现代工程和技术科学带动工程技术进步并引导经济发展

2022-03-24孙海鹰

科技中国 2022年2期

关键词：工程技术科学工程

■文/孙海鹰

作者：陕西省科技厅原厅长

现代工程和技术科学对科学技术和国家经济社会发展都具有巨大的带动和推动作用。新时代要求以现代工程和技术科学带动基础科学和工程技术发展，通过提升工程技术水平，实现经济快速跨越发展。

一、现代工程和技术科学带动工程技术进步并引导产业发展

（一）技术科学的本质是“使工程技术活动克服经验的局限，建立有科学基础的工程理论”

技术科学最重要的本质是将基础科学中的真理转化为人类福利的实际方法的技能（钱学森，1948）。技术科学的目标首先是为工程技术(广义上泛指一切应用和技术领域)提供有科学基础的工程理论，进而带动和领导产业的发展，而自然科学的核心是为了理解和认识客观世界的规律（郑哲敏，2001）。

实际上技术科学的概念从古希腊到美国都出现过。亚里士多德认为，知识有三个类型、三个等级：第一类叫经验知识，它的特点就是知其然而不知其所以然；第二类是技艺知识，高级一点，知其然又知其所以然，但技艺还不是科学；第三类知识是等级最高的知识，其与技艺的区别在于，它是为自身的目的而存在的，因而是纯粹的知识，无用的知识，追求为学术而学术，为科学而科学，是典型的希腊科学精神（吴国盛，2020）。亚里士多德所说的经验知识、技艺知识、纯科学，与现代的工程技术、技术科学和自然科学类似。

冯·卡门的科研和教学实践充分体现工程科学（按照我国习惯，钱学森翻译为技术科学）的思想。钱学森在冯·卡门这一思想的影响下，自己总结二战中雷达、原子弹等提高综合国力的经验，从中看到了技术科学是一个国家从贫穷走向富强的关键。这一学科的主要之点是，摒弃过去科学和技术分离发展的弊端，在科学和技术之间架起一座桥梁，把科研成果和工程经验结合在一起，使之变成机器，如火车、汽车、飞机等现实的生产力和战斗力，这就是技术科学。技术科学思想通过冯·卡门带到了美国加州理工学院，钱学森进一步发展了这一思想（张劲夫，2001）。

钱学森的技术科学理论不仅从根本上改变了布什的科研线性模型理论，而且在实践中引导技术走出经验局限，在科学理论指导下尽快掌握核心关键技术，在政策举措上“抓中间带两头”，以技术科学带动基础科学和工程技术，建立现代科学技术体系，实现快速跨越发展。

（二）现代工程和技术科学引导产业革命和跨越发展

现代工程科学是既有科学又有技术，既有科学技术化又有技术科学化，是多学科融合的科学、技术、工程的一体化。在工程技术中有不断的科学发现和技术发明。

国内外许多案例证明现代工程和技术科学在产业革命中具有极其重要作用。20世纪70年代至今，特别是90年代以来，计算机、网络与通信技术的结合，手机的普及应用带来了第三次工业革命（信息产业革命）。每一次工业革命都带来新技术转移并应用于产业，科学发现和技术发明都在应用工程技术中不断涌现。

德国的经济发展比英国晚了一个多世纪，但德国人抓住了技术突破的时机，实现了工程技术和产业发展。如1856年英国人铂金发明了从焦油中提取苯胺染料，但这个技术并没有引起英国人的重视，德国以霍夫曼为首的科学家在此技术基础上继续以苯胺染料为突破口，深入科学研究，发展染料工业，进而发展医药工业、化学工业、合成橡胶工业，以苯胺染料工业带动了整个经济的发展，引起整个社会的变革。

1949年，美国发明了半导体，但是价格昂贵，一直不能产业化。日本索尼公司50年代起引进半导体技术，建立半导体研究所，研究目标是降低半导体的价格，经过几年努力解决了半导体的价格及其背后的科学问题，进而形成电子表、电子照相机、录音机、机器人等一大批新兴产业。

