当代工程技术发展的五大特点，本文主要内容关键词为：五大论文,技术发展论文,当代论文,工程论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
进入20世纪，由于自然科学领域的重大发现和技术科学领域的不断创新，工程技术发展的步伐加快了，对经济建设和社会发展的影响也更为显著。
一、信息技术革命在产业化过程中的作用日益增长
人类社会赖以生存和发展的三大要素是物质、能量和信息。在农业社会中，人们对物质的认识比较深刻而对能量的认识较少；在工业社会中，人们又普遍认识到了能量的重要性。现代工业社会可以说是建立在物质和能量的基础之上的；而以往的产业革命，可以说是在挖掘劳动资料的机械、物理和化学属性的潜力。但是，与以往产业革命不同的是，在推动当代社会进化的能量流、物质流、信息流中，信息流起着越来越重要的作用。
1958年研制出第一块硅集成电路，从此信息技术由电子管、半导体器件跨入以集成电路为基石的阶段而飞速发展。 专家们一致认为：近30年来，信息技术在世界新技术革命中一直处于核心地位；它不仅作为一项独立的技术而存在，还广泛渗透于其它各个技术领域，成为它们发展的基本依据和重要手段。电子信息技术能优化现代生产过程的控制、物质流动过程的控制和金融资本流通过程的控制，使得计算机乃至更小的信息处理装置能够嵌入到控制生产过程的装置或设备之中，从而大大提高能源和基本物质的利用率，从根本上促使工程技术与生产力更为紧密地凝结在一起。这种倍增器的作用和效能，已成为越来越多人们的共识。
仅举电子信息技术在第三产业中一个应用实例作点补充，即正在迅速发展的信用卡由磁带型向芯片型转变。芯片型信用卡可携带的信息量比磁带型更大（10～100倍），能执行身份证、信用卡、通电话付款、 乘公共车付款、自动付款机用卡、医疗用信息卡等多种功能。芯片型信用卡（或称“灵巧”卡）是由电话通讯的需要引发的。美国通话费用很低，为防止被人滥用，只需附装磁带型识别、确认器（reader）就足够。而欧洲电话费用高，欺诈、盗用率高而且呈上升趋势。80年代中期法国即开始发展芯片型“灵巧”卡，以替代磁带型卡，发行量已达2 千万个。而代替现金和支票进入商业流通中的付款用“灵巧”卡已开始在美国、德国、澳大利亚等国家应用，发行量达到百万量级。据经济学家估计，在各种商业交易中使用付款“灵巧”卡后，可节约4%。 而且现金不呆滞在个人身边而存在银行的利息也是可观的。
信息和知识具有全球扩展、光速传输、非线性效应、用之不竭、多方共享等独特功能，已成为信息时代的生产要素。正象海湾战争和波黑冲突初步表明的，信息和知识在战争中能发挥重要作用，是重要的毁灭（杀伤）力量，也是力量倍增器。信息技术改变了过去单纯以计算有多少装甲师、航空联队、航母战斗群来衡量军事能力的传统观念，现在还必须考虑一些无形的力量，如计算能力、通信容量和可靠性、实时侦察能力……战争实践表明，“计算机中一盎司集成电路芯片产生的效应也许比一吨铀的作用还大。”
总之，信息技术正在改变原有社会产业结构和经济结构，改变人们的劳动方式和生活方式，改变社会生产组织和管理体制，成为决定生产力发展迅速和经济竞争力高低的关键。这是当代工程技术发展的最为重要的特点。
二、微观尺度生产领域制造技术的演进与革命方兴未艾
1.微电子技术的发展，为信息技术革命提供了最坚实的物质技术基础。
微电子技术已经历了大规模（LSI）、超大规模（VLSI）、 特大规模（ULSI）集成时代，并于1995年进入吉规模（GSI）集成时代。 “吉”是千兆或十亿的意思， 即集成度达到256 兆位动态随机存贮器， 在350平方毫米的芯片上集成5亿个元件。已上市的这种产品为大于6 百万个元件，相应的微细加工尺寸为0.35微米。这种情况还在继续，预计上千万个元件、微细加工尺寸达到0.25甚至0.16微米的芯片不久即可上市。半导体材料的发展由最初的锗到硅再到砷化镓，生产制造工艺经历了平面型工艺，分层工艺，图形产生（光刻）以及硅平面型技术的标准工艺和集成电路经济规模的生产制造工艺的演进过程。
