中科院力学研究所：为“科学技术是第一生产力”作强有力的注脚
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2005-08-07
走进中国科学院力学研究所位于北京中关村的主楼，门厅两侧是两面“院士墙”：西面墙上挂着13位在力学所成为院士的科学家的照片，东面墙上还有10位，他们曾在力学所工作，离开力学所后成为了院士，照片下方简单介绍了每位科学家的经历和科研成果。区区23张照片却印证出，力学所既是一个包容收纳贤才之所，也是一个培养输送人才之所。她创建于1956年，是我国惟一的力学多分支学科的、以基础性研究为本的国家级力学研究基地，在国际力学界具有相当影响。
2001年5月11日，中国科学院院长办公会上，力学所的创新试点方案获得通过。6月上旬，力学所正式进入中科院知识创新工程试点全面推进阶段。同年，国家科技部和基金委联合发布的《中国基础科学发展报告》中指出，力学学科的发展前沿在于：跨物质层次和多尺度的力学理论、非线性和远离热力学平衡的力学理论、虚拟化与智能化的力学设计、学科交叉与多场耦合等4个方面，该报告还展开列出力学学科发展前沿的9个热点。2004年召开的ICTAM（国际力学界最重要的学术会议）上，从大会报告、讨论及提交的论文来看，国际力学界和我国学者关于力学学科前沿的认识是一致的。
在二期创新试点工作期间，中科院力学所的重要研究贡献正是围绕上述前沿问题和国家重大需求做出的。2001~2004年，力学所论文发表总数1444篇，其中SCI论文516篇、高端论文99篇（相关学科前15%的SCI期刊论文）、CSCD论文557篇、ISTP论文113篇、其它论文278篇。专利申请和授权方面，申请总数232项，其中发明专利139项；专利授权总数134项，其中发明专利51项。
走在力学研究的浪尖风口
有关微尺度力学和跨尺度的力学理论研究，是力学所的代表性成果之一：建立了可压缩Fleck-Hutchinson型塑性应变梯度理论，在国际上率先提出了以位移导数为基本变量的有限元方法，为应变梯度理论数值分析提供了有效的工具，对该理论的广泛应用起了实质性的推动作用；在国际上独树一帜地发展了基于量纲分析的材料纳米硬度的标度理论；基于Instron微力材料试验机，成功开发深度测量压入功能，将目前MTS纳米压痕测试系统最大载荷0.5
N的压入功能拓展至1 kN，从而实现了宏观尺度下深度探测的显微硬度测试功能，解决了特殊生物材料样品在微米尺度力学性能测试的难题。
力学所这方面的成果在国际上产生了重要影响，研究人员被多次邀请作国际学术会议的大会报告，论文被SCI期刊他引800余次。郑哲敏院士的工作被收录到国外的《纳米压痕》的专著中单独作为一章，并被称为“CC方法”（CC
method）。由于在相关方向上长期的研究积累，2004年他当选为国际理论与应用力学联合会（IUTAM）8位执委之一，这是目前我国科学家在力学领域最重要的国际学术机构中担任的最高学术职务。白以龙院士于2002年当选为欧洲科学院院士，并成为IUTAM理事。
21世纪流体力学面临的突出问题是复杂流动，包括湍流、多相流、物理化学流动、微尺度和稀薄气体流动等。力学所在过去的5年中，在复杂流动方面开展了理论、数值和实验研究，并应用于航天、环境和材料工程等，取得了代表性的成果：建立了映射封闭逼进方法，正发展成为湍流新的解析理论；发展了依赖于历史的亚格子模型，反卷积技术和剪切流中的时空关联模型，为大涡模拟应用于航空噪声等非定常问题提供了新方法；针对可压缩复杂流动，构造了一系列既能正确分辨小尺度流动，又能抑制数值解中非物理振荡的高精度差分格式；获得了流动经多次分叉与转捩的非线性动力学途径以及流动经过旋涡位错的形成与破裂向湍流转化的新的动力学途径；提出并发展了IP方法，已成为稀薄气体流动、微尺度气体流动数值模拟的主要方法之一。
