创新创业，追逐超声电机中国梦 ——记中国科学院院士赵淳生和他的超声电机研究
赵淳生，中国科学院院士，南京航空航天大学教授，机械工程专家，中国超声电机技术的开拓者和奠基者。1938 年11 月生于湖南衡山，1984 年获法国巴黎高等机械学院工程力学博士学位，2005 年当选为中国科学院院士。发表学术论文400 多篇，授权发明专利100 余项；共获国家、省部级科技奖20 余项，其中国家技术发明二等奖2 项。2014 年, 获何梁何利基金“科学与技术进步奖”和“超声电机技术杰出贡献奖”、“超声电机领域的终生成就奖”二项国际奖。2015 年荣获“全国先进工作者”称号。
摘要：追梦25 年，给赵淳生院士及其团队留下深刻印象的，不是坎坷和艰辛，而是一个个温暖的瞬间和接 近梦想的喜悦。三个国家级、两个省部级科研平台获批建设；两个国家技术发明二等奖；国际顶尖同行的高度评价。中、英文专著成为超声电机技术的里程碑和莘莘学子成就梦想的阶梯。对嫦娥三号、嫦娥四号、墨子号量子科学试 验卫星的装备和技术的有力支撑，为中国超声电机事业注入了强大活力，激励赵淳生院士团队始终不忘初心、砥砺前行追逐超声电机中国梦。
1 超声电机的工作原理与特点
超声电机（Ultrasonic motor, USM）是20 世纪80年代发展起来的一种全新概念的微特电机。它利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频段的微幅振动，通过定、转子（动子）之间的摩擦作用将微幅振动转换成转子（动子）的宏观旋转（直线）运动，输出功率、驱动负载。与基于电磁感应原理的电磁电机不同，超声电机具有体积小、重量轻、结构简单紧凑、响应快、电磁兼容性好、低噪音、定位精度高等优点，能够满足航空航天、武器系统、生物医学工程、机器人等高端（智能）装备领域对微特电机的需求。
声电机设计灵活、结构多样，属于定制型产品， 目前尚无统一的分类方法。依据定子的结构形式，超声电机可以分为板式、杆式、环式、壳体式以及其他形式。按照超声电机的运动输出方式，可以分为旋转型（图1）和直线型（图2）两类。按照超声电机定子 的振动形式，可以分为五类，分别是纵振电机、纵/弯电机、纵/ 扭电机、弯/ 弯电机和基于面内振动模态的超声电机。超声电机是振动利用工程领域中的一种典型产品，按照定子的振动特征进行分类能够很好的反映超声电机的特点。
超声电机是利用压电元件激励不同结构形式的定 子产生纵向、弯曲和扭转振动，并通过定、转子之间的摩擦作用实现运动和力矩输出，因此存在以下十个特点。第一，超声电机结构紧凑、设计灵活，转矩密度大，可实现电机的短、小、薄。同类型、同尺寸的超声电机和电磁电机相比，前者的转矩/重量比可达后者的5~10倍。第二，超声电机具有低速大转矩的特点，无需齿轮减速，可实现直接驱动。由此大大减小了齿轮减速机构带来的重量大、体积大、结构复杂、 能量损耗、传动误差以及振动噪音等问题，提高了系统的定位精度和响应速度。第三，超声电机的运动部件（转子或动子）的惯性小，响应速度快（毫秒级）。 第四，不需要蜗轮蜗杆就能实现断电自锁，并且具有较大的自锁转矩。主要是因为定、转子（动子）之摩擦作用，制动速度更快。第五，超声电机的位置和速度控制性好，位移分辨率高。超声电机定子的振幅一般是微米级，且转子或动子的质量小，在伺服系统中容易实现微米级甚至纳米级的控制精度。第六，超声电机本体不产生磁场，亦不受外部磁场的影响。与电磁电机不同，超声电机的定子系统无磁极和绕组，因而工作时既不产生磁场也不受外部磁场的影响。第七， 超声电机可实现低噪声运行。超声电机的定子系统工作在超声频段，超出了人类听觉范围，因此运行时很安静，噪声在45dB以下。第八，如果设计合理，压电材料和摩擦材料选用合适，超声电机可在真空、高/ 低温等极端复合环境下工作。第九，可以实现极慢转速， 可达24 小时1 转，甚至1 个月1 转。第十，能够承受高过载（加速度>10000g）。
