美国机械工程专业大方向深度解析

　　总体来说，申请美国机械工程(ME)专业需要有良好的工科背景，例如非常优秀的数学和物理学的基础;需要良好的动手能力，例如参加过各种竞赛(比如比较泛滥的机器人大赛)即是动手能力的体现;需要良好的计算机专业背景，例如编程能力。中国的专业设置同美国高校是有些差异的，中国是小专业，美国是大专业。比如说机械工程(ME)相关专业，中国就有机械工程、车辆工程、自动化等等。如果再细化分，还会有很多。但是美国95%以上的学校，就是一个机械工程(ME)专业，而我们细分化的那些方向变成了这个专业下的concentration，这个concentration则凭借个人兴趣和爱好去选择。

　　说起来机械工程(ME)的历史其实还要追溯到古希腊和中国，那时螺旋泵、蒸汽机、钟、地震仪等的发明，可是现在中国在ME领域的研究已经落后了一大步。美国最早开设工程专业的学校有三所：U.S. Military Academy、Norwich University和Rensselaer Polytechnic Institute。

　　机械工程(ME)专业领域非常多样化，甚至每个机械工程师可能与他的同事做的事情都有不一样的地方。本文我们把ME分为以下三大类进行说明：

　　1)Energy能量类

　　Energy是ME和物理学的基础领域，Energy的形式包括热能、辐射能、动力学、电气、化学、核能等。它主要是侧重于从一种能量转化为另一种更有用的能量，能量的来源既有可再利用的(例如太阳能、风能、流体动力、地热和生物能量)，也有不可再用的(例如石油、天然气、煤和铀)。

　　以University of Michigan为例，Energy的研究领域大概包括：IC engines and engine systems design内燃机和发动机系统设计;Combustion燃烧;Pollutant formation污染物质的形成;Simulation of vehicle systems车载系统仿真;Computational methods for reacting flows反应流的计算方法;Microscale power generators微型电力发动机;Self-assembled nanostructures for energy applications用自组装纳米结构实现能源利用;Nanostructured energy conversion devices纳米结构能量转换装置;Concentrated solar power system专注太阳能系统;Laser techniques for combustion diagnostics用激光技术进行燃烧诊断;Materials and systems for energy storage能量储存的材料和系统。

　　我们上面说了，Energy方面涉及到能源的方方面面。但是这里面就会与其他的专业有很多的交叉，比如说EE也涉及到能源，Chemical Engineering 也涉及到能源，核物理或工程也涉及到能源。那么他们之间有什么差异呢?这是很多申请都关心的问题，其实这点说起来非常简单，ME更加偏向于设备的研究和学习，EE则是能源的存储和传输方面的研究和学习(电能)，其它专业下的那些更多的是原理层面的研究和学习。在这里我们要额外再说一下EE下的Energy，在EE里的Energy一般指的是强电。从传统的分法来分，EE分为强电和弱电两个方向。而EE下的Energy 主要的一个是电力的传输和存储。我们知道，电能在传输的过程当中是有损耗的，而这个损耗是由于传输材料本身的电阻产生的。所以现在研究传输很热门的研究都是材料，超导材料(与Material Science 相交叉)。而电力的存储也是变相的材料问题，也是与Material Science交叉的部分。

　　整个ME的申请都需要申请者有比较强的物理知识，Energy也不例外，这是申请方面。从就业来说，机械工程师关注的是能量机械学——能量如何产生、储存和运动。很多机械工程师是在industry里就业，从事与电能、天然气和石油相关的职业;还有很多机械工程师在从事太阳能、风能和地热系统的开发，期待着这些能源能为传统的燃料做补充甚至替代燃料。机械工程师还关注能源的利用，包括发明更多燃料消耗低的汽车、发动起和其它装置。另外还有机械工程师在关注热能对系统和机器上的影响。

　　如下的一些数据希望对于不确定要选择专攻哪个领域的学生有所帮助。

　　Power Plants：美国近一半的电是靠燃烧煤转换而来，仅有大概五分之一来自nuclear fission(核裂变)，剩下的多数都是靠天然气和石油发电。可再生资源的拥护者相信太阳能和风能有一天可以替代大部分现有的发电厂，而未来主义者则相信的是氢和核能。不知道我们的申请者相信的是什么?

