机械学院新加坡南洋理工交流实习报告之一

一、引言

在日新月异的科技浪潮中，机械学科作为社会发展和产业升级的重要基石，其重要性不言而喻。随着智能制造、新能源技术等新兴领域的蓬勃发展，以及人工智能、计算机等信息技术的快速成熟与应用，机械这一传统工科正以新的姿态发挥其在生产制造中的巨大作用。因此，作为机械领域的学习者以及未来的参与者，在这个时代我们需要有一个新的视角对该行业有一个更加全面且深入的认识。这不仅是个人成长的必经之路，更是适应未来行业挑战、贡献社会价值的关键所在。我有幸参与了这一次机会难得的认知实习，下面我就本次实习的一些收获和感悟，作一个报告。

二、实习回顾与总结

这次实习我选择走出国门，本着“学习先进思想和技术”的理念，与其他26位有着相同志向的老师和同学前往新加坡开展相关活动。我们拜访了亚洲两所顶尖高校——新加坡国立大学和南洋理工大学。在国大，众人被“移十步更换一景，目之所及皆惊喜”的校园环境所征服，赞叹著名学府浓郁的学术氛围；在南大，我们有幸参加了由Moon教授主讲的《智能制造与工业4.0》课程，在为期5天的授课中我们不仅亲身感受了国外大学的教育模式和人才培养理念，还学习了人工智能、机器学习、工业4.0、大数据挖掘等新兴技术的相关概念和应用方式，了解了机械学科如何与这些技术进行有机融合焕发生机，并且进入了南大著名的3D打印中心和光纤研发实验室，了解到各种3D打印装备的功能及区别和光纤生产最先进的技术。我们也参观了几所在新加坡的优秀企业，结识了Weston Robot的首席科学家张延亮博士，在他的公司里我们观赏了接入大模型的机械狗的表演，试戴了为电网检修员所设计的人体辅助外骨骼；参加了由Aires Applied Tech 公司创办人之一的Ken Lin先生讲授的讲座，强化了在南大课堂上所学的人工智能方面的知识，并与公司实习生作了一次交流；进入了著名的半导体检修公司胜科纳米的实验室，在华老师的带领下认识到不少微观探测设备，这也是我第一次了解芯片失效分析和探测的相关技术，让我看到了未来我的专业方向（先电）未来的另一条就业道路。除了工程技术方面的学习，我们也尽可能地感受新加坡这座花园城市的人文魅力。我与同伴探索了位于国大的李光前自然历史博物馆，沉浸在一柜柜生物标本中赞叹大自然的奇妙；访问了新加坡国家博物馆，了解了狮城的发展历史，也为展馆中一个个为新加坡发展有重要影响的中国名字感到无比自豪。我们还与国大、南大的中国留学生开展了几次交流会，向这些优秀的学长学姐取经学习。除此以外，新加坡当地一些著名地标，像鱼尾狮公园、China Town、滨海湾公园、星耀樟宜人工瀑布，还有一些美食，都构成了此行中每个人难忘的记忆。

图1 NTU学习剪影 图2 新加坡人文考察剪影

总的来说，本次认知实习不是一次对新加坡的简单学术访问，而是从科技、教育、人文、生活等角度对新加坡的一次深度认识，更是一场拓展自身学科知识面、丰富机械专业认知、提升专业素养、拓展专业发展可能的综合教育。虽然在新加坡只有完整的一周，但这段时间的考察学习确实让我收获颇丰，感受颇多。

三、实习思考与感悟

科学技术是人类认识世界、改造世界的有力工具；科学技术的正确发展，一定会回到服务工程、服务人类社会这个落脚点上。同理，只有我们能正确认识科技之于人类社会的作用，才能更好地引导科技的发展繁荣。下面，我将结合本次实习所学的几个主题，包括工业4.0、人工智能、机器人技术、3D打印等主题，从“工程与社会”以及“环境与可持续发展”两个角度，分享学习心得、体会以及思考。

3.1 工程与社会

3.1.1 人工智能及其相关技术（大数据、大模型、机器学习）

人工智能是指由人制造出来的系统所表现出来的智能行为，这些系统能够执行需要人类智能的任务，如视觉感知、语音识别、决策和语言翻译。近年来，世界各国大力发展人工智能产业，积极投入人工智能领域的人才培养，促使这一行业快速发展，为社会带来巨大经济效益和社会效益。