2 开辟超声电机中国新天地
20 世纪60 年代，前苏联的Lavrinenko 制作了一种靠摩擦驱动的装置。随后，美国IBM 公司的Barth博士提出了由压电陶瓷激励、摩擦驱动的方法，提供了最早的超声电机设计方案。80 年代初，多种新型超声电机结构方案在日本出现。到90 年代，日本佳能公司已经实现了20~40 万台超声电机的年生产能力，并将其成功应用于单反相机镜头调焦系统。这不仅使佳能公司实现了产品技术跨越式提升和丰厚利润，同时也奠定了日本在超声电机领域的领先地位。超声电机由于其独特的工作原理所带来的一系列优点，受到美国、德国、法国、英国等发达国家的高度关注，美国麻省理工学院（简称MIT）等高校在20 世纪90 年代展开了超声电机的研究，尝试利用超声电机解决火星探测器和工业机器人等高端装备的技术瓶颈。
20 世纪80 年代末，我国清华大学、浙江大学、南京航空航天大学（简称“南航”）、吉林大学、哈尔滨工业大学等也相继开展了超声电机的研究。1995 年底，南航的赵淳生教授科研团队研制出了我国第一台结构完整、能实际运转的超声电机，实现了我国超声
电机零的突破，并于1996 年1 月，在中国航空总公司的主持下，通过了以冯纯伯院士为首的专家组的技术鉴定。自此之后，在国家自然科学基金、863 项目、总装备部武器装备重点基金、江苏省科技攻关项目、航空基金等的资助下，南航赵淳生教授团队研发出了
一系列的超声电机原理样机，并逐步在多个领域实现了应用。
1992 年，赵淳生教授在美国麻省理工学院（MIT）航空航天系做访问学者期间，听了一场关于超声电机研究及其发展的学术报告。由于超声电机基于振动利用的原理，对于具有三十多年振动工程理论研究和应用的他, 对于全新的课题很感兴趣。而且他敏锐地感觉到超声电机将可能在我国的航空航天、武器系统等领域使用，也可以在生物医学工程、精密定位平台等民用领域应用，甚至可以做的足够小，进入人体血管做清洁工作。超声电机将可成为新的科学前沿并为国家的科技发展带来巨大推动力。于是在报告会后, 他立即将原定的“智能结构”和“机械故障诊断”两个研究方向调整为超声电机技术。在美国MIT 航空宇航系超声电机课题组工作一年后，他决定回国开启新的征程：研究我国自己的超声电机！
1994 年10 月赵淳生教授放弃了美国优越的条件和丰厚的报酬，不顾家人强烈反对，离开了在美国生活的家人，回到了南京航空航天大学，立即组织了一个4 个人的课题组（包括一个博士后、一个博士生和一个硕士生）开展超声电机的研究。1995 年底，在既当实验室又做办公室的20 平米小房间里，我国第一台结构完整、能实际运转的超声电机诞生了，从此开辟了中国超声电机技术新天地。
3 超声电机在南航的发展经过
25 年的发展，赵淳生院士领衔的超声电机科研团队已从当初4 人课题小组逐步发展成为了具有教授10 人、副教授10 人、讲师2 人、博士后和研究生150 余人的精密驱动与控制研究所，同时也成为了南航机械结构力学及控制国家重点实验室的核心学术团队。赵淳生院士的团队在超声电机技术领域共发表学术论文800 余篇，申请国家发明专利近400 项，已授权国家发明专利200 余项，开发了60 余种新型的超声电机。