有关复杂流动的论文被SCI期刊他引300余次，得到了国内外广泛的认可，具代表性的有：李家春研究员2003年在力学顶级期刊发表有关环境力学的长篇综述论文，同年，由于他在环境力学和相关领域的突出贡献，当选为中国科学院院士；关于映射封闭逼近方法的成果被美国依阿华州立大学特邀作专题演讲；斯坦福大学在2002年论文集的序言中，称力学所关于时空关联的工作“为大涡模拟提供了新的方法”。
生物力学研究生命现象中的力学问题，是力学与生命科学的交叉领域，21世纪生物力学和生物工程将向宏观和微观并进、宏观与微观相结合转移。鉴于此，力学所在试点二期部署和强化了这一新的学科生长点，取得了如下重要的进展：选择素-配体反应动力学研究中，联合发现了“逆锁键”的存在，并获得了选择素分子长度和取向对受体-配体反应动力学性质的影响以及选择素氨基酸替代对受体-配体反应动力学性质的影响规律，其成果已在Nature上发表（Nature,
Vol. 423: 190～193,
2003）；结合多元蛋白质芯片的特点研制了多通道微型芯片加样反应和检测系统，目前已经完成样机，并在合作研究医院的相关检测中获得了预期的效果；在生物陶瓷材料、软骨材料、昆虫翅膜材料的微结构和力学性能研究中，获得了这些材料优异结构和功能特性的力学基础。
在学科交叉与多场耦合方面，力学所建立了智能材料新的本构理论和相关断裂力学问题的新解法（力－电耦合）；填补了国内在高焓高速气流中光电特性分布的试验数据空白（力－热－电磁耦合）；在等离子体与电磁波相互作用的机制研究方面，取得领先性的成果（电-磁-流体动力学）；利用损伤力学的概念，发展了加卸载响应比理论，成功预测多次国内外的地震（力学与地学的交叉）；另外在MEMS的动力学机制与失效（力学与微电子、极端制造等的交叉）、生化传感器与分子马达等（力学与生命、化学）问题的研究中都取得了国际影响的研究结果。
全力满足国家重大需求
空间科学是显示一个国家整体竞争力的领域，瞄准国际空天竞争的制高点，力学所的国家微重力实验室已经成为了我国微重力科学的中心，并在国际上具有重要的影响。建成了我国第一座110米高的微重力实验落塔，其中落舱有效微重力时间3.6s，微重力水平10-5g，落管有效微重力时间3.3s，微重力水平10-7g。利用自行研制的通用流体空间实验装置在“神舟”四号飞船上成功进行了液滴热毛细迁移空间实验，实验观察到了新的大Marangoni数液滴热毛细迁移的非线性动力学特征等重要结果。另外在中俄航天合作项目、“尖兵”四号卫星、“育种”卫星等空间微重力科学试验中都取得了阶段成果。
在一系列成功的微重力空间科学试验基础上，力学所实现了科学实验装置全自动无人操作以及遥测遥控等先进的空间实验技术，在我国首次实现了微重力空间实验的遥操作，标志着我国微重力科学实验上了一个新台阶。在国际上第一次获得微重力环境中稳定的两相流流型，成功完成了液滴迁移实验，得到长时稳定的大Marangoni数液滴迁移实验数据。有关多相流动和微重力燃烧的研究，为我国载人航天工程中的流体管理、热管理和防火安全等重大工程问题提供了理论基础，使我国成为具备自主空间实验能力的少数几个国家之一。由于在我国载人航天工程的空间科学试验研究方面取得了重要的成果，力学所（完成单位之一）和胡文瑞院士（主要参加者）获得了国家科学技术进步特等奖。
高超声速飞行技术是21世纪迅速发展的领域，国际上的航空航天大国均投入巨大的人力、物力和财力开展相关的研究与开发工作。在试点二期期间，力学所对高超声速推进技术及其实验模拟开展了基础研究和关键技术攻关，解决了高焓和高超声速推进模拟技术，在超声速燃烧和脉冲爆轰两种先进推进方法上取得了突破性的阶段成果。高焓流动地面模拟技术获得成功后，德国亚琛工业大学、日本东北大学以及美国NASA-Ames中心先后采用了该方法。同时，这一重大创新性进展的部分工作入选“863”计划15周年优秀成果，作为新概念新构思探索项目展览，研究成果也相继被中国空气动力学会评选为2002年、2003年空气动力学重大研究进展。
