机械工程设计的研究方向还是比较多的，根据不同侧重点，机械工程专业可以细分为材料、能量、制造、控制四大类，而这四大类下面又分为几个研究方向，具体如下（一下机械工程简写为ME）：
1 材料大类：主要涉及机械领域内的纳米微米材料，聚合工程，生物机械。
◆纳米微米机械材料的主要研究方向：
纳米技术的不断发展给机械领域提供了一种全新的材料选择的可能。目前和机械交叉的研究领域主要集中在：高级材料学，材料及固体力学，材料及机械系统，材料加工，材料机械特性，材料力学，材料力学及制造。
申请所需相关背景：需要有很强的材料学背景，同时要求有固体力学，材料力学，工程力学背景。
申请难度：由于很多学材料的学生会转向这些和他们非常相关的学科进行申请，所有单纯具有机械背景的申请者能成功地机会非常小。而且纳米作为新兴的技术，受到各国重视，美国本土学生也会大量申请。所以此专业的申请难度非常大，没有很牛的背景请不要轻易尝试。
◆生物机械的主要研究方向：
生物机械，生物力学，生物机械工程，生物材料与设备，材料力学，生物传感器，纳米技术，活细胞封装，工程生物力学，生物医学机械工程，神经工程学，整形外科工程，感觉及神经系统研究，运动生物力学，人造心脏。
申请所需相关背景：这是典型的新兴学科同传统基础学科结合的表现。总体来说，此方向需要生物学，机械工程和医学知识三个领域的知识背景。单纯的生物或医学背景是很难适应此学科的要求的，需要在具备机械背景的同时拥有生物，或者医学知识，尤其是生物学知识。这里所说的机械背景主要指机械中基本的制造，力学，材料背景。但要求不会像前面几个学科中对纯力学或材料背景那么高的要求。另外对于神经工程学，感觉及神经系统研究，人造心脏这些方向，处了需要医学、生物学、工程学知识外，还要有很好的EE背景（信号模拟，信号传输等）。
申请难度：此学科属于新兴学科，所有美国学生申请的比较多，而且由于是交叉学科，三个领域的研究者只要在相关的另外两个领域有一定背景，就能够申请，因此申请的竞争非常激烈。对于国内纯机械工程学院毕业的学生来说最好不要尝试这个方向，成功机会渺茫。
◆聚合工程的主要研究方向：
主要通过分子聚合技术为机械领域提供新型材料
申请所需相关背景：需要有很好的高分子材料相关背景，同时对材料力学的要求也比较高。
申请难度：一般来说，高分子的学生多还是会选择化学系下进行研究。转向ME学院的毕竟还是少数，所有说如果有很好的高分子背景，再有一定的机械基础则成功地机率会非常大。总体来说这个方向只要背景不错还是很好申请的。
2 能量大类，主要涉及的学科有：能量、摩擦、燃烧、流体这几大类。
◆能量的主要研究方向：
能量及流体，主要包括风能、水能的能量转换，能量转换系统及其设备的设计制造，能量系统及热力学，能量应用（加热/通风/空调及制冷用能），能量及环境，环境能量技术评估，热物理学，太阳能，清洁能源，清洁能源技术。
申请所需相关背景：申请此方向需要有很强的物理学基础；当偏流体学相关时，那么申请者相应的流体力学、空气动力学，热力学等相关背景；如果有能量系统整体研究则要有很好的数学建模能力；在能量转换系统设备制造这一领域，则要有很好设计相关背景。
申请难度：由于目前来说，能源问题很受各国的重视，能量的主要研究集中在新能源的开发，各种能量转换设备的设计和制造上。资金主要来自于联邦政府的拨款，由于此领域的战略意义和研究的难度，有研究实力的都是综合排名比较靠前的学校，所以申请难度比较大，但是一旦通过录取，获得offer的机会是非常大的。
◆摩擦的主要研究方向：
摩擦时能量的转换，同热物理学结合非常紧密，并同新型材料的研究开发结合，对某些材料的相关摩擦性能进行研究。
