2020年度機械設計與制造學科國家自然科學基金管理工作綜述

葉 鑫 李宏偉 楊志勃 賴一楠

國家自然科學基金委員會工程與材料科學部，北京，100085

0 引言

2020年，國家自然科學基金委員會(以下簡稱“自然科學基金委”)工程與材料科學部機械設計與制造學科(以下簡稱“學科”)認真貫徹落實黨的十九屆五中全會精神，黨中央國務院關于科技創新和基礎研究總體部署，習近平總書記關于基礎研究的重要指示批示精神和“四個面向”方針政策，積極響應新型冠狀病毒肺炎疫情防控，根據科學基金深化改革要求，面向國家重大需求和世界科技前沿，順利完成了各項工作。現對學科2020年度國家自然科學基金評審與資助、項目進展與結題審查、科學基金改革工作、“十四五”和中長期發展規劃戰略研究等工作進行總結回顧。

1 2020年度科學基金評審與資助

1.1 評審與資助總體情況

截至2020年12月31日，學科共接收各類項目申請7499項，與2019年相比[1]，增加438項，增幅為6.20%。按照規定程序，經過嚴格評審，學科共資助各類項目1211項，資助總直接費用68 537.6萬元，主要項目申請及資助情況詳見表1。

1.2 三類項目申請、受理、評審與資助

學科2020年度共接收面上項目、青年科學基金項目和地區科學基金項目(以下簡稱“三類項目”)申請6996項，占學科所有申請項目的93.55%，同比增長5.22%。經初審，“三類項目”不予受理29項。經會評專家投票，資助“三類項目”共計1150項(詳見表1)。其中面上項目直接費用平均資助強度58.02萬元/項、青年科學基金項目直接費用定額23.92萬元/項(三年期)、地區科學基金項目直接費用平均資助強度34.80萬元/項。

表1 2020年度學科主要項目申請及資助情況Tab.1 The main projects applied and funded at the discipline in 2020

面上項目和青年科學基金項目申請數量前10名的依托單位申請情況如圖1所示，與2019年相比，面上項目申請量增幅最大的是天津大學，青年科學基金項目增幅最大的是北京理工大學，地區科學基金項目申請量排名前3的單位分別是蘭州理工大學(38項)、南昌航空大學(32項)、貴州大學(32項)。

“三類項目”各二級代碼對應領域的申請與資助情況如圖2所示。與2019年相比[1]，9個領域(二級代碼)的申請量有所增長，其中，5個領域的申請量增幅明顯(均大于20%)，機器人與機構學(E0501)、成形制造(E0508)、機械摩擦學與表面技術(E0505)、加工制造(E0509)和機械測試理論與技術(E0511)分別上升了35.76%、32.59%、26.99%、25.99%和21.64%。除此之外，3個領域的申請量有所下降，其中機械動力學(E0503)降幅最大，為11.73%，機械仿生學與生物制造(E0507)下降了9.58%，機械結構強度學(E0504)略有下降。領域的資助率與2019年相比，除傳動與驅動(E0502)資助率增長0.25個百分點外，其他領域資助率均有所下降，其中機器人與機構學(E0501)領域降幅最大，下降了5.19個百分點。

圖2 各二級代碼對應的領域申請與資助情況Fig.2 Application and funding for each secondary code

(a) 面上項目

1.3 “共融機器人基礎理論與關鍵技術研究”重大研究計劃評審與資助

2020年度“共融機器人基礎理論與關鍵技術研究”重大研究計劃包括重點支持項目和集成項目兩種類型。特別為應對新型冠狀病毒感染肺炎疫情突發，瞄準疫情防控中阻斷或最大程度減少病原體在人際間傳播的關鍵環節，在診療和護理中非接觸性無人作業，靈巧、智能化機器人的應用方面，發布了“共融機器人基礎理論與關鍵技術研究”重大研究計劃2020年度補充指南[2]。指南以重點支持項目形式，在①應急問診與檢疫智能作業機器人基礎理論與關鍵技術和②傳染病房護理多模式作業機器人基礎理論與關鍵技術兩個研究方向，支持相關單位通過醫工交叉開展基礎性、前瞻性研究，為發揮機器人在重大疫情有效防控中的作用提供理論及技術支撐。