1. 人工智能的利

   在生产制造领域，人工智能赋予工业活动强大动能。尤其是人工智能＋机器人的落地应用，更是极大改变了制造业的生产模式，让工业生产有更多可能。随着人工智能技术的不断进步，越来越多的智能系统被引入生产线，使得生产效率和质量得到了显著提升。Moon教授在课堂上为我们展示了某汽车公司的现代化自动生产线的视频。在这个视频中，我们可以看到汽车从零部件生产到完成组装，基本上都是由机械臂完成的。在人工智能的加持下，这些机械臂被有组织地调动起来，有条不紊地进行每一道工序，并附带自主检测功能，实现全流程快速生产，极大解放了生产力，降低劳动成本，同时也保证了产品性能的一致性。此外，人工智能在市场数据分析和预测方面也有强大作用，依托大数据，人工智能可以较为精确地分析市场需求，为企业产品研发和决策提供重要依据。

   

   图3 某汽车公司自动化产线

    

   在物流运输领域，人工智能技术同样带来了革命性的变化。智能物流系统通过优化路线规划、实时货物追踪和智能仓储管理，大幅提高了物流效率，例如AMR（自主移动机器人）便是物流车和人工智能结合的产物。还有现在概念非常火热的无人驾驶技术（人工智能的深度发展），更是预示着未来运输行业将迈向一个全新的高度。无人驾驶货车和无人机配送系统，不仅能够减少交通事故，还能在恶劣天气条件下保持稳定的运输能力。

   

   图4 AMR相关介绍

   在文化传播与创作领域，人工智能为人们提供了一种创作手段。凭借其强大的数据库和深度学习能力，AI可以快速分析使用者提供的信息，搜寻、拆解自己已有的数据库中或者互联网上的其他素材，通过再组合的方式将这些素材变成使用者要求的结果，达到快速创作的目的，已被广泛应用于诗歌、绘画、视频、小说等文字或艺术创作之中。除了直接提供结果，人工智能也可以起到辅助作用，例如协助使用者列大纲、扩写缩写、翻译、勘误，有利于节约使用者在这些过程中的时间，提升工作效率。此外，通过与人工智能程序进行问答，也可以快速学习很多新知识。在这一方面，人工智能可以说是为艺术文化的创作和传播起到推动作用。

   

   图5 AI绘画作品

    

   在医疗卫生与健康领域，人工智能也逐渐有其发挥作用的一席之地。现在很多医院在小程序预约就诊时都会接入一个用于预诊的AI，通过问答的形式协助病人挂号、提供简单的医学回答，有效地解决了病人有时不知道该挂什么号的困惑；同时也会帮助主治医生记录病人的基本信息和病情，让医生更好的看诊。此外，还有一些影像学领域的AI现在也趋于成熟。据有关调查，截至2023年12月1日，国内已有122款影像AI智能软件获得市场准入，2023年前11个月国家药监局公布的审评审批数总及48个，超越了2022年的32个。这些智能程序用于帮助医生和病人分析像X光、核磁共振等的影像内容，协助判断各种病变和肿瘤，有利于病情诊断和治疗。

2. 人工智能的弊

   诚然，万事有利往往也存在着弊端，人工智能就是很典型的一把双刃剑。在Aires Applied Tech 公司的讲座上，Ken曾问我们认为现在的人工智能是好的还是坏的，当我们都不约而同回答“好”时，这位先生为我们指出了现在的人工智能仍存在很大的不确定性，容易被坏人利用干尽坏事。他以他们公司的主要业务——量子加密、数据存储和人工智能反诈骗为例，提出在大数据时代下每个人的数据都有被盗用的风险，特别是在使用人工智能时，我们提供的某些信息也会成为其数据库的一部分，进而变成其他人的素材，需要加以防范，并且指出现在很多诈骗电话都是利用人工智能来开展，例如改归属地，容易让国人中招。可以说，在智能化时代，个人隐私问题将是首要的亟待解决的主要问题。

   其次就是作品原创性问题，这个一直都有很大争议。人工智能创作的作品基本上都是其他素材的再拼接，当前的人工智能并不存在完全自主创作的能力。因此，其创造出来的图片也好、文字也罢，很多都能在网上找到类似的内容。在学术圈，还有一些人使用AI生成的论文直接当成自己的作品，产生了不少学术不端的现象，影响恶劣。此外人工智能产生的内容的真实性也是有待考究的。很多时候看似它为我们提供了很有道理的一段回答，实际上里面却错漏百出，很容易对非专业的大众造成误导。

3. 人工智能及其相关技术的未来展望

   人工智能有利有弊，我们需要做的不是因为其弊端而拒绝使用它，而是通过合理引导和规范，使这一技术扬长避短，遏制其不良因素，发展其有利因素。Ken Lin在座谈会上指出目前全球尚未有较为成熟的关于人工智能的有关法案，这一领域在当下处于一个灰色地带，当有人想利用其做坏事时，很难得到约束。我国虽然也没有完善的法律，但早在2017年，国务院发布的《新一代人工智能发展规划》就提出了“三步走”的立法规划，并在2023年6月6日发布的《国务院2023年度立法工作计划》中明确将《人工智能法》列入立法规划。2023年8月，世界上第一个有关生成式人工智能的成文法《生成式人工智能服务管理暂行办法》生效实施。相信不久的将来《人工智能法》就会问世。此外，我相信人们还会继续完善有关人工智能方面的教育，从根本上规范人们对这一技术的使用。我也相信，未来的人工智能一定更能推动社会发展。

