是恢复高考后的首批大学生，也有着丰富的国外求学经历，请您先介绍一下自己的工作经历。

段院士：1955年，我出生于河北冀县（现冀州市）并在那里度过了童年时光。小学时正逢学制改为9年一贯制，所以我小学读了7年。1972年国家开始抓教育质量，即后来所说的“回潮”，这一年我考上高中。那时候高中入学是在春季，都是通过严格考试录取的，学生招得也少。1973年年底，我们在轰轰烈烈的“上山下乡”运动中高中毕业。1975年，我被母校冀县北漳淮高中聘为代课教师。1977年国家恢复高考，这场考试不仅是我，更是我们那代人命运的转折点。至今我还清晰记得考试那天的情景，当时正值数九寒天，大雪纷飞，我骑着自行车到二十华里之外的地方参加考试。一起赶考的同龄人很多，每个人既兴奋又紧张，因为十年没有过这么全国性的考试了。我幸运地被赫赫有名的军工院校——西北电讯工程学院录取，投入到了电子机械工程学科专业的学习之中，先后完成了本硕博阶段的学习，重点进行与雷达、天线密切相关的理论、技术学习研究。1991年，受国家公派到英国利物浦大学做博士后研究，1994年回到母校工作至今，致力于电子机械学科的教学、科研与人才培养工作。

编辑部：您回国时，适逢机电一体化技术兴起，请您介绍一下什么是机电一体化？

段院士：机电一体化（Mechatronics）的概念最早出现于20世纪70年代，其英文是将Mechanical与Electronics两个词分别取词头和词尾组合而成的，这一构词特点生动体现了机械与电磁（气）技术深度融合的内涵演进和发展趋势。

高性能复杂机电装备的机电一体化设计从被提出至今，依次经历了机电分离、机电综合和机电耦合三个发展阶段。从机电分离、机电综合到机电耦合，机电一体化技术发生了鲜明的代际演进，为高端装备设计与制造提供了理论与关键技术支撑，而复杂装备设计与制造中的机电耦合技术则进一步体现为机械、电气、电子、电磁、光学、热学、控制等多学科的交叉融合，涉及到多物理场、多介质、多尺度、多元素的深入研究。显然，以机电耦合为突破口的设计与制造技术必将迎来更大挑战。

一般来说，复杂机电装备根据其主要功能可以分为两大类：一类是以保障机械性能为主，电性能服务于机械性能的机电装备，如大型数控机床等加工装备以及车辆、化工、船舶、农业、矿产、能源、挖掘与盾构等行业重大装备，本质上是运用电子信息技术来改造、武装、提升传统装备的机械性能；另一类则是以保障电性能为主，机械性能服务于电性能的电子装备（图1），如雷达、通信、天线、数据处理、导航、射电望远镜等，其机械结构主要用于保障特定电磁性能的实现，被广泛应用于陆、海、空、天等各个关键领域，发挥着不可替代的作用。这两大类装备均属于机电结合的复杂装备，是机电一体化技术重点应用的典型领域。

图1 典型电子装备概念及应用

随着社会的进步，机电一体化技术伴随着时代发展，陆续产生了流–固–气一体化、机–电–液一体化、生物–机电一体化等概念，虽然表达形式略有差别，但本质上还是属于机电一体化范畴，技术目标都是研究不同物理系统或物理场之间的相互关系，从而确定提高系统或设备整体性能的有效途径。

编辑部：机电一体化技术如何在大科学装置“中国天眼”500 m口径球面射电望远镜（FAST）的创新设计中发挥关键作用？

段院士：1994年11月，我刚留学归来，就受邀参加了我国要建造新一代大射电望远镜的重大国际合作项目。这个项目就是2016年9月在贵州黔南落成并启用、被誉为“中国天眼”的500 m口径球面射电望远镜（FAST）。

我们团队提出了“光机电一体化创新设计”，被国际大射电望远镜委员会主席Robert Bran博士称为变革式的创新设计，引起了国内外同行专家的高度关注与浓厚兴趣。在接下来的工作中，我们团组先后成功研制了一个5 m口径、两个50 m口径的缩比实验验证模型（图2），重点突破了电性能与机械结构间的机电耦合、灵巧结构设计，舱–索柔性非线性结构系统的精确力学建模和求解、舱–索柔性滞后结构系统控制，粗精两级调整系统的动力学耦合与复合运动控制等基础理论与关键核心技术，为500 m口径球面射电望远镜的工程实施扫清了关键技术障碍，为技术指标的实现奠定了坚实基础。