计算机已经改变了人类社会的面貌。推动这场正在进行中的革命的动力就是微处理机。由于生产制造工艺的不断进步、创新，从大规模集成电路芯片研制成功的25年以来，其集成度每隔18个月就翻一番，而每隔3年就能以同样的价格买到性能比3年前高4倍的芯片。 这种状况似乎是罕见的。然而，随着微细加工尺寸达到深亚微米，目前使用紫外线刻制电路的光刻技术会出现一些技术障碍（最高分辨率受到光线波长的限制）。转用X射线来生产集成度更高的芯片， 制造工艺装备更新又将要求巨额投资。因此，不少科学家预测，今后微电子技术的发展从本质看将是渐进性的，而不再是革命性的。即便如此，到2020年，大规模集成电路芯片仍将使微处理机的软件发生革命性的变化，其计算能力十分惊人。
2.微机械技术会象微电子器件一样给社会带来深刻影响。
微机械技术是指在几厘米以下及至微米尺度上制造微机械装置。
电子计算机和集成电路威力巨大，但究其实质，只不过是对电子的运动进行通断控制。在今后50年中，微机械装置将为电子系统提供通向外部物质世界更加直接的窗口，使它们可以感受并控制运动、光、声大热及其他物质作用。
微机械与电子系统的结合（被称为微机电系统），将在众多的科学和工程领域取得巨大的技术进步，使得各种各样的微型装置得以面世。例如，美国加州大学的一个工程师小组想要展示一个微机电系统最终是如何影响空气动力学设计的，他们概述了替换机翼的相当大的活动表面的技术概念，计划在翼表面镶上几千条150微米长的平板， 静止时它们平铺在机翼表面；加电压时，平板一端从表面升起（最大角度达90°），因而能控制流过机翼横截面的空气涡流。传感器可以监测机翼的高速气流并发出信号以便调节平板的位置。这些活动的平板（即作动器），具有类似于常规飞机巨大襟翼微观改型相同的功能。翼面控制的微调将使飞机转弯更快，飞行更平稳，并且因飞机效率更高而节省燃料。由这种“灵巧蒙皮”获得的附加气动力控制能力，可能导致飞机设计的根本性变化；去掉襟翼、舵甚至机翼，使飞机从“带翼圆柱体”变成“飞翼”。
专用集成微型仪器的原型已可以探测局部地区和遥远地区的环境。专用集成微型仪器将引起航天器和航天系统技术的深刻变革，将可能产生重量小于0.1公斤的纳米卫星。用五六百个这样的卫星覆盖全球， 完成监视和信息转发；再用无人机等撒布神经系统、植入了微机器人电子失能系统的昆虫进行侦察、破坏甚至杀伤……胜似神话，不是神话。
3.纳米级制造技术将是微观尺度生产领域另一惊人发展。
纳米技术是指在0.1～100纳米（10[-9]米）尺度上研究和利用原子和分子结构、特征及其朴素作用的高新技术。它的最终目标是直接以分子、原子在纳米尺度上制造具有特定功能的产品，实现生产方式的飞跃。自1990年3 月在美国召开世界上首次纳米技术学术会议之后的短短几年间，这个领域取得了日新月异的新成就。研究者们认为，作为纳米技术重要组成部分的纳米电子学，将是纳米技术发展的主要动力，它将立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的概念来构造电子系统，超越传统的极限，实现信息采集和处理能力的革命性突破。例如，有关专家估计，利用纳米技术将可能使美国国会图书馆的全部藏书存储在一个直经为0.3米的硅片上。
微米级制造工艺包括光刻、刻蚀、淀积、外延生长、扩散、离子注入、测试、监测及封装。纳米级制造包括微米级制造中的一些技术的延伸，如X射线、电子束、离子束刻蚀、 但也包括对材料进行原子量级的修改与排列的技术。目前这种技术仍处于实验室研究、开发阶段。
纳米技术的另一诱人研究方向是发展分子器件和生物器件。自然分子机器（如核糖体）的普遍存在导致人们设想人工分子机器，像分子装配机器、基于分子装配的复制、机械纳米计算机和细胞修复机器等。更重要的是，生物分子制造物质的真正优点是它们能自我组装。研究人员希望未来能研制出由单个分子组成连线和晶体管的分子电路，最终是实现分子电脑。