在医疗实践中，从发现癌细胞快速分裂增长到发现基因突变，再到发现免疫逃逸，这些科学新发现让人们有了新的认知，从而在治疗技术上分别从化疗放疗发展到靶向治疗、免疫治疗CAS-T。比如单克隆抗体从20世纪70年代发现，到用于许可治疗的药物Rituxan，经过了20多年。“新科学”发展的过程就是不断出现大难题并得以解决的过程。比如，阻碍单克隆抗体发展的是肿瘤的生物学特性，即使发现了肿瘤特异的蛋白质靶子，但怎样才能产生足够的抗体到达肿瘤部位？如何克服肿瘤对抗体的排斥？怎样避免患者的免疫细胞在抗体发挥作用前被吞噬掉（Roth，C.R.,2OO1）？单克隆抗体的发展经历了科学、技术、临床应用和产业的多次交替。技术科学是阶梯式的、跳跃式的，经验技术是渐进的、长期不断积累的，只有科学与技术融合才能不断取得成功。

伴随着每一次的科学革命和工业革命，大批现代工程和技术科学的发现发明不断涌现，并带动基础科学和工程技术的巨大发展。近70年来，全球取得的重大进展都是现代工程和技术科学的突破和进步。

硅谷高技术产业发展已经开始了现代工程和技术科学发展新模式，其电脑、操作系统、芯片、软件、互联网在市场对资源的良好配置中成为完整的大系统，成为技术革命和工业革命的引领者。人工智能的应用发展，是科学在不断引领高技术产业同步发展的典范。

截至2020年，日本有27人获23项诺贝尔奖。获奖项目中有6项属于基础科学（基本粒子等），17项属于技术科学。如化学反应过程的理论研究、导电性高分子、手性触媒之不对称合成研究、多样性抗体的生成和遗传原理、治疗蛔虫寄生虫感染的新疗法、细胞自噬的机制、蓝色发光二极管、开发锂离子电池等。日本的科学技术进步是从战后恢复期后的引进、消化吸收技术开始的。特别是科研人员的严谨、深入，注重隐性知识与显性知识的反复转换，即从技术向科学深入中实现了经济和科技发展的转型。

二、现代工程和技术科学是技术创新的基础

现代工程和技术科学源于应用、源于工程技术，又高于应用、高于工程技术。现代工程技术科学是科学技术与经济社会发展的结合部，是提升经济社会发展水平的主要切入点，是技术创新的基础。中国的科学技术是全球科学技术的一部分，既遵循普遍的规律，又有中国的特点。

（一）现代工程和技术科学通过技术向科学的深入提升产业发展水平

华为在全世界有26个研发中心，拥有在职的数学家700多人，物理学家800多人，化学家120多人。这些科学家有基础和能力加快研究计算视觉、自然语言处理、决策推理、芯片使能、训练和推理、框架及应用使能（Enable）等现代工程和技术科学。2020年3月29日“华为开发者大会”，华为将计算视觉领域的基础研究成果公开给业界，并发布计算视觉研究计划，有三大方向和六大子计划，均是现代工程和技术科学研究。

（二）现代工程和技术科学的突破促使工程技术取得重大发展

中国高铁已成为我国科学技术和创新发展的典范。中国科学院院士、中国工程院院士、车辆动力学专家沈志云教授（2020）在分析中国高铁的技术突破时指出，在科学指引下的技术发明才能成就技术上的重大突破。技术突破，成功研发350km/h运营速度的复兴号动车组；理论突破，高速列车耦合大系统动力学的建立和应用；试验突破，建成并运用高速列车再现实景的试验设备。中国高铁技术就是这样的重大技术突破！取得高铁技术重大突破的主要原因就是通过建立国家创新体系实现了科学与技术的最佳结合！科学发现是建立在系统研究和专业训练的基础上。

贯穿于产品研发全过程的是工程科学Engineering Science（即技术科学）。高速列车耦合大系统动力学建立全局仿真计算模型（高速列车系统动力学模型，弓网耦合系统动力学模型，线路结构系统动力学模型，机电耦合系统动力学模型，流固耦合系统动力学模型），仿真平台+耦合器协调，耦合仿真计算（子系统仿真计算，耦合模块计算，列车耦合大系统仿真计算），并全局优化，设计过程中重要动力学参数都经过上述过程反复核算，达到最优。

（三）现代工程和技术科学通过深入研究，在科学前沿和关键技术上取得双突破

西北工业大学刘东、张秋禹、张卫红、詹梅、李贺军教授研究团队（2021）致力于发现和解决航空、航天产业中在机匣服役变形控制、吸附分离材料与分离技术、结构减重、复杂构件不均匀变形机理与精确塑性成形规律、碳/碳及构件制备应用的共性关键难题等方面的“科学发现点”而取得技术突破，形成新理论、新方法，在科学前沿领域取得具有重大价值的成果，又为我国关键装备高端制造解决了关键技术、关键材料和部件。