国家的支持和各级领导的关怀一直伴随着赵淳生院士及其团队的研究工作：1997 年经学校批准，成立了“超声电机研究中心”，赵淳生教授担任中心主任。这就是赵淳生院士的超声电机研究团队的源头。2000年经江苏省发展与改革委员会批准，赵淳生教授的科
研团队成立了江苏省超声电机工程研究中心，创建了我国超声电机领域的第一个省级科研平台。2006 年，在南航“超声电机研究中心”和“江苏省超声电机工程研究中心”的基础上，赵淳生教授创建了南航“精密驱动研究所（Precision Driving Lab.）”，并担任第一任所长。同年，随着赵淳生院士团队研发的超声电机在航空航天、武器系统等国防领域的应用，其团队成功申请到了第二个超声电机的省部级研究平台——精密驱动技术国防重点学科实验室。
2011 年对于南航和赵淳生院士团队来说，都是不平凡的一年！ 2010 年11 月，国家科技部发布了制造领域的国家重点实验室建设指南，与赵淳生院士团队的科研密切吻合。为了实现南航在国家重点实验室上零的突破，赵淳生院士在时任北京理工大学校长胡海岩院士的大力支持和帮助下，协同所在航空宇航学院的其他四个相近领域的研究所共同申报了南航的第一个国家重点实验室。经过1 年的申报历程，其中赵淳生院士经历两次答辩，2011 年10 月，一个特大喜讯传回南航，“机械结构力学及控制”国家重点实验室申报成功！这是几代南航人的梦想，也是赵淳生院士团队的梦想！还是在这一年，以瞄准国际学科发展前沿，引进、汇聚海外学术大师、学术骨干，与国内优秀科研骨干一起，提升中国超声电机技术整体的科研水平和国际地位为目标，赵淳生院士团队邀请了立陶宛、德国、韩国等国家的超声电机专家加入, 申报的“高性能压电驱动系统关键技术创新引智基地”成功获得教育部和国家外专局的批准，实现了南航“111 创新引智基地”零的突破。仅过1 个月，赵淳生院士团队再次给南航带来了一个惊喜！经国家发改委批准，“国家地方联合超声电机工程实验室”在南航成立，赵淳生院士担任该实验室的第一任主任。该实验室的建设目标就是为了建立我国超声电机技术的推广应用基地、制定我国超声电机工程测试与检测标准基地以及超声电机技术人才培养基地。
在赵淳生院士的带领下，南航超声电机技术研究团队在短短不到二十年的时间里，成功摘得三个国家级、两个省部级科研平台（如图3 所示），奠定了南航在中国超声电机研究领域的领先地位。
从1994 年至今，赵淳生院士及其团队始终坚持在超声电机这个研究领域耕耘，志在实现中国超声电机产业化，赶上甚至超过日本、美国、德国等国家。由于多年超声电机技术的积累以及实现了部分超声电机在国防装备上的应用，赵淳生院士团队申报的“超声电机的研究”项目于2003 年获得国防科技一等奖，是我国超声电机技术研究领域的首个省部级奖项。同时，以旋转型超声电机为主体的“新型超声电机技术”于2004 年获得了国家技术发明二等奖。赵淳生院士领衔的团队再次创造了中国超声电机技术研究的奇迹，也充分说明国家认可赵淳生院士团队的研究成果。
国家科技奖充分肯定了赵淳生院士团队在超声电机领域的研究成果，更为超声电机的发展指明了方向，具有更大应用价值的直线型超声电机成为赵淳生院士团队下一个目标。那时，一些直线型超声电机的样机已经出现，但一些关键技术环节尚未解决。从2005 年开始，赵淳生院士团队用了将近8 年的时间，攻克了直线型超声电机的若干技术难关，建立了相对完整的
直线型超声电机的理论体系，开发出了15 种新型直线型超声电机，并在武器装备系统、激光惯性约束核聚变、精密定位平台等领域得到了应用。2012 年，“大行程、高精度、快响应直线压电电机”项目荣获教育部技术发明一等奖，这是赵淳生院士团队在省部级奖项上的又一个大丰收。2013 年，经教育部推荐，该项目又荣获国家技术发明二等奖，使得超声电机技术在20 年的时间里共荣获两次国家奖、两次省部级奖。