   3.1.2 工业4.0、智能制造与机器人

   工业4.0，又被称为第四次工业革命，是对前三次工业革命的进一步延伸与升华，是制造业在信息技术加持下进入的一个新的发展阶段。这一概念源于2011年德国汉诺威工业博览会，主要是指通过将制造业与工业物联网、大数据、人工智能、自主移动机器人等技术深入融合，实现生产过程的智能化、自动化和网络化。工业4.0的推广普及将极大地提高企业制造的生产力，产品的竞争力，实现降本增效，同时也有利于促进企业对生产过程的合理决策以及提升个性化定制的能力。

   

   图6 工业4.0图解

    

   在整个工业4.0的体系中，智能制造是其核心组成部分。通过将制造系统与信息技术的结合，推动制造系统实现产品智能化、装备智能化、生产智能化、管理智能化、服务智能化以及整个制造系统产品、装备、生产、管理、到终端服务有机结合的智能化。这些智能化，将极大激发制造业产品的创新活力，提高生产效率，降低生产成本，提升管理效能，实现供给与需求的有效对接，优化资源分配，保证资源利用率。

   在工业4.0和智能制造中，应用最多的便是各种机器人。包括各类机械臂、AGV（Automated Guided Vehicle，自动导引运输小车）、AMR（Autonomous Mobile Robot，自主移动机器人），无人机等。这些设备在工业上的应用极大解放了人类的双手和双脚。同时也提高了工作效率。在Weston Robot公司参观时，张博士为我们介绍了各种类型的机械狗。这些机械狗基本上只需要加一个外设，例如加一个探测空气质量的传感器，它们就能履行自主空气探测器的功能。此外，这些机械狗具有性能优越的自平衡能力和一定的承重能力，最新的款式甚至可以承受二十多公斤的重物，可用于货物运输。此外还有接入了大模型的机械狗，能像人工智能一样回应人类的指令并完成相应的动作，在这里我们也是见识了人工智能＋机器人的强大实力。这些机器人还可以被广泛运用到运输业和服务业，例如已经小规模实现的无人机送外卖，医院的病房自动送药机器人和药房自动取药机器人，还有餐馆、酒店中的送餐送物机器人等，都极大改变了人们的生活方式。除此以外，在搜寻救援、抢险救灾方面，使用这些机器人可以代替人类深入危险区域开展工作，保障工作人员的生命安全。

    

   

   图7 Weston Robot公司的机械狗

   3.1.3 芯片失效检测与分析

   集成电路，即我们常说的芯片，是“工业粮食”，是制造业的核心技术，也是各类信息技术得以应用的物理载体。“中国制造2025”战略规划提到，要坚持创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展，加快从制造大国转向制造强国，并将“推动集成电路及专用装备发展”作为重点突破口，以“中国制造2025”战略的实施带动集成电路产业的跨越发展，以集成电路产业核心能力的提升推动“中国制造2025”战略目标的实现。目前，我国虽然在芯片设计上有一定话语权，但在芯片制造技术上却被欧美国家卡住了脖子。因此，突破西方的技术封锁，探索自主芯片发展道路，是当下的迫切任务。

   然而，除了芯片设计和制造，芯片的实效性检测和分析同样也是至关重要的。在这一领域我国却也占据先机。胜科纳米的负责人之一华博士这样向我们介绍他们的事业。所谓失效性分析，就是通过微观探测技术，快速定位、观察、分析乃至修复集成电路中损坏的晶体管。华博士还为我们讲述了公司董事长带领团队协助空客公司修复飞机驾驶舱控制失灵的故障，获得了空客公司的高度认可的故事，以及列举了与国内外手机厂商合作提升芯片良率的例子，向我们解释了这一技术的重要性。我们也再博士的带领下见识了他们实验室里各式探测装备，包括FIB、SEM、TEM等显微镜，拓展了我的视野。

   

   图8 在胜科纳米公司参观

   如今将会有越来越多的智能设备应用到生活和生产中，那也必然会有越来越多的高度智能化的芯片被广泛应用。从小到不及一根头发丝粗的微机电系统到体型庞大的航天重器，这些被装备的芯片将组成一个庞大的芯片世界。在这样一个世界里需要有为他们随时查看和修复损伤的技术员，就像人类世界需要有看病治病的医生一样。目前这一行业还在发展中，公司的规模也在逐年扩大，相信在这一行业的支持下我国芯片制造业一定可以实现快速发展。