图2 西安电子科技大学中国天眼FAST缩比模型试验三部实物照片

这一创新设计以6根大跨度的柔索驱动设计方案代替美国阿雷西博（Arecibo）望远镜的刚性背架支撑结构方案，以软件代替硬件，结构形式大大简化，不仅使馈源舱及其支撑驱动系统的自重由阿雷西博型方案的上万吨降至30 t，且实现了馈源的毫米级动态定位精度。大跨度轻型索拖动系统作为FAST三大自主创新中最为关键的一个，具有颠覆性和决定性。

编辑部：能否介绍一下全链路全系统空间太阳能电站地面验证系统——“逐日工程”的进展？

段院士：空间太阳能电站（Space Solar Power Station, SSPS）被誉为能源领域的“曼哈顿工程”，其意义不言而喻，目前是世界范围的热门研究课题之一。空间太阳能电站主要由“发”“送”“收”三部分组成。首先在太空中通过大型太阳能电池阵列将太阳能转化为电能，继而将电能转化为高功率微波，接着通过微波发射天线将能量定向发射出去，最后由接收天线将接收到的微波转化回电能，供用户使用。一句话概括，这是一套在环绕地球的轨道上收集太阳能，再无线远距离传输到接收天线的新型发电系统。

从世界范围来看，空间太阳能电站研究经历了一个较长的时期，以1968年美国人彼得·格拉泽提出的建设太空电站构想为开端，相继有美国国家航空航天局（NASA）与能源部联合资助的“1979SPS基准系统”、欧洲启动的“空间探索与利用的系统、概念、结构和技术”研究计划等。进入新世纪以来，在NASA创新概念项目的资助下，美国的约翰·曼金斯教授团队提出了“任意大规模相控阵式空间太阳能电站”阿尔法（SSPS-ALPHA）方案。之后，美国诺格公司与加州理工大学合作共同研发空间太阳能电站技术。与此同时，英国、法国、俄罗斯、印度等国的研究人员也在空间太阳能电站研究领域持续发力，取得了相应的积极成果。目前，日本在众多技术强国的发展中后来居上。他们在世界上第一个将空间太阳能电站正式列入了国家航天计划，还提出了独特的分布式绳系太阳能电站理念，制定了“研究–研发–商业”三阶段的远景发展路线图。2015年，日本研究者成功开展了55 m距离的微波无线传能实验，验证了基于5.8 GHz、固态源和相控阵体制下的传输，DC-DC传输效率为9.88%，波束收集效率为66%，发射功率为1 800 W，在微波无线能量传输技术方面暂时处于世界领先地位。

从国内来看，2014年，国家工信部、发改委、科技部等16个部委联合组织了130余位专家开展了近一年的专题论证，形成了《中国太空发电站发展规划及关键技术体系规划论证报告》，是我国开展太空发电站关键技术攻关决策的重要指引。

2017年，为了更好推进研究工作，我国成立了空间太阳能电站推进委员会。2018年，我国首个空间太阳能电站领域的省部级重点实验室——“陕西省空间太阳能电站系统重点实验室”在西安电子科技大学挂牌运行。同年12月23日，陕西省政府在西安电子科技大学举行了“逐日工程：欧米伽空间太阳能电站地面验证系统”启动仪式。

从技术革新角度看，欧米伽创新设计方案（图3）利用球形聚光器线聚焦特点，将聚光器设计为任意轴对称的回转体，采用线馈源聚焦。通过微波菲涅尔场理论确定了收、发天线系统规模，确定了相关系统参数指标。同时，设计了一种无线耦合的方式进行能量传输管理，光电转换所获得的直流电可通过传输电缆送至高功率微波发射天线。发射天线通过大跨度调整索连接于主反射体“南北极”区域，连接结构的质量可大幅度降低。