材料的三大失效方式即疲劳、磨损、腐蚀均与表面层相关，表层是要害部位。力学所在材料表层工艺与力学方面的研究工作主要集中在激光表面改性与智能制造、等离子体物理与等离子体喷涂、剧烈塑性变形表面纳米化等方面，重点发展国家安全和国家建设急需的关键工艺及相关的成套装备技术，同时，建立材料表层性能和质量的表征理论以及检测与评价方法。通过对典型材料和典型产品表面加工工艺过程的机制探索，形成材料工艺与力学的学科交叉，逐步找到工艺参数——微观结构——性能参数之间的定量关系，对发展材料表面工程技术起到了示范性的推动作用。
瞄准我国未来石油资源的主要方向，力学所联合中科院相关单位，与中国海洋石油总公司合作，开展了海洋油气资源开采中的关键科技问题研究。经过几年的努力，在三相分离与计量、平台检测与隔振、内波、海床运动及其对管线的影响、平台基础稳定性等方面取得了系统的进展，合作方将中科院纳入“十一五”的合作伙伴。另外，力学所在深海平台、深海空间站、天然气水合物等方面都开展了前期的研究，为海洋石油长远的发展做了关键性的技术积累，同时促进了相关国家重大专项的立项。
以环境流体力学的基础研究为出发点，力学所在河口/海岸带的复杂流场结构及其特征、土壤入渗/产流的理论及复杂地表条件下的坡面流模拟、坡面侵蚀动力学行为等方面取得了重要进展，这对于水土保持、水体富营养化的防治、河口海岸治理与洪水防治提供了理论依据和方案。同时，力学所正逐渐成为我国环境力学的中心，受国家自然科学基金委的委托，力学所正在主持确定我国环境力学的学科发展规划。
在滑坡灾害的预测与防治方面，2004年10月15日，力学所的“滑坡实时监测系统”成功安装在重庆市北碚区醪糟坪滑坡。该系统具有实时自动监测、无人值守、全天候服役、测点间距大、精度高、安装简单、制作和使用成本低等诸多优点。实践表明，该系统具备了工程应用的条件，现在，监测结果每天向重庆市政府国土资源与房屋管理局通报，并已经公开上网。该系统提供了获得滑坡灾害原始数据的新途径，为实施滑坡预测预报创造了有利条件。同时，力学所研究人员对于滑坡监测与治理方面的建议，在国家领导人的批示下，得到了有关部门的采纳。
此外，力学所在先进制造方面取得了较好的进展。例如，研制出国内首套“集成化激光智能制造及柔性加工系统”，在智能测量、机器人多轴联动、激光加工虚拟过程仿真、光学变换等方面拥有自主技术，并建立起适应激光智能制造的虚拟仿真平台，有关装备已经交付上海大众汽车有限公司。又如，力学所在三峡升船机的动力学特性与安全性评估方面，自主进行了深入研究，研究结果得到了国家三峡建设委员会办公室的高度赞扬，将对我国自主发展大型升船机提供重要支撑。
力学所以研究所为单元进入中国科学院知识创新工程试点全面推进阶段（试点二期），对力学所的发展意义深远，一批满足国家重要需求和引领学科前沿的成果，正在不断形成、显现和酝酿中。不难看出，作为一个以基础性研究为本的国家级力学研究基地，力学所不仅在科学理论研究上大跨步地前进，不少成果获得了国内外科学界的赞誉，而且积极主动地把科学研究成果与国家需求紧密结合起来，为“科学技术是第一生产力”作了一个强有力的注脚。
[科学时报]
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中科院力学所：优化科技布局 着“力”培养创新人才
微重力实验落塔
进入中科院知识创新工程试点全面推进阶段后，力学所始终把学科布局优化和凝练科技目标作为科研工作的重中之重。为此，学术委员会专门成立了学科规划工作小组，以青年骨干研究人员为主，充分采纳院士和资深科学家的意见和建议。
根据我国国家建设对力学提出的需求和力学学科发展的前沿，力学所突出“微系统科技”、“气动科技”、“微重力科学”、“重大工程”4个方面的重点科技领域，布局8个主要研究方向：纳米/微米尺度力学与微系统力学；复杂流动过程及其规律；高温气体动力学与高超声速飞行技术；微重力科学的前沿问题；细胞与分子层次的生物力学与技术；海洋油气采输的力学问题与关键技术；西部开发中的工程力学问题；材料工艺与力学。按8个方向组织创新项目，其中6个项目按现有的研究部门组织队伍，两个项目是广泛跨基层部门组织队伍，形成了非实体的“复杂流动过程及其规律”和“材料工艺与力学”的跨室联合研究团队。