2020年度該研究計劃共受理43個依托單位的申請項目63項，其中重點支持項目61項、集成項目2項。經過評審，最終資助重點支持項目5項，資助率8.20%，平均資助強度240萬元/項；集成項目2項，平均資助強度850萬元/項。獲批的5項重點支持項目中有3項檢疫或插管機器人方向的項目。

1.4 “航天先進制造技術研究”聯合基金評審與資助

“航天先進制造技術研究”聯合基金(以下簡稱“航天先進制造聯合基金”)自2015年實施以來，共受理159個依托單位(190個合作單位)的578項申請。經嚴格評審，共批準47個依托單位(77個合作單位)的107項申請，包括集成項目9項、重點支持項目67項、培育項目31項。獲批項目中，航天系統牽頭項目29項，涉及單位17個，包括集成項目8項、重點支持項目15項和培育項目6項；航天系統參與項目62項，包括集成項目1項、重點支持項目49項和培育項目12項。

2020年度“航天先進制造聯合基金”接收了20個依托單位的申請29項，其中，集成項目9項、重點支持項目20項。經函評和會評并報請聯合基金管理委員會批準，“航天先進制造聯合基金”資助直接費用4200萬元，其中，資助集成項目3項，平均資助強度873.3萬元/項；重點支持項目6項，平均資助強度263.3萬元/項。

1.5 原創探索計劃項目評審與資助

原創探索計劃項目(以下簡稱“原創項目”)旨在資助科研人員提出原創學術思想、開展探索性與風險性強的原創性基礎研究工作，如提出新理論、新方法和揭示新規律等，培育或產出從無到有的引領性原創成果，解決科學難題、引領研究方向或開拓研究領域，為推動我國工程與材料領域基礎研究高質量發展提供源頭供給。

2020年度學科共收到“原創項目”預申請9份，初篩1份，經雙盲評審，推薦2項提交正式申請。經通訊評議，清華大學林峰教授的“液浮粉末床增材制造技術研究”進入會評答辯，并最終獲批。該項目針對粉床選區熔化工藝中粉末價格高、用量大、粉末污染回收浪費大、成本高等問題，提出液浮粉末床新方法，利用低熔點高密度液態金屬的浮力來柔性支撐極小厚度的一層粉末層，進行選區融化增材制造，改變了現有粉末床的工作模式，避免了傳統工藝大量粉末的浪費，還可以對零件進行溫度梯度、熱應力和組織性能的調控。

2020年度工程與材料科學部獲批的原創項目資助期限均為一年，額度60～80萬元。一年探索期滿后，將組織專家對項目進行評估，對后續有望獲得突破性原創成果的項目進一步予以支持。

2 項目進展、中期與結題管理工作

2.1 “三類項目”進展與結題報告審核

2020年學科共接收2015—2019年度批準的各類項目進展報告3214份，2014—2016年度批準的各類項目結題報告1191份(含部分延期項目)。學科對項目年度進展和結題項目成果進行了認真審核，客觀評估項目的研究質量和完成度。學科遴選了結題較好的“三類項目”共150項，于2020年9月11—13日在西安舉辦的第十四屆設計與制造前沿國際會議(ICFDM 2020)[3]上進行了成果匯報和展示，并推薦其中的48項在會上作了優秀項目結題報告；評選出10項國家自然科學基金優秀結題項目(6項面上項目、4項青年科學基金項目)，詳見表2(按項目類別和批準號排序)。

表2 ICFDM 2020評選的優秀結題項目清單Tab.2 Excellent finished projects voted in ICFDM 2020

2.2 重點項目中期與結題管理

重點項目結題審查與中期檢查學術交流會于2020年1月5—7日在北京召開。學科組織11位專家，對2014年獲批的13個重點項目和2個重點國際(地區)合作研究項目進行了結題審查，對2016年獲批的11個重點項目和2個重點國際(地區)合作研究項目進行了中期檢查，同時進行了深入的學術交流。經專家投票，結題項目均為優秀，中期項目中8個重點項目和1個重點國際(地區)合作研究項目為優秀。