   3.2 环境与可持续发展

   3.2.1 人工智能与环境

   人工智能除了对工程与社会有积极影响，在环境保护和可持续发展方面也能发挥重要作用。在这个大数据时代，利用人工智能的深度学习能力，可以充分收集自然界各类指标的有效数据，建立一个数据平台，实时更新、分析这些数据，给出相关的治理意见。利用人工智能＋机器人的技术，可以实现对空气污染、水质条件、碳排放等数据的监测，如Weston Robot公司的机械狗，还有在南大课堂结课汇报上我们小组设计的一种用于棉花种植数据采集的自主移动机器人，都是基于人工智能和机器人的方案。

   

   图9 小组汇报时设计的AMR

   以上讲的是人工智能在环境探测方面的作用，事实上运用人工智能还能起到直接修复、保护环境的效果。例如生产制造带有人工神经网络（ANN）的自主植树机器人，可以自主完成从挖坑、栽树、填土、浇水等复杂动作，并且能够根据不同的场景实现不同的植树方案。还有像现在比较热门的智能垃圾桶，利用机器视觉进行自主垃圾分类，既免去了人们手动垃圾分类的过程，又能实现最终分类回收。

   此外，在生态问题预警方面，现在的人工智能也得到了充分应用。典型的例子就是我国的植被病虫害遥感监测与预测系统。这一系统于2020年发布，打通了数据、算法到产品、应用的全链路。它利用AI技术智能监控和预测林草火灾，利用遥感技术监测火场动态，利用热红外线影像技术提取火线和预测蔓延方向，为山火防范提供了有力武器。

   3.2.2 3D打印技术与环境

   3D打印技术又被称为增材制造技术，是信息化时代诞生的制造技术。其基本原理主要为将实体的三维模型在计算机中进行切片分层处理，然后通过一层层堆叠的方式，将实体在现实中搭建起来。自上世纪90年代中期出现以来，这项技术已经在多个领域得到了广泛应用，包括模具制造、工业设计、珠宝、鞋类、汽车、航空航天、牙科和医疗产业等。3D打印有两个优势，一个是资源利用率高，基本上所有用于打印的材料多余时均能再次使用，实现材料利用最大化，有效节约资源；另一个是精确度也比较高，很多通过其他制造加工方式很难一次性完成，或者具有复杂内部结构且体积比较小的实体，通过3D打印可以一次性准确打印出来。

   在参观南大的3D打印中心时，我们见到了中心内很多由3D打印技术产生的微小金属工艺品，有的工艺品内部甚至拥有复杂的结构。像这些工艺品，倘若有足够精细的其他加工制造设备，比如精度很高的加工中心，通过车削、铣削等方式加工出来，那肯定也是既费时又费力的，而且加工产生的残渣也没有再利用的价值，最多只能当废品回收、重新炼化成完整金属后才能拿来继续加工。而使用金属打印机利用金属粉末进行打印，不但可以省时省力地完成工作，而且多余的金属粉末还可以即时回收再利用。

   除了普通的加工制造领域，在建筑领域3D打印现在也能发挥巨大作用，尤其是在这个普遍使用钢筋混凝土进行建设的时代。我们都知道，建筑过程中由于沙子、混凝土的使用会造成很多扬尘。这些扬尘往往是导致城市雾霾的元凶，极大污染城市环境，危害人民的健康。除此以外，建筑垃圾也常常成为城市污染源。因此，如果可以用3D打印的方式，集中打印建筑所需的材料和结构，再将它们组装起来，那不就可以很好地减少工地上沙土的使用，进而减少污染了？与此同时还能提高材料利用率，减少建筑垃圾的产生，一举两得。我们在3D打印中心里也见到了3D打印的卫生间，其性能也基本能满足使用需求，这让我感到这一技术的广泛使用已经不是梦想。

   

   图10 3D打印的卫生间

   此外，借助3D打印，我们还可以完成很多工程上的事情。比如由我校土木与水利工程学院主导的月面基地的建设研究，就是利用了3D打印，并且已经取得了建设性进展。相信在不久的未来，3D打印一定可以带给我们更多技术上的惊喜和在环境保护方面的积极应用。

    

   结语

   这一次实习也是我第一次走出国门，虽然身在异乡，但与我同行的老师和同学们却从始至终给予我关爱和欢乐，给我一种家的温暖，让我得以克服第一次出国的忐忑，安心投入到这个项目的学习中。总体而言，不论是专业知识还是对新加坡的文化了解，在本次实习中我都收获甚多。

   最后，再次感谢学校和南大给予我本次交流学习的机会，感谢老师和同学的一路支持与陪伴！

   

1. 图11 集体合影留念