申请所需相关背景：物理学的研究内容之一，所以申请此专业一定要有好的物理背景。除此之外根据不同的方向应有热力学或材料学相关背景。
申请难度：总体来说，申请此方向的多为物理理论研究者，申请竞争人群的数量不大，所以在ME专业中属于较好申请的一类。
◆流体的主要研究方向：
主要针对两大主要方向：航空航天领域和能量领域。前者有空气动力学，推进，空间探索系统，后者有水电、风电为主的流体能量转换。另外还有环境及生物流体力学，流体动力学，流体物理学，热力学，物质专业。
申请所需相关背景：如果从事理论研究，则对物理、数学建模和流体力学要求非常高，如果是偏相关设备的研究则要很好的机械背景。
申请难度：美国AME非常需要这方面的理论研究人才，所有多是原来从事物理、流体力学的研究者向此方向申请，一般纯机械的申请者在这几个领域申请是没有优势的。总体来说如果具有理论基础则在申请中有很强的竞争力。
建议具有物理、流体力学、热力学、空气动力学等理论研究背景的申请者选择以上几个方向。
◆燃烧的主要研究方向：
燃烧，燃烧及推进，燃烧及能量，能量转换，燃烧及热传递，电气推进，涡轮及推进，汽车工程中内燃机的燃烧研究等。
申请所需相关背景：通摩擦一样，物理背景必不可少，热力学非常重要。当然如果是偏向设备的话，那么就需要机械的设计制造与控制背景了。
申请难度：燃烧同能量的结合极为紧密，但与实际工程的运用结合得更紧，所以申请者更多些，竞争要比能量和摩擦的激烈。
3 制造，主要包括设计和制造两大方向
◆设计的主要研究方向：
机械设计，产品设计，设计方法学，计算机辅助设计，工程设计
申请所需相关背景：设计在国内主要以工业设计学院的形式设置。ME中的Design，适合的申请者一般具有机械理论基础（分具体机构和整体制造流程理论两大方面），同时又有设计基础——包括一定的艺术功底（素描），电脑绘图软件（Photoshop，ProE等）的运用。
申请难度：对于国内的ME的学生来说如果单独申请设计，主要缺陷在于设计理念、理论的落后，对整体工艺的把握上同工业发达国家的申请者相比差距比较大。而工设的学生在机械理论基础知识上有比较匮乏，所以能够成功申请的应届毕业生不多。获得录取的多为有一定工作经验的申请者，所以参与竞争的人群数量较小，如果有相关背景申请比较容易。
◆制造的主要研究方向：
计算机辅助制造，产品实现，高级制造，制造科学，制造系统，纳米制造。
申请所需相关背景：国内ME学生的主要申请方向集中于此，而且多集中于机械制造和计算机辅助制造。对于此专业的学生，申请首先需要基本的机械工程学背景，包括：机械原理，机械制造和固体力学背景。另外，对于产品实现，高级制造和计算机辅助制造，一定要有很强的计算机背景，包括计算机语言编程，设计软件的使用;纳米制造则首先要有很好的纳米技术应用背景，然后具备一定的工程学知识。
申请难度：国内的ME学生大多数都比较适合此方向，所以申请的人数非常多，竞争比较激烈。。如果能够有足够的计算机设计背景那么成功获得录取的机会将会非常大。
4 控制类，包括计算机辅助工程，系统与自动控制，微电子系统
◆计算机辅助工程的主要研究方向：
计算流体力学，计算工程及信息技术，计算力学，计算科学及工程，计算机辅助工程，计算机辅助设计，力学建模，数学计算建模，数字推进，数字方法，数字模拟，虚拟现实应用。
申请所需相关背景：极强的数学背景——应用数学，数学建模，计算工程，同时还需要计算机语言能力和计算机软件运用能力。如果能在具有这些能力的同时还能有相应的其他背景（如申计算流体力学有流体力学背景，申计算机辅助设计有设计经历，计算工程及信息技术有EE背景）那么会使自己在申请中得到很大程度上的加分。