2.3 “共融機器人基礎理論與關鍵技術研究”重大研究計劃項目年度、中期與結題管理

“共融機器人基礎理論與關鍵技術研究”重大研究計劃項目年度與中期檢查學術交流會于2020年7月22—23日以網絡會議形式召開。學科組織17位專家，對2017年獲批的12個重點支持項目進行了中期檢查，對2016年及2018年獲批的14個重點支持項目開展了年度檢查，并進行了深入的學術交流，同時組織12位專家對22項培育項目進行了結題審查。經專家投票，中期檢查的6項重點支持項目獲得優秀，結題審查的5項培育項目獲得優秀。

2.4 “航天先進制造技術研究”聯合基金中期與結題管理

2020年10月27日學科組織航天科技集團專家和高校專家，在北京對“航天先進制造技術研究”聯合基金2019年度結題和中期的重點支持項目，進行了結題審查、中期檢查與學術交流。2020年度共有15項結題項目和14項中期項目，按照研究領域相近原則，分為2個組進行。與會專家對項目組提交的結題材料和中期材料進行了審核，對29個項目進行了評審。同時，項目參會人員也進行了深入的學術交流。經專家投票，遴選出了10項優秀結題項目和10項優秀中期項目。

這些優秀結題項目設計與制備了航天發動機復合材料-金屬焊接釬料，揭示了界面反應機理，提出了調控方法(U1537206)；提出了航天飛行器大型燃料貯箱箱底的多道次復合旋壓+淬火的成形工藝方法，研制了φ3.35 m薄壁異型箱底構件，誤差小于3 mm(U1537203)；針對航天機電產品復雜結構，提出了鑄造—淬火—時效全過程變形與組織控制方法，研制了火箭用復雜結構支撐構件(U1537201)；提出了基于TSV轉接板的高可靠硅基系統三維集成方法，研制了多芯片集成的星載嵌入式計算機微系統(U1537208)等。這些成果解決了航天器及其關鍵器件的設計、制造難題。

3 2020年度落實科學基金深化改革任務

3.1 完善RCC評審機制

2020年，學科落實了“負責任、講信譽、計貢獻”的RCC科學評審機制；學科建立了評審專家信譽檔案，準確記錄專家的責任度、信譽度和貢獻度，對評審中認真、負責、及時完成評審的專家，計入信譽檔案的正面清單；學科總結了專家7種不負責任、不講信譽的情況：①“張冠李戴”貼錯評議意見的情況；②請他人代評的情況；③不注意保密，主動聯系被評審項目相關人員的情況；④受到項目申請人及相關人員請托后，影響獨立、客觀評審的情況；⑤與項目申請人、參與者存在利益關聯或利益沖突而沒有拒評的情況；⑥無視自然科學基金委有關知識產權和保密的規定，致使評審材料的內容被復制、抄襲、泄露和剽竊的情況；⑦其他影響公正性評審的情況。如有以上情況，一經發現則計入專家信譽檔案負面清單。提請2021年度及以后參與科學基金項目評審的專家充分重視。

嚴審評議意見重置。2020年項目通訊評議階段，學科嚴格執行學部制定的項目評議意見重置的“評議人申請+學科審核+學部審批”三級審批程序，對情況屬實確需重置的予以重置。申請重置的主要原因在于意見上傳錯誤或意見部分描述欠妥，操作失誤等。提請2021年度評議人謹慎對待評議意見及結果，建議提交前反復核對，確認無誤后再提交。