图3 空间太阳能电站方案及在轨运行示意图

“逐日工程”空间太阳能电站地面验证系统位于西安电子科技大学南校区，其支撑塔为75 m高的钢结构。验证系统主要包括五大子系统：欧米伽聚光与光电转换、电力传输与管理、射频发射天线、接收与整流天线以及控制与测量。2022年6月，学校组织了世界首个全链路全系统的空间太阳能电站地面验证系统（图4）验收与鉴定。由4位院士、5位总师组成的专家组一致认为：该项目成果总体居国际先进水平，其中欧米伽光机电集成设计、55 m传输距离的微波功率无线传输效率、微波波束收集效率、聚光与天线等高精度结构系统的功质比等主要技术指标处于国际领先水平。地面验证系统的落成并投入使用，引起了美、英、德、日等多个国家主流媒体的广泛关注与浓厚兴趣，在国际空间太阳能电站与微波功率传输研究领域引起了强烈反响。

图4 “逐日工程”空间太阳能电站地面验证系统

编辑部：以中国天眼、逐日工程为代表的许多创新成果均出现在交叉学科，请您介绍一下电子机械工程这一交叉学科的特点。

段院士：电子机械工程是交叉特色非常鲜明的一门学科，主要任务是研究电子信息系统中的机械结构的分析、设计与制造问题，旨在保障电性能的成功实现。因为电子信息系统主要包括电子（磁、气）与机械结构（热可归于机械范畴）两部分，机械结构不仅是电性能实现的载体与保障，且往往制约着电性能的实现与提高。随着电子信息系统向着高频段、高增益、高密度、小型化、快响应、高精度的方向发展，机电之间呈现出紧耦合的特征。机电设计的分离，导致电子装备研制的周期长、成本高，装备性能低、结构笨重，已成为长期制约当前电子信息系统装备性能提高并影响下一代装备研制发展的一个悬而未决的瓶颈。电子机械工程的任务就是要破解这一难题。

进入新世纪以来，我们团队在长期致力于电子装备多学科交叉融合研究的基础上，逐步开辟了我国电子装备机电耦合研究的新领域。在这个崭新领域里，先后建立了电磁场、结构位移场与温度场间的场耦合理论模型，揭示了非线性机械结构因素对电性能的影响机理，提出了基于多场耦合理论模型与影响机理的机电耦合设计理论与方法，形成了初步的学科体系。

最近十年来，国家发展航天事业、建设航天强国的脚步加快，相关需求持续提升，我们团队又进一步将机电耦合技术研究向航天电子装备拓展，应用于星载天线、大型相控阵天线、微波功率传输系统的机电耦合设计中，为工程应用奠定了理论基础，特别是提出的大型空间可展开天线的系统设计理论与方法，进一步拓宽了结构与多学科优化的范畴。例如本期专栏文章《基于改进模糊综合评价法的射电望远镜可靠性评估》，旨在探讨人工智能技术与电子机械工程交叉融合，解决射电望远镜可靠性评估问题；《耐高温液态金属频率选择表面流道拓扑优化设计》则是材料科学与电子机械工程交叉产生的新方向。无疑，电子装备的学科交叉融合是一大发展趋势，前景广阔、方兴未艾。

编辑部：党的二十大报告指出教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。如何将科学研究和人才培养有机结合，培养工程科技拔尖创新人才？

段院士：党的二十大报告将教育、科技、人才放在一起进行阐述，意义重大，充分说明以习近平总书记为核心的党中央，对教育、科技、人才的高度重视。人才培养与科学研究是大学的重要职能，通过科研可提升学科建设和人才培养水平，为国家建设和社会进步提供源源不断的高水平专门人才，是大学尤其是研究型大学在社会主义新时代义不容辞的责任，而如何形成中国特色的电子机械工程学科人才培养体系与高水平师资队伍，则成为电子机械工程学科面临的重大挑战。

当前，随着新型电子装备快速发展，我国对电子机械工程的学科建设与人才培养提出了越来越高的要求。同时，新技术突破也在催生新的人才培养模式，其中两个特点尤为突出：一是更加重视理论和工程实际结合；二是更加注重多学科融合与交叉渗透。

因此，我们要求学生走出象牙塔，走向工厂车间，走向项目工地，因为那里有多学科汇聚的活生生的案例，可将教学与实践、继承与创新紧密联系在一起，是人才成长最快的场域。这种系统化的思维方式将教学与实践、继承与创新紧密地联系在一起。