在纳米技术中，纳米电子学与纳米生物学既相互联系又相互促进。最近，用原子力显微镜对DNA （脱氧核糖核酸）分子链上的任何确定部位进行了分子切割。这类手术再结合分子操纵，是迈向在纳米尺度上改选基因的重要进展。第一代分子机器是生物系统和机械系统的有机结合体；第二代分子机器应是能直接从原子、分子装配成有一定功能的纳米尺度的装配装置，第三代分子机器将是含有纳米计算机的、可人机对话的并有自我复制功能的纳米装置。分子机器一旦研制成功，它能在1 秒钟内完成数十亿个动作，用足够多的分子机器就可以在几秒钟或几分钟内完成现在几天或几个月才能完成的工作。
三、材料技术成为不同工程领域产业化的共性关键技术
材料技术的发展趋势主要体现在两个方面：
一是功能材料的小型化、信息化。功能材料的使用性能主要是光、电、磁、热、声等功能性能，它是各种高、新技术蓬勃发展的基础和先导。这些具有优异的电、磁、光、声或超常的力学、热学性能的新型功能材料，种类多，用途广且自成体系，对信息技术及其新兴产业的发展起到了极大的推动和催化作用。
信息材料中还包括敏感材料、光导纤维材料、信息记录材料等，它们分别是信息探测传感器、信息传输和信息存取必不可少的材料，在民用和军用方面都大有可为。
新能源材料有光电转换材料、超导材料、高密度储氢材料和高温结构陶瓷材料，它们是为开发新能源而研制成的。
二是结构材料的复合化。结构材料在产业化中一直发挥至关重要的作用，从日常民用和工业、建筑，到汽车、飞机、卫星、火箭等，所有这些均以某种形式的结构构架获得其外形、大小和强度。今天汽车用的大部分结构材料为钢，飞机为铝合金，它们有其自身确定的强度／重量比值，强度的大小直接与重量有关，这在工程设计上是矛盾的。当代新型结构材料的发展表明，追求高强度、高模量、耐高（低）温和低密度材料的方向就是结构材料的复合化。目前所谓的先进复合材料，一般是指具有比强度大于4×10[6]厘米和比模量大于4×10[8]厘米的结构复合材料。
复合材料设计中的仿生技术也是近来发展较快的一种技术。
材料发展中的一种新趋势是结构材料和功能材料的互相渗透，即结构材料的多功能化和功能材料的结构化。这正是材料发展中的综合集成。
除了上述材料技术两个方面的发展趋势外，还有以下两点值得注意。一是高温氧化物超导体的发展和进展。1986年，伯诺兹和缪勒发现临界温度为35K的镧钡铜氧化物超导体，在科技界引起巨大的反响。 不久液氮77K温区钇钡铜氧化物超导体被发现，随后短短几年内共找到100多种氧化物超导体，其中临界温度最高的已达135K。虽然这种高温超导机制还有待深入探讨，但在应用研究上已取得不少重要进展。
另一前沿领域是纳米材料，即晶粒尺寸一般为10～100纳米（10[-9]米）的材料。由于晶粒尺寸减小，其比表面能变化，使其对光、电、 机械应力作用的反应能力与微米级、毫米级晶粒有很大不同，用纳米材料制造的成品具有一系列优异性能。
四、生物技术为农业、医药、化工、环保和国防的发展带来重大变革
至今，生物工程应用于工业化生产的，主要是微生物。微生物具有比表面积大（代谢活性强）、转化能力强、繁殖速度高（20分钟一代，24小时可繁殖成4×10[20]个）、变导与适应性强、 分布范围广等优势。应用于能源工业，通过微生物发酵或固相化细胞或酶的技术，可将绿色植物秸杆，木屑，工农业生产中的纤维素、半纤维素、木质素等废弃物转化为液体和气体燃料（酒精和沼气）。应用于冶金工业，发展出了细菌冶金技术，如利用氧化亚铁硫杆菌的氧化作用，可从含硫、砷矿化物的金矿石中除去硫、砷、浸取黄金。据报道， 加拿大建有日处理100吨含金矿石的工厂，提取率近100%； 还可利用某些微生物的聚集和吸附黄金的能力。
用于化学工业，则产生了生物降解塑料技术。在一定条件下，如光、热、水份、氧等作用下，组成塑料的高分子链发生断裂，使分子量降低，伴随着机械强度、延伸率降低，到分子量足够低时，最终能被微生物所利用，这个过程称为降解。新型生物降解塑料可彻底消除由塑料膜引发的“白色污染”，具有价格低廉、不污染环境等优点，是替代不可分解的塑料的理想产品。