可以说，在南航尚属首次，在全国也是为数不多的团队两次荣获国家技术发明二等奖。此外，面向产业化的“大行程、高精度、快响应直线压电电机”项目于2013 年11 月在第十六届中国国际工业博览会上荣获高校展区优秀展品特等奖。由于赵淳生院士及其团队在超声电机领域的杰出贡献，2014 年10 月，赵淳生院士本人荣获“何梁何利基金—科学与技术进步
奖”，再次成为南航在该奖项上的首位获得者。2015年5 月，赵淳生院士光荣地被党中央和国务院授予“全国先进工作者”荣誉称号，并得到了党和国家领导人的接见与授奖。
习主席说：“形势逼人，挑战逼人，使命逼人。我国广大科技工作者要把握大势、抢占先机，直面问题、迎难而上，瞄准世界科技前沿，引领科技发展方向，肩负起历史赋予的重任，勇做新时代科技创新的排头兵。”事实上，为了抢占超声电机领域制订超声电机技术标准这个至高点，从2008 起，赵淳生院士带领其团队，建模型、做试验、集数据、搞加工、培养用户，历经十年之久，付出了巨大的辛劳和智慧，终于制订出制出“超声电机技术军用标准”，并于2018 年5月颁布实施。与此同时，起草了“超声电机技术国家标准”，并于2018 年12 月18 月在全国微电机标准委员会上通过，将在今年下半年颁布实施。在此基础上，赵淳生院士及其团队还要制订“超声电机技术国际标准”，抢占超声电机领域的世界至高点。
4 中国超声电机的研究占世界一席之地
2014 年，对于赵淳生院士来说，又是不平凡的一年。9 月，由赵淳生院士担任大会主席的第十一届压电材料及其在作动器上的应用国际学术研讨会（International Workshop on Piezoelectric Materials andApplications in Actuators, IWPMA）在苏州召开，这已经是赵淳生院士团队第二次在中国举办该国际会议。该会议是由美国、日本、德国、韩国、立陶宛、法国、土耳其、中国等国家的超声电机技术领域的专家联合组成的会议组委会，约定每年轮流在一个国家召开。组委会的外方专家通过讨论，一致同意在苏州的IWPMA 会议上授予赵淳生院士“超声电机领域终生成就奖”荣誉称号，该奖项旨在奖励在压电材料及其在作动器上应用研究取得丰硕成果、在国际上和所在国家享有盛誉、德高望众的专家。图5 是IWPMA 组
委会成员、德国莱布尼茨- 汉诺威大学J.Wallaschek 教授向赵淳生院士颁奖。该奖设立11 年来，赵淳生院士是国际上第二个也是我国第一位获此殊荣的科学家。同时期，总部设在美国佛吉尼亚理工大学的能量收集材料与系统中心（Centerfor Energy Harvesting Materialsand Systems, CEHMS）向赵淳生院士颁发了“超声电机技术杰出贡献奖”，再次表彰赵淳生院士对超声电机技术做出的非凡贡献。该奖项每年只从世界范围内选取一名在压电材料应用领域做出杰出贡献的学者，从设立到赵淳生院士获奖，全世界共四人获此殊荣，包括2 名美国专家，1 名德国专家，以及赵淳生院士。
赵淳生院士团队的研究成果不仅在国内学术界是亮眼的成果，也多次荣获国际大奖。2011 年，赵淳生院士团队的“角秒/ 纳米级精度超声电机及其驱动与控制系统”荣获日内瓦国际发明展银奖。2014 年，“多足箝位式压电电机”项目荣获日内瓦国际发明展金奖。除此之外，他还获得了一系列其他奖项和荣誉称号，包括“江苏省优秀教育工作者”“江苏省先进科技工作者”“国防系统先进工作者”“总装备部先进工作者”“江苏省十大杰出专利发明人”和“南京市十大科技之星”等称号。上述奖项和荣誉充分肯定了赵淳生院士及其团队在超声电机技术研究领域做出的贡献，对推动全世界超声电机技术的发展与应用起到了重要的作用！