3.2 優化學科布局

(1)構建學科樹。為進一步梳理學科知識體系的邏輯關系，學科以機械學和制造科學為兩條大主干，圍繞機構與結構創新、功能創成與運維、能量與信息傳換、幾何與物理演變、系統與過程調控五大共性基礎理論和核心技術原理，構建學科知識體系的邏輯關系。機械學主要包括面向機械結構的設計和面向服役性能的設計兩部分。面向機械結構的設計包括原理設計(E0501機器人與機構學)和部件設計(E0502傳動與驅動)；面向服役性能的設計包括動力學設計(E0503機械動力學)、可靠性設計(E0504機械結構強度學)、表界面設計(E0505機械摩擦學)。E0506機械設計學作為基礎設計理論與方法支撐這兩個部分。制造科學主要包括零部件制造(E0508成形制造、E0509加工制造)和裝配、車間、工廠級制造(E0510制造系統與智能化)，E0511機械測試理論與技術提供制造過程中的檢測、測試與傳感方法和器件，為制造過程保駕護航。E0507機械仿生學與生物制造及E0512微納機械系統分別作為仿生設計與生物制造、系統級設計/制造與集成的前沿交叉，成為聯系機械學和制造科學實現設計制造一體化的紐帶。

(2)專家庫維護。由于學科代碼改革，專家庫中8221條研究方向空白。學科在進行專家庫維護中，將其分為三類情況進行處理：第一類是專家本身有多條研究方向，部分研究方向空白(共5340條)；第二類是專家只有一條研究方向且為空白(1510人)；第三類是新邀請的青年科學基金獲得者入庫(共1371條)。針對這些情況，學科制定了改革前后新舊研究方向對應表，通過后臺直接替換舊研究方向，同時與手動維護相結合，圓滿完成了此項任務，為2020年度科學基金項目評審的順利開展提供了保障。

3.3 代表作核查

為進一步加強科學基金科研誠信建設，2020年度國家自然科學基金項目指南[4]對科研誠信進行了嚴格的要求。學科對所有上會答辯項目的代表作進行了真實性核查，本著申請人“是否得利” 原則(如申請人非通訊作者，標為通訊作者；申請人非第一作者，標為第一作者；申請人為通訊作者，未標其他共同通訊作者；申請人為第一作者，未標其他共同第一作者等多種情況)，對代表作存在問題的項目一律執行“一票否決”，不推薦上會答辯。2021年度，按照工程與材料科學部的統一要求，代表作核查將更加嚴格：不再考慮“得利與否”，必須與原文一致。提請申請人務必認真檢查代表作填報內容。

4 相關管理工作

4.1 瞄準尖端，培養高水平青年人才和團隊

本年度學科共有8人獲得國家杰出青年科學基金項目資助：

(1)上海交通大學谷國迎從事軟體機器人學研究，提出了介電彈性體驅動器的非線性機電耦合本構建模及其拓撲優化設計方法，發明了具有敏捷爬行和轉向功能的軟體爬壁機器人；提出了非對稱遲滯的廣義P-I模型與直接逆遲滯補償方法，軌跡跟蹤誤差減小了一個數量級；提出了氣動軟體機構設計與結構變剛度調控方法，研制了操作感知一體化神經控制軟體靈巧手。

(2)哈爾濱工業大學朱延河面向空間大型結構件組裝、空間站維護、在軌元器件更換等復雜作業任務，借鑒自然生物肢體行為產生機理，結合模塊化變形機器人基礎理論，利用大量具有互換性的模塊單元，組成了具有多種生物肢體形態的空間作業型機器人。

(3)西安交通大學雷亞國圍繞機械裝備故障診斷與預測的重大需求，提出了自適應加噪的早期故障診斷方法，突破了強噪聲信號中微弱特征的提取瓶頸；建立了多域特征評估技術及混合智能診斷模型，實現了復合故障多域特征自動提取及智能診斷；建立了裝備退化過程統一模型框架及預測方法，解決了多源隨機因素影響下的故障趨勢預測難題；形成了加噪診斷、智能診斷等關鍵技術和診斷系統，在新能源、交通領域的華電、中車等骨干企業中獲得了應用。

(4)清華大學陳皓生針對微尺度復雜界面下摩擦和潤滑的前沿基礎問題，構建了液/液、氣/液、機械/生物等復雜流動界面的潤滑模型，建立了界面潤滑失穩判據；發展了微流成形制造技術，突破了高溫氣冷堆核燃料微球、航空發動機高溫涂層熱噴涂粉體以及載藥微泡等國家重大需求的技術瓶頸。