申请难度：由于偏向CS和EE，美国申请者，国际学生都很喜欢这个专业，所以申请的难度大大增加。虽然不如EE和CS，但是由于众多EE和CS的申请者为了躲避本专业的高难度申请，纷纷转向同本专业结合非常紧密而且有不错就业前景的这个方向，造成了此方向的同前面三个方向相比难度大了非常多。
◆系统与自动控制的主要研究方向：
系统控制，控制/设计/制造，控制及 动力学，控制/机器人/仪表，动力学系统及控制，动力学系统/控制及机械人，旋转机械动力学，动力学/振动/声学，系统动力学及控制，系统识别及控制，系统/测量/控制，智能机械系统，智能交通系统，机械系统，非线性动力学及适应控制，非线性飞行控制，机械人学，机械人及控制，机械人及动力学，机械人及自主系统，机械人及人机交互，转动体动力学，自动化，自动推进系统，自动巡航系统。
申请所需相关背景：需要数学、计算机语言编程、基本的EE相关背景（电子电路知识）、控制的鲁棒与最优控制、鲁棒多变量控制系统、大规模动态系统、多变量系统的标识、最小最大控制与动态游戏、用于控制与信号处理的自适应系统、随机系统、线性与非线性评估的设计、随机与自适应控制等等，同时根据不同侧重点，应有相应的设计制造、动力学、仪表等相关背景。
申请难度：同计算机辅助系统相比，此方向的研究内容更加靠近EE这个理工科中最难申请的专业。而且国内的ME和EE专业无一不会设置自动控制上的课程，所以说这个方向是ME的中国学生也是美国和国际学生 申请方向最集中的专业方向，加上EE和CS的申请人群的转移，所以这是ME专业中最难申请的方向。
◆微电子系统的主要研究方向：
MEMS，纳米制造，微机械与纳机械装置，超声微喷流和微米尺度电机，纳米尺度热量流动，微流体，微重力，微尺度热传递，微米/纳米系统，纳米摩擦学，纳米力学。
申请所需相关背景：MEMS是一个极端多学科交叉的领域，最基础的方面是微制备技术的加工知识，制造微小结构的方法，同纳米技术结合紧密，所以很强的纳米技术必不可少。同时根据不同侧重点还需要有基本的机械理论知识，流体，力学相关知识。
申请难度：这也是一个新兴的交叉学科，对美国学生有很大吸引力，另外由于EE学科中也有这个方向的设置，所以申请难度仅次于系统与自动控制。有强纳米材料背景的申请者会在申请中占有优势。
5 声学、光学，主要包括：激光技术、光电测量，声音动力学、公路噪音控制、震动
◆声学的主要研究方向：声音动力学、公路噪音控制、震动
申请所需相关背景：物理背景，声音动力学，声学传感器应用背景
申请难度：申请者多为纯物理研究者，所以申请人群非常少，申请竞争不激烈，容易录取。
◆光学的主要研究方向：
激光技术，光电子学装置，超快电子学，非线性光学，微光子学，三维视觉，光通讯，软X光与远紫外线光学，光印刷学，光数据处理，光通讯，光计算，光数据存储，光系统设计与全息摄影，体全息摄影研究，复合光数字 数据处理，图象处理与材料光学特性研究。
申请所需相关背景：强光学背景，测量技术，图像技术
申请难度：虽然在美国光学和光电学结合非常紧密，但是国内这两个学科的结合紧密程度远不如美国。国内申请此方向的多是物理学基础研究者，而国内EE此专业的设置并不重，因此此方向国内的申请者很少。竞争不激烈，较容易申请。
总体来说，ME专业中申请难度如下：
最难申请的：系统与自动控制，MEMS，计算机辅助工程。
其次：制造，设计。
较易申请的：纳米材料，生物机械，聚合工程。
最易申请的：声学，光学，摩擦，燃烧，能量，流体。
