¿Cómo puede un estudiante universitario de Ingeniería Mecánica en su segundo año estar seguro de que es capaz de ayudar a un Profesor en investigación, y cuáles son las opciones disponibles para él con respecto a las oportunidades de investigación independiente en sus años pre-finales y finales?

No importa si estás en tu primera, cuarta u octava sem. Nunca lo sabrás hasta que comiences a trabajar .
Ser teóricamente sólido en el área de investigación definitivamente ayuda, pero definitivamente necesitará profundizar en el tema porque investigar es resolver un problema que no se ha resuelto antes. Puede hacerse una idea leyendo documentos que sean lo más similares posible al trabajo que está haciendo su profesor, pero si bien ese enfoque lo ayudará a evaluar si este es un monstruo que desea abordar, no le permitirá saber si puede abordar y ganar. Nada ni nadie puede.
Mi consejo sería ir a los libros durante un mes más o menos, y hacer que sus conceptos básicos sobre el tema sean inquebrantables, luego leer y analizar alrededor de 25-50 artículos que son citados por muchos otros en el campo para tener una idea de los diferentes teorías y métodos que se usan actualmente en esa área. Una vez que haya hecho eso, regrese al problema específico con el que su profesor le ha pedido que lo ayude. Si aún no se lo ha dicho, pregúntele antes de trabajar en los pasos mencionados anteriormente. Por lo general, los profesores dejan que los estudiantes escojan su propio problema y trabajen en él, por lo que puede pedirle ayuda para elegir un problema y luego seguir los pasos anteriores.
Suponiendo que haya analizado los documentos lo suficientemente bien, puede sentarse y trazar un plan preliminar sobre cómo va a llevar a cabo esta investigación. Muestre este plan a su profesor y solicite comentarios. Use esa retroalimentación para realizar cambios en este plan y comience a trabajar.
La investigación nunca es sencilla, por lo que terminarás haciendo un millón de cambios en tus planes a medida que avanzas, dependiendo de tus resultados, presupuesto y la cantidad de tiempo que tienes para resolver el problema. Al final, se sentirá realmente muy bien, pero para llegar allí tendrás que pasar por una buena cantidad de miseria.
Si atraviesas este proceso minuciosamente y religiosamente, no importará si obtienes resultados o no porque todavía no estás en una etapa en la que se espera que hagas una investigación. Eso sucederá solo en la escuela de posgrado. Lo que obtendrá de él es una carta de recomendación fuerte de un profesor que lo llevará a través de la puerta en excelentes escuelas de posgrado (incluso para programas no relacionados con la línea de investigación que planea seguir en este momento), y para sus ensayos de admisión. . Si los estudios de posgrado no son su taza de té, esto todavía lo ayudará a conseguir un trabajo cuando se gradúe porque no muchos estudiantes de pregrado quieren ensuciarse las manos con la investigación y la industria necesita soluciones entusiastas para resolver problemas.
Para responder la siguiente parte de su pregunta, no veo cómo podrá realizar una investigación independiente en su tercer y cuarto año. Los estudiantes universitarios generalmente son parte de un proceso más grande en el laboratorio de un profesor. Solo son casos excepcionales en los que se le asignará un problema para que trabaje usted mismo, y, francamente, no creo que valga la pena porque no tendrá tiempo para terminarlo antes de que sea tiempo de graduarse.
Lo que puede hacer es tratar de extender el trabajo que terminará en su segundo año a semestres posteriores y continuarlo como un proyecto de año final. Si no está interesado en hacerlo, todavía está armado con experiencia en investigación, y puede hablar con otros profesores en su universidad u otras universidades en su país o en el extranjero, y solicitar oportunidades de investigación en su campo de interés.
La investigación es un proceso, y si puede familiarizarse con el proceso en este momento, su curva de aprendizaje para todos los proyectos futuros se reducirá enormemente. Ve por ello sin ninguna inhibición. Es posible que no obtenga resultados útiles, pero definitivamente cambiará como persona, y ese cambio será para mejor. ¡Buena suerte!