随着超声电机在中国的研究圈子不断扩大，加上赵淳生院士团队十多年的研究成果积累，赵淳生院士认识到有必要出版一本有关超声电机的专著，即可作为研究人员的参考书，也可以作为研究生的教材。2007 年，赵淳生院士组织团队完成了《超声电机技术与应用》中文版专著的撰写工作，并通过科学出版社出版、发行。该书从振动与波动理论出发，全面而系
统的阐述了超声电机的运行机理、理论模型、驱动与控制技术以及最典型的应用示例，深入而完整地总结了赵淳生院士团队15 年来在超声电机技术领域的研究成果，对科研工作者开展超声电机的研究具有先导和启示作用。同年，多位前来南京参加赵淳生院士团队举办的第四届IWPMA 国际研讨会的外国专家纷纷购买了多本《超声电机技术与应用》一书带回他们的学校，并一致认为该书的英文目录、部分英文图表均能对他们未来的研究起到借鉴作用。外国专家们还建议赵淳生院士将中文书翻译成英文版，向全世界发行，使得更多的外国科研工作者学习超声电机技术。随后，赵淳生院士在他们的鼓舞下，开始组织其科研团队将《超声电机技术与应用》中文版翻译成英文版。2008年，《超声电机技术与应用》中文专著从浩如烟海的出
版物中脱颖而出，一举荣获第二届“中华优秀出版物优秀图书奖”，这是对赵淳生院士团队的再次激励与鼓舞，更加坚定他们翻译并出版《超声电机技术与应用》英文版专著的决心。
经过近三年的努力，在对中文原版作了进一步的精炼，并补充了2007 年以来最新的科研成果，2010 年10 月，赵淳生院士主编的英文版学术专著《Ultrasonic Motors: Technologies and Applications》由世界著名的出版公司“Springer-Verlag”首次向全球发行。世界知名超声电机技术专家、日本东京工业大学教授Minoru Kurosawa 如此评价赵淳生院士主编的英文版专著：“这本书概括了超声电机的基础研究到应用整个过程，结构严谨、条理清晰，内容几乎包括所有类型的超声电机，其广度和深度令我吃惊！”德国著名的机械工程专家、莱布尼茨- 汉诺威大学的J.Wallaschek 教授为该书写了序。他在序言中表示：“赵淳生教授是超声电机领域的先驱者和引领着。他的理论和实验对该领域科学进步做出了诸多的贡献，他所创建的精密驱动研究所非常成功，世界驰名。这本书不仅总结了赵淳生教授团队的科研成果，同时也对超声电机的技术前沿和现状作了一次全面而系统的回顾。”俄罗斯联邦工程院院士、南航111 创新引智基地外方首席科学家、立陶宛维尔纽斯大学的Vasiljev 教授评价该书：“赵淳生教授和他的团队所获得的理论和实际的研究成果涉及十分宽广的范围，而且是从一些实际的系统而获得的。他们所获得的一些新的研究成果都在书中作了系统的介绍。这对高新技术的发展是非常有价值的。书中的信息，不仅对工程师们和科学家们在设计和发展新作动器非常有用，而且对于学生的教学也很有用。”目前，《超声电机技术与应用》的中文版已经售罄。同时，《Ultrasonic Motors: Technologies and Applications》英文版专著也已在欧洲、美国等地售罄，该书价格也已由原来的200 多美元升至1000 多美元，超过了绝大多数技术类书籍的定价，如图6 所示。
5 科研成果的重要应用