(5)吉林大學張志輝圍繞極端環境減阻耐磨的重大需求，研發了“微結構陣列”、“形態-結構二元耦合”和“結構超彈”等仿生耦合表面設計原理與制造技術；面向關鍵材料/器件智能化發展前沿，建立了智能仿生結構設計與增材制造優勢融合的新原理與新方法，提出了系統性的仿生防護與修復技術。

(6)天津大學徐連勇圍繞極端復雜環境下管道長壽命焊接成形與評價科學難題開展研究，揭示了高溫、腐蝕、疲勞及交互下材料的微觀損傷機制，構建了材料-接頭-結構一體化的精準壽命預測理論和模型，發展了以長壽命為目標的焊接設計、成形制造及評價技術體系，應用于發電機組蒸汽管道、海底管道，解決了制約管道長壽命服役、接頭綜合性能提升等卡脖子問題。

(7)上海交通大學李永兵圍繞運載工具焊接接頭形性多能場復合調控問題，發現了點焊熔核金屬流體流動模式的逆轉機制，解釋了低溫度梯度熔核的形成原因，修正了熔核單一流動模式假說；發明了熔核生長磁流體動力學調控技術，將熔核內流動轉變為三維流動，實現了熔核生長和結晶的綜合調控，顯著提升了難焊材料接頭韌性；發明了自沖摩擦鉚焊新原理，將自沖鉚接機械互鎖機制與攪拌摩擦焊固相連接機制復合，解決了低延展輕合金鉚接開裂難題。

(8)西安交通大學邵金友從流體表界面行為的電場調控出發，發現了電場對流體潤濕特性和填充行為的影響機制，建立了多物理場約束的微納結構形貌控制方法，揭示了電驅動成形過程中材料性狀的演變規律，形成了“近零壓力填充、微觀控形、成形控性”三個方面緊密聯系的電驅動壓印方法體系。

吉林大學韓志武教授團隊獲得創新研究群體項目資助(項目名稱：機械系統仿生理論與技術基礎)。該群體依托機械工程國家重點學科和仿生科學與工程國家一級學科，圍繞機械系統表界面與感知仿生、材料性能原位測試仿生技術、健康機器人仿生理論與技術三大方向開展研究，在仿生基礎理論、關鍵技術和示范應用等方面取得了重大突破，研究成果成功用于航空航天、精密探測、感知驅動、醫療健康等裝備的設計與制造。群體發展目標是以機械系統仿生理論與技術為核心，開展高端裝備仿生基礎理論、關鍵技術和系統應用等多學科交叉研究，服務國家重大戰略需求。

4.2 集成升華，啟動重大研究計劃自評估

2020年11月21日，“共融機器人基礎理論與關鍵技術研究”重大研究計劃自評估啟動會在無錫召開[5]。指導專家組成員丁漢院士、張建偉院士、樊瑜波教授、劉宏教授、高峰教授，特邀專家，秘書組全體成員，以及重點支持項目負責人和培育項目負責人等70余人參加會議。秘書組作了該重大研究計劃啟動以來的工作匯報，與會專家對匯報的重點內容、取得的成果進行了充分肯定，對存在的問題提出了改進意見。工程與材料科學部常務副主任王岐東指出，重大研究計劃中期評估意義重大，希望指導專家組、管理工作組、秘書組、項目負責人各自落實責任，瞄準中期評估目標，突出集成項目的重要性和顯示度，切實做好自評估與中期評估工作。自評估啟動會形成了詳細的自評估與中期評估方案的意見和建議，并對后期評估工作進行了安排和討論，為自評估及中期評估工作的順利開展奠定了基礎。

4.3 聚焦前沿，助力一線科研人員研討交流

設計與制造前沿國際會議(ICFDM)是由自然科學基金委等單位于1994年聯合發起的系列國際學術會議，每兩年召開一次，是國內機械工程領域最權威、規模和影響力最大的學術會議之一。2020年9月11—13日第十四屆設計與制造前沿國際會議(ICFDM2020)在西安召開[3]。會議由西安交通大學主辦，西北工業大學協辦，自然科學基金委和中國機械工程學會等單位共同支持。會議以“基礎·前沿·探索·創新”為主題,圍繞設計與制造科學的前沿領域與熱點研究方向，邀請上海交通大學楊廣中教授、英國機械工程師學會主席Joe McGeough教授(線上)及國內多位知名學者進行學術報告。同時，邀請學科遴選的150位優秀結題項目負責人以展板形式展示科學基金資助項目成果，其中近50位負責人作了項目成果報告。