目前还出现了一种所谓“EM生物技术”。“EM”是“有益微生物群”（Effective Microorganisms）的英文缩写，用它萃取的“EM”粉（液）可降解土壤中化肥、农药残留的有害成份，不仅有助于作物增产，而且可避免环境污染。“EM”中有一种可能生存于700 ℃以上高温环境的微生物，将掺有这种微生物的粘土烧结成“EM陶瓷”，制成汽车油箱、发动机缸体的内衬，可以明显提高燃烧效率，减少尾气排放，净化城市空气。含有“EM陶瓷”的再生塑料可用于加工能自行降解的保鲜袋，里面的大米可在4年内无虫蛀、不霉变。
生物技术也有广泛的军事用途。例如，开发生物传感器，提高对毒剂、炸药和麻醉剂的实时探测与识别能力，提高非声水下探测能力；研制特种生物材料，如单兵或集体防护用的自消毒材料的催化聚合物等。
总之，生物技术的冲击波将改变各种产业结构，改变整个工业、农业、医药业的根本面貌，甚至将使政治、法律、伦理观念和人类文明产生新的变革。
五、综合集成在工程技术最终转化为生产力过程中发挥着关键作用
当代工程技术发展的另一重要特点是，综合集成在工程技术转化为生产力的过程中发挥日益重要的作用，也是工程技术转化为生产力过程的最终的、最为关键的环节。综合集成可以弥补单元产品的不足；更重要的是，综合集成可以使原有的工业界限或极限不断得到突破。当代工程技术的竞争更多地体现在综合集成上。综合集成既是一门工程技术，也是一门艺术。综合集成是我们面临复杂工程系统挑战的工具，是方法论，也是实现工程技术向现实生产力转化的重要手段和途径。
综合集成包括以下几方面的工作：系统工程，软件集成，综合集成演示，科学的计划管理。
综合集成的事例很多。如柔性制造系统（FMS ）可以把若干台数控加工系统、物件搬运系统、上下工件系统（回转式转盘和工业机器人）、立体仓库、优化调度（信息控制）系统综合集成在一起，形成较完整的生产体系。
80年代开始出现的计算机集成制造系统（CIMS），又进一步将计算机辅助设计（CAD）与制造（CAM）、柔性制造单元与系统（EMS ）和管理信息系统（MIS）综合集成起来，以适应市场竞争中多变化的需求， 获得多品种、中小批量产品生产的高效益。
90年代又出现了并行工程（Concurrent Engineering）工作模式，对产品及其制造过程和支持过程进行并行、一体化设计、运行与管理。这种工作模式力图使开发者们从一开始就考虑到产品全周期中的所有因素，包括质量、成本、进度和用户需求。它是一种新的系统工程管理方法，要求在产品开发的全过程中加强各部门之间的协同与合作，按并行方式而不是串联方式进行。它利用先进的计算机辅助工具，通过大量信息和数学仿真的综合集成，分析和预测产品开发全过程中的问题和“瓶颈”，并预先采取措施，从而达到质量、成本、进度和用户需求。
在军事领域里，武器平台和收集、处理战场信息情报的电子信息装备的大规模结合，是一项极大的系统综合集成任务。这样一种大规模的系统综合集成，是商业世界前所未有的。在美国国防工业独领风骚的那些公司，正是知名的系统综合集成商，而不仅仅是制造者。综合集成方法的实质是把科学理论和经验知识结合起来，人脑思维和计算机分析结合起来，个人决断与群体结合起来，发挥综合系统的整体优势。这对于作战指挥具有重要意义。
90年代末以来，国外许多大企业在R＆D领域与其他企业结成技术联盟，分工协作，风险同当，利益共享，走共同技术创新的道路。如在“信息高速公路”技术方面，日本电气、东芝、日立和索尼等与美国太阳微系统公司、米普斯计算机公司、惠普公司等结成几十个技术联盟。在汽车生产领域，德国奔驰公司与日本三菱公司，日本丰田、铃木公司与美国通用汽车公司等的技术联盟。这种技术联盟就是综合集成在经营管理上的应用范例。
对于综合集成的作用，国外一直比较重视。美国总统科技顾问及一些科学家提出：为了继续确保美国在工业上的领先地位，出路在于“综合集成”。德国《经济周刊》1994年1月14 日刊登了一篇题为“系统时代”的文章，讲到德国提出开发新技术不是只搞几项高技术，而是要系统配套，才能真正发挥作用。