赵淳生院士团队一直秉承着科研成果真正落地，做到切实服务国防、服务国民经济的思想。尽管美国在1997 年已经将超声电机应用于火星探测车上，实现了超声电机在外星球上的首次应用，但是自此之后并未有相关的报导。2013 年，赵淳生院士团队成功将超声电机应用于“玉兔号”月球车，并随嫦娥三号探测器成功登月。作为“玉兔号”月球车上红外成像光谱仪的驱动与控制系统，超声电机在月面上一直运行稳定，使我国成为了继美国之后的第二个将超声电机应用到外星球的国家，同时也是第一个将超声电机应用到月球上的国家。所应用的超声电机重量仅45g，是同类型电磁电机重量的十分之一，因此对于一克重量一克金的航天器来说，超声电机的独特优势十分明显。在真正登月前，月面模拟试验必不可少。为了研制能
真正用于嫦娥三号上的超声电机，赵淳生院士团队做了二百多次试验，包括极端环境试验、辐照试验、月尘试验、寿命试验、低温存储试验、力矩余量试验、陶瓷片裂纹冗余设计与验证试验等十余种类型的试验，攻克了超声电机在极端环境上应用的多重难关。有了第一次的成功登月，2019 年1 月，嫦娥四号探测器携带的“玉兔二号”月球车在月球背面成功着陆，赵淳生院士团队研制的超声电机同样作为红外光谱仪的驱动与控制系统，再次随着嫦娥四号登月。从目前的运行情况来看，一切正常，充分说明超声电机完全经得起极端环境应用的考验。有了前两次的成功实例，今年发射的嫦娥五号也将由赵淳生院士团队提供超声电机。此外，包括“墨子号”科学实验卫星在内的若干卫星都应用了赵淳生院士团队研发的超声电机。
除了在航天上的应用，赵淳生院士团队研制的超声电机还在光学镜头调焦系统、精密定位平台、核磁共振注射仪、机器人、武器系统等高端装备上广泛应用，如图7 所示。
6 结束语
如何实现科研成果的真正落地，是赵淳生院士团队一直在思考的问题。超声电机技术的产业化一直是赵淳生院士的梦想，即使到了耄耋之年的他，还在为实现超声电机产业化操劳和奔波，他与其团队正在付诸实际行动将这个梦想转变为现实。赵淳生院士团队不甘心于实验室的超声电机研究，更想做的是向日本佳能公司和新生公司学习，真正将超声电机产业化，让超声电机广泛应用于我国国防、航空航天、国民经济各个领域。尽管年过八旬，赵淳生院士仍每天为超声电机产业化事业拼搏，誓将产业化这块硬骨头啃下来。从最初卖专利，到现在院士团队自己投资开公司，赵淳生院士及其团队经历过三次创业失败，但他不退缩，在一次次失败中汲取经验和教训，继续向产业化的道路前行，期待终有“中国超声电机产业化的春天，所生产的超声电机不仅能满足国内市场，还能进入国外市场的一天”！为了推广超声电机、宣传和开拓超声电机应用市场，近两年赵淳生院士每年受邀在全国进行超过20 场超声电机技术的演讲，覆盖的领域包括机器人、高端装备、航空航天、生物医学工程等。赵淳生院士及其团队一直认为，研究超声电机的根本目的在于实现最终的应用，只有真正的应用和市场的需求，研究才有价值、意义和生命力。虽然超声技术的研究与应用是两个不同的工作，但是在推动超声电机产业化的过程中，两者又是相辅相成的。研究为最终的应用和产业化提供技术支撑，而应用和产业化又是将研究成果推向市场、实现真正落地的主要手段。创业的路，既艰辛又坎坷，赵淳生院士及其团队在这条路上继续摸索着、仍壮志昂扬的走下去，追逐超声电机中国梦！
创新创业，从来就不是一蹴而就的。赵淳生院士及其团队花了25 年的时间，仍然还在摸索着如何走一条属于我们中国自己的超声电机创新创业之路。“贵在坚持”四个字是赵淳生院士自题并书写挂在自己办公室的自勉话语，也是鼓励其团队在超声电机技术产业化的道路上不要放弃的座右铭。可以毫不夸张的说，就是因为赵淳生院士及其团队25 年来的坚持，开拓了
中国超声电机发展的绚丽一幕！赵淳生院士也被同行誉为中国超声电机技术的开拓者与奠基者！赵淳生院士及其团队仍在做追梦人，追逐他们心中的超声电机中国梦！