“先進塑性成形基礎研究”中青年學者論壇于2020年12月3—5日在西安召開[6]。論壇由西北工業大學陜西省高性能精確成形技術與裝備重點實驗室、中國機械工程學會塑性工程分會旋壓論壇和青年工作委員會共同主辦。論壇邀請了塑性成形領域國內資深專家及中青年學者，按4個專題：①高性能輕量化塑性成形理論與技術；②短流程/復合/柔性塑性成形理論與技術；③數字化智能化塑性成形理論與技術；④極端塑性成形理論與技術，深入研討先進塑性成形理論和技術面臨的機遇與挑戰，研判未來發展趨勢與熱點。此次論壇面向先進塑性成形的基礎科學問題，結合國家重大需求，研討前沿創新學術思想、理論與技術成果和未來發展趨勢，對推動先進塑性成形理論與技術領域研究的不斷進步具有重要作用。

4.4 戰略研究，深化“十四五”和中長期發展規劃

2020年學科組織專家深入研討學科“十四五”和中長期發展規劃戰略研究領域。“十四五”期間，學科將重點圍繞超滑新體系和超滑零部件的設計和實現方法、增材制造與激光制造科學與工程等重要基礎問題，在高性能機電裝備設計與制造的科學基礎領域開展研究。面向中長期發展規劃，擬重點支持高性能裝備系統智能設計理論、方法與技術，極端制造的科學基礎與前沿技術，機械仿生學與生物制造基礎研究等領域的研究。

與此同時，學科組織專家在2019年深入研討的基礎上，進一步深入征求了專家學者對機械設計與制造學科發展戰略報告(2021—2035年)的意見和建議。學科通過函評方式，征求院士、知名學者對規劃稿的意見；邀請中南大學鐘掘院士等一批參加過多次規劃稿撰寫的資深科學家參與規劃稿研討；丁漢院士和12個領域負責人在ICFDM2020會議上以大會報告、邀請報告形式對各領域規劃內容進行了匯報，更為廣泛聽取學者們的意見和建議。根據收集到的意見和建議，學科組織戰略報告專家組對規劃稿作了進一步修改和完善。目前，戰略報告在機構學與機器人，機械驅動與傳動，摩擦學與機械表面界面科學，復雜機電系統的集成科學，生物制造與仿生制造，高性能、智能化制造，微納制造科學與技術等13個方向，闡述了其內涵與研究范圍，分析了研究現狀及發展趨勢，凝練了研究前沿與重大科學問題，提出了重點和優先發展領域。學科發展戰略報告將為機械領域基礎科學研究指明方向，也利于科研工作者進一步凝練科研方向，做出重要成果。

5 2021年工作展望

2021年是“十四五”和全面建設社會主義現代化國家新征程的開局之年。深化科學基金改革、構建新的科學研究范式是自然科學基金委應對科技變革和產業變革的主動選擇。學科將繼續聚焦“3+3+6+2”改革任務，全面落實黨組、技術科學板塊和學部的決策部署與工作要求，圍繞“高端裝備設計制造的基礎科學問題”，面向國家重大需求和世界科學前沿，持續推動落實學科戰略調研工作，構建枝繁葉茂根深的機械設計與制造學科樹；做好“十四五”及中長期發展戰略規劃的發布工作；以“共融機器人基礎研究與關鍵技術”重大研究計劃中期評估為契機，深度總結凝練創新成果，力求解決機器人領域信息科學與機械“融”的問題；面向關鍵技術問題，在制造業共性軟件平臺、高端精密裝備精度測量等領域進行布局，著力培育重大原創項目。

致謝2020年度學科工作得到了于文波、譚秋林、趙清海等兼聘老師的大力支持和幫助，特此致謝。