以国家科技进步一等奖获奖项目“高密度柔性天线机电耦合技术与综合设计平台及应用”为例，它涵盖了力学、机械学、电磁学、热学以及控制科学与工程等多个学科，包括15个研究专题，参与的校内外单位达8家，各方向研究人员集思广益、协同作战，最后达成了团队成长和项目精进相得益彰的效果。

此外，在人才培养方面要注重传承，在固守本体的基础上再去创新。我从导师的身上就学到了很多终身受益的品质，比如持之以恒、踏踏实实做事等。另一方面是要把基础打牢，因打牢基础才能不断取得创新和突破。

我对研究生做科研的要求是，首先要了解自己所从事专业领域的最新动态，了解国际前沿，围绕国家重大需求，去研究怎么攻克难题。这方面的代表有王从思、张逸群等学生。以王从思为例，从攻读硕士研究生开始就瞄准大型微波天线机电热耦合国际前沿开展深入研究，博士毕业一年后晋升副教授，在两年后的2010年成为西安电子科技大学首批具有博导资格的副教授，又一年后破格晋升为教授。从参加973项目到主持973、重点研发课题，始终围绕国家重大需求探索新领域，如今已是国家级人才，行业领军专家。

坚持人才培养和科研相结合的模式，西安电子科技大学机电工程学院的电子机械学科在全国第五轮学科评估中晋升到A类，实现了重大突破，已培养出一大批奋战在一线的优秀博、硕研究生，绝大多数服务于国家重点领域、重要行业。毕业生中的半数以上成为中国电子科技集团有限公司、中国兵器工业集团有限公司、中国航天科技集团有限公司等大型国企的技术骨干，30%进入了华为、中兴等行业头部企业。

编辑部：您怎么看当前我国高端电子装备的发展现状？

段院士：高端电子装备的设计与制造水平是国家科技实力与水平的重要体现，是前沿技术、新兴产业、高端装备制造业的深度交叉融合体，在国民经济发展领域、国防军事装备领域具有广阔的应用前景。

我国高端电子装备设计制造在芯片、软件、关键传感器及控制器的部件上目前还受制于人、“缺芯少魂”，在材料、制造装备、工艺、测试保障上与世界发达国家还有较大差距、“筋骨瘦弱”，因此，亟待整体提升我国高端电子装备制造的能力和水平。

首先，应着眼长远，高度重视高端电子装备的集成攻坚，进一步突出其战略意义。前沿、颠覆性技术发明往往是工业革命的开端，而从技术应用到产业发展、生产力提升关键就在于装备制造。增强和提升数字化、网络化、智能化自主装备制造实力，不仅是当下急需而且事关长远发展。

其次，在高端装备制造业、战略性新兴产业发展上需进一步突出高端电子装备的支撑引领与辐射带动作用。在高端装备制造业、战略性新兴产业发展中，关键核心装备与高端电子装备及系统息息相关，如高档数控机床的数控系统，共形电子装备的增材制造技术，大飞机的飞控系统、航电系统、雷达，航天遥感测控系统，高铁的底层控制系统，机器人的控制器、减速器，海洋工程装备的电子传感装备，高档诊疗设备的核磁、影像设备及软硬件设备等，均是嵌入式高端电子装备，犹如装备的“大脑”和“神经系统”。因此，集中力量解决好制约高端电子装备设计与制造能力提升的瓶颈问题，有利于整体提升我国装备制造业的信息化、智能化程度。

最后，应采取多元化、多样化发展模式，推进高端电子装备制造在经济、科技等多领域的渗透与深度融合。一些关键共性技术的突破和系统制造能力的提升，既需要基础理论支撑、重点研发支持，也需要大量资金投入、市场机制统筹。因此，以多学科、多元化、多样化模式发展高端电子装备制造，是融合经济、科技等多领域需求，促进系统化、协同化、多体系创新发展的必需，有利于解决我国高端装备制造受制于人的瓶颈问题。

我们应学深悟透总书记关于教育、科技、人才的重要论述，深刻领会科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力的重大论断，切实增强推进教育、科技与人才发展的责任感、紧迫感、使命感。着眼国家重大需求，瞄准更大空间、更远目标，坚持深耕电子机械工程的学科建设、人才培养与科学研究，夯教学之基，扬科研之帆，举学科之旗，不断开创电子机械科学研究、教育教学、拔尖创新人才培养的新局面，为世界科技强国建设贡献力量。