高焓激波风洞
力学所的战略目标是为我国空天领域和海洋与环境工程领域的跨越式发展提供基础性和战略性的科学支撑。围绕上述国家目标的科技工作包含的科学问题是复杂介质和极端条件的力学行为。其中，特别要在微尺度力学和跨尺度关联、复杂流动规律、力学与生命现象的耦合方面酝酿原创性的基础研究成果。同时，力学所重点建设4个平台：高超声速飞行技术平台、微重力科学平台、微尺度力学平台、流固土耦合与海洋工程平台。
为了实现上述科技发展的框架，力学所进行了一系列的政策和措施的调整。根据新的科技布局，重新确定了所内的学科设置，并对每个学科的人员及岗位数目进行了核定和评估。在此基础上，整合建立了34个创新课题组，赋予课题组长在人员、绩效分配、资源争取等多方面的权力，以增强课题组这一创新基本单元的创新能力。
最近，力学所正在积极筹划组建生物力学中心以及国际力学中心，加强在相关方面的力量整合，以期进一步提升在基础研究方面的国际影响力。
在科技布局的优化中，力学所始终瞄准有重大集成度和显示度的成果，鼓励原始创新和学科交融。但任何科研目标的实现和科技布局的成功都依赖于人才这个决定性因素，为此，力学所学术委员会成立了人才培养与引进工作小组，其工作职责是根据力学所的人才战略提出人才培养与引进的措施，并协助实施。同时，力学所学位委员会在研究生培养中发挥了重要作用，从提高生源质量、监管培养过程、畅通就业渠道等方面，提出了很多建设性的建议，并制定了一系列的规章制度来规范研究生培养。
高超声速推进实验装置
几年来，力学所通过中科院“百人计划”凝聚了一批优秀骨干人才。获支持的“百人计划”人员共12名，其中4人在2001年至2004年期间获国家杰出青年科学基金，2人担任所级领导职务，6人担任重点实验室领导职务。2001至2004年期间，从国内外新聘创新岗位人员42人，其中具有博士学位35人、硕士学位5人，平均年龄33岁。大多数新聘人员已经成长为科技骨干，发挥着重要的作用。
围绕研究所的总目标和发展战略，力学所一方面为青年学术带头人搭建学术舞台，使他们有机会承担重要项目、负责装备建设、组织重要学术会议等；另一方面，充分发挥老科学家的作用，通过实施“学术顾问”制度使一批资深研究员为力学所的发展继续贡献力量。目前共聘任“学术顾问”15名。
作为在国际上有重要影响的研究机构的重要特征之一，力学所有21位科学家在40余个国际学术机构和国际学术期刊编委会任职。其中具代表性的有：郑哲敏院士任国际理论与应用力学联合会执行委员、美国工程科学院外籍院士；吴承康院士任国际《等离子体化学与加工》杂志编委；白以龙院士任欧洲科学院院士、国际理论与应用力学联合会理事、国际《冲击工程》杂志编委；胡文瑞院士任国际宇航科学院院士、国际空间研究委员会微重力科学委员会副主席、国际宇航科学院小卫星计划委员会委员、国际《微重力科学与技术科学》杂志编委；李家春院士任国际《沉积》杂志编委；洪友士研究员任国际《工程材料与结构断裂疲劳》杂志副主编等。
2001年至2004年，力学所有4名青年科技人员获国家杰出青年科学基金；1人获院“青年科学家”称号，1人获院“优秀青年”称号，3人入选“首批新世纪百千万人才工程国家级人选”；13人获力学所青年优秀科技工作奖。中青年科技人员作为项目负责人的约占70%，正在成为科技工作的骨干，并显示出较强的科技竞争实力。
由于充分重视研究生教育，力学所已经成为力学高级人才的培养基地。为社会培养、输送了一批优秀人才。2001年至2004年，共授学位142人，其中博士学位70人，硕士学位72人；出站博士后44人。
[科学时报]
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