　　Fossil Power：美国大概有四分之三的能源来自于矿物燃料(fossil fuel)，剩下的来自核反应堆、水力发电、太阳能和风能。而矿物燃料(产生的二氧化碳、氮和氧化物、氧化硫)给美国的空气污染做出了很大的“贡献”。

　　Renewable Energy：人人都知道可再生资源的好处，可是发展却没有人们要求的那么迅猛，因为科学家也好，工程师也罢，他们的研究需要巨额的花费，而这些花费通常需要政府来买单，所以其发展实质上还受着政府对这方面的关注度的影响。目前美国电力只有18%的来源是可再生能源，而且多数是水力发电。另外还有乙醇(Ethanol)和生物柴油(biodiesel)也为美国的18%的车用燃料提供了来源。

　　Nuclear Power：核能工厂运营相对成本较低但是要建立起来并且取得营业执照则很昂贵。核能现在占全世界13%的发电来源。

　　2)Manufacturing制造类

　　为了不断提高操作效率，机械工程师会设计和制造一系列的机器与系统。空气污染控制、自动化、物料搬运和设备运转技术都是专注于制造类的工程师所专注的领域。

　　依然以University of Michigan为例，学校在该Manufacturing方面所研究的领域包括：Nanotube structures and devices纳米管结构和设备;Mass customization and systems大规模定制系统;Laser welding and joining(fabrication and modeling)激光焊接和连接(制造和建模);Reconfigurable manufacturing可重构制造;Laser micromachining激光微加工;Precision manufacturing精密制造;Biomedical devices生物医学设备;Metal ultra high speed cutting金属超高速切削;Global health design全球卫生设计;Affordable medical device design负担得起的医疗设备设计;Sustainable machining processes and systems design可持续的机器加工和系统设计。

　　这个大方向不仅仅需要物理方面的知识，还有很多知识是和计算机相交叉的。比如说在这个大方向下的自动化，不仅仅涉及到ME的知识，还涉及到EE和CS的知识。我们在IE的部分已经说过，IE的发展是来源于ME的，就是为了解决大规模生产的时候的问题。(这又在某种程度上说明了工科的交叉，当然这也是现代学科发展的一个趋势)。一般来说这个方向的学生都会学习：机械原理，固体力学等等课程。因为这个专业方向有个特点，新兴方向非常依赖计算机工具，比如说在设计东西的时候，需要计算机辅助，因此它的很多知识与计算机相交叉。从申请方面来说：由于美国的大专业制，大部分我们的ME学生，自动化学生，车辆工程等大ME类的学生，以及部分学习物理的学生，都适合学习这个方面。

　　3)Design Mechanics设计力学类

　　该领域主要是设计消费者和工业界所需的设备，家用电器、汽车、计算机硬件、工厂设备、宇宙飞船、飞机，所有这些任何需要机械运动的东西，都是由该领域的工程师来设计的，当然很多时候是与其它领域的设计师一起完成的，比如说计算机硬件设计，不仅仅要考虑到工程特性的设计，如耐用性等，也需要考虑到外观设计，而这就需要和计算机领域的专业人士一起来完成。其中一个越来越受机械工程师关注的领域是医学生物技术，多数是做一些生物医疗器械，而这个方向又跟材料科学，EE和CS相交叉了。

　　在University of Michigan的Design领域，它有这些研究方向：Micro and nano precision systems微型和纳米精度系统;Smart structures and materials智能结构和材料;Nanoscale systems纳米系统;Compliant mechanisms柔性结构;Multidisciplinary design optimization多学科设计优化;Assembly， disassembly and supply chains组装、拆卸和供应链;Medical device design医学设备设计;Global health design全球卫生设计;Sustainable design of products， processes， and policies可持续的产品、流程和政策的设计。

　　好的设计工程师要求对客户需求、服务环境、工业标准、材料、生产过程和公差有一个深入的了解。为了使设计工程进展顺利，CAD通常是必备工具，比如计算、建模和模拟。学习该领域的申请者对CAD不会陌生，几乎所有的物理产品和工具是这样设计出来的。

　　在申请的时候，需要具有很强的力学相关的知识，以及机械理论方面的基础知识(分为整体制造和流程理论两大分支)，这里又会跟工业设计有一些交叉。但是与工业设计还是不一样的。工业设计是偏向于艺术类的专业，需要申请者有很强的艺术功底，在申请过程中也需要提交作品集。而在ME里的设计，并不需要这些条件。因为他们的Design 更多的是可行性的设计，比如设计一款手机的外壳，使用一种材料，是否可以达到一定的强度以起到保护手机的作用，同时厚度又不会太厚。而美观的设计那是工业设计里需要学习的。

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