山东大学朱维群教授（2021）从现有工业生产的反应机理出发，解决原理科学，开发“用碳（化石能源碳氢化合物）不排碳（二氧化碳）”，实现化石燃料能量和物质成分的同时高效利用，从而将化石燃料在能源利用过程中所产生的CO2直接转化为为CO2固定量最高、过程能耗最少的稳定固体产品。

（四）现代工程和技术科学促进产学研深度融合，共建共性技术平台，提高研发和创新能力

共性技术平台是在国家、行业、产业开发中普遍适用，以具有基础性、原理性的技术科学研究为主导，由产学研和各类主体协同共建、服务产业企业的管理、服务机构或研发组织。产学研深度融合是解决科技与经济的“两张皮”的有效途径。强化现代工程和技术科学，必将增强具有经验技术的企业和具有科学基础的高校院所合作的动力。产学研围绕产品工程技术科学深度融合建设共性技术平台，对大中小型企业解决普遍适用的核心关键技术都有极大作用。如由产学研结合成立的陕西MTO工程中心（2009）在取得煤气化制取甲醇和甲醇制取低碳烯烃共性技术的突破后，才带来一系列的新产品。中国的煤制烯烃、煤制乙二醇、加氢煤制油、煤制乙醇、中低温煤热解兰炭、焦油煤气分质高效清洁综合利用、煤制二甲醚、电石制PVC技术和产量均居世界前列。

（五）通过核心原理、核心算法、关键材料，提升装备系统水平

企业需要解决的核心关键技术，难点往往是核心原理、核心算法、关键材料、关键零部件问题，这些都是现代工程和技术科学问题。

工业机器人伺服系统及控制器是工业机器人产业成本占比最大的单元，达30%～40%，其市场被国外垄断。中科院海西研究院泉州装备制造研究所报告（2019），汪凤翔博士团队颠覆了传统磁场定位控制算法的思维，设计了全新的平行式交流电机预测控制策略及三相电流均衡式控制方法，简化了控制系统执行程序并大大提升了系统的效率和动态处理能力。他带领团队结合市场出现的大功率碳化硅功率器件，自主研制基于碳化硅的永磁同步电机预测控制系统，实现了国际先进的系统综合性能，其中效率及动态性能指标国际领先。

（六）通过解决零部件、器件极端环境下失效机理的科学问题，促进产品走向高端

企业的部件、器件、零件产品要走向高端，就必须进行极端环境下的精确性、可靠性、稳定性试验，在试验中找到失效机理，解决性能改变中的科学问题。

西安炬光公司半导体激光器和光学器件技术水平居世界前列，为若干大公司提供高端器件。刘兴胜博士通过实践认识到器件技术中有科学思考。原来多次不成功的原因是只知道工程技术，不知道背后的原理是什么。所谓“知其然不知其所以然”。他们设计了提升产品质量的“三部曲”，即“挑战—效应—科学问题”。先对器件进行高温、低温、高低温循环、高温高湿、高电流密度、冲击振动试验；第二步发现器件的性能有改变，如功率减低、寿命缩短、性能稳定性减低、光束质量降低、光谱展宽；第三步他们集中力量找出原因，如金属界面浸润性、空洞形成和扩展、电子迁移和电热迁移、焊接的不匹配性、金属扩散性，用五年时间逐一解决。他们说“理解失效机理，解决技术科学问题，才能设计和制备适合于极端环境下工作的器件。”

（七）通过现代工程和技术科学解决引进技术背后的原理机理问题，促进产业升级

所有引进的产品、技术和设备、装备，即便是给你全套图纸和样机，都不可能买回作为商业秘密背后的原理机理。所以对于引进的产品、技术和设备、装备，我们要以更大的投入来下决心搞清背后的原理机理问题，在此基础上实现超越和跨越发展。

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是电力电子装置的“CPU”。原南车株洲所收购英国丹尼克斯半导体公司75%的股权（6英寸IGBT），再投资15亿元建设国内第一条8英寸的IGBT芯片生产基地，成功开发世界最高电压等级的6500伏IGBT芯片。解决了芯片短路电流能力与关断能力难协调的国际性技术难题，在IBGT芯片设计、封装测试、可靠性试验、系统应用上攻克了30多项难题，掌握该器件成套技术，总体技术处于国际领先水平（湖南日报，2014）。