從「腦海孿生」到「數位孿生」

作者 : 馮升華,達梭系統大中華區技術總監

自古至今,人們在想要改造大自然或創造一個產品的時候,腦海裡要出現這個產品的樣子。我們可以稱之為「腦海孿生」;正是產品的「腦海孿生」,讓人類產生了與之匹配的行為。

數位孿生是人類改造大自然的新方法、是人類表達知識的新方法。談到數位孿生的世界觀,讓我們先從人類誕生的那一刻開始思考。

自古至今,人們在想要改造大自然或創造一個產品的時候,腦海裡要出現這個產品的樣子。我們可以稱之為「腦海孿生」;正是產品的「腦海孿生」,讓人類產生了與之匹配的行為。從思考到行動,由「腦海孿生」驅動。

但由於人是社會性的動物,一方面人類要協同合作,需要把自己腦海裡的東西分享給同一個部落的人,或者教會下一代。另一方面,對於複雜一些的任務,一個人無法完成,需要多個人的協作才能完成。比如一個部落有二十個人,要製造二十把魚叉。分享「腦海孿生」,使得整個部落獲得整體優勢,也是人類的生存之道。用什麼樣的方式把腦海裡面的東西轉變成可以分享、可以繼承、可以反覆運算的東西,我們稱這種方法叫「孿生方法」。

從三百萬年前到一萬年前的舊石器時代(Paleolithic),我們的祖先在河床裡撿石頭,透過碰砧、摔擊、錘擊、砸擊等打製方法,製作成石刀、石斧、石鏟,要製成這些石器,就要在腦海裡有石器的樣子。有巢氏還教給部落的人簡單地搭房子,這是因為在他的腦海裡有了巢的樣子。教會子孫後代如何打製石器、搭建巢,就要用語言來描述石器產品、巢的樣子,以及製作過程。依樣畫葫蘆再加上語言,就成為舊石器時代的知識承載、傳承、反覆運算的語言孿生。

大約從一萬多年前開始,結束時間從距今五千多年的新石器時代(Neolithic),以陶器為代表,陶鼎、陶甕、陶盤、陶豆、陶盂、陶瓶、陶甑、陶罐、陶盆、陶缸、陶尊、陶碗、陶壺、陶斝、陶鬲、陶鬶、陶盉、陶甗、陶簋等等。製作陶器的工藝從原始的模製技術和泥片貼塑方法、捏塑成型,到泥條盤築法、輪製技術、範模製陶、彩陶裝飾等等。因為文字還不成熟,仍舊處於語言孿生階段。

伴隨著文字的出現,人類進入青銅器時代(Bronze Age),文字在早期用於祭祀,後期才開始用於描述農業、冶煉等知識。中國古代的燦爛文明,是建立在「文字孿生」基礎之上的。當然手把手、父傳子、師徒制也是非常重要的,但秦始皇的焚書坑儒,還是導致了大量青銅工藝的失傳。《齊民要術》、《天工開物》、《本草綱目》等等一系列的著作,都是古代科學家們把腦海裡面的經驗、腦海孿生變成文字孿生進行傳承的佳作。

歐洲文藝復興、工業革命使人類製造的產品種類、複雜程度進一步提高,圖紙、照片、影音等「多媒體孿生」興起。產品從一個人的腦海孿生到另一個人的腦海孿生,中間經歷的過程從語言孿生、文字孿生的基礎之上,增加了多媒體孿生。我們可以用圖紙、工藝卡片、影音,來描述一個產品的定義、產品的製造過程。

人類進入電腦時代以後,伴隨著CAD、CAE、CAM、數位工廠、數位製造、智慧製造、工業網際網路技術的發展,知識的表達、傳承、反覆運算和進化,進入數位孿生時代。

學海無涯,思無止境,下一個孿生的手段是什麼?或許是科幻動畫影集《愛x死x機器人》(Love, Death& Robots)之《冰河時期》裡面描述的冰箱裡超速進化的文明孿生,或許是美國物理學家Lisa Rundall的額外維度(extra dimensions)孿生,或許是結構生物學家施一公所說的「宏觀世界由微觀世界決定、微觀世界由超微觀世界決定」,那裡的超微觀孿生,可能需要未來人,或者是未來的超級人工智慧來回答了。

我們人類存在這個世界上,一直試圖在認識客觀世界並改造客觀世界。客觀世界我們也稱之為真實世界、物理世界。迄今為止,我們對客觀世界的認識,無外乎有三種方式。

第一種方式是去測量客觀世界的物體。我們用尺去測物體的長度,我們發明了溫度計去測溫度,我們發明了秤去測重量。來到現代社會,人類發明的三座標測量儀,測量的誤差已經小到微米級。甚至我們在微觀領域能夠測出來電子的重量、原子核的半徑,在宏觀領域能夠測量星系的大小、星系之間的距離。人類發明的感測器能夠即時的獲取各種各樣的物理參數。

由測量結果構成的世界,我們稱之為實測世界,實測世界是一種類似於盲人摸象、一種碎片化的現實世界。因為你不可能測得所有的參數,只是片面的量測了一些你認為正確的參數。而且測試的結果還是有或多或少的誤差,而且總是有或多或少的時間延遲,不可能是完全即時的,因為這個世界是瞬息萬變的。

透過實測資料,我們來描述一個產品,我們可以稱之為產品的「量測孿生」。我們把實際測得的所有的資料,產品線的、工廠的、產品的各種資料,放到雲端,對這些資料進行分析和應用,這就是工業網際網路了。

第二種認識世界的手段是我們用3D建模、系統建模的方式在電腦裡面去構建一個產品,或者說建構一個虛擬世界。對於每一個產品、建築甚至城市,基於模型去構造它的「虛擬孿生」。既包含了外觀的資訊,也包含了內在的多學科的資訊。

虛擬孿生的世界是理想化的現實世界。比如說你造了一根軸,長度是100,它在真實世界裡面不可能長度正好是100。虛擬孿生所承載的知識是我們真正掌握的知識。通過虛擬孿生,我們能夠實現知其然,知其所以然。

人們對虛擬世界的構造也是循序漸進的。我們構造的產品越來越豐富,虛擬孿生所包含的資訊也越來越豐富。第二種手段對客觀世界的認識也是不完整的,也是片面的。當然我們也可以把實測世界中測量出來的結果資料載入虛擬孿生體。

第三種認識客觀世界的手段就是直接去體驗,靠人類的感官去體驗。我們在真實世界裡面行走,去感受真實世界的溫度、濕度、光照、微風拂面,享受食物的美味,觀察世界的美麗。我們感受到的世界是體驗世界。

但人類能夠感知的客觀世界的範圍是非常窄小的。比如說我們的眼睛只能看到可見光的部分,而可見光的光譜在整個無線訊號的譜系上是微不足道的一部分,紫外線和紅外線我們看不到,超音波和超低音波我們聽不到。

雖然我們人類對真實世界的感知所獲得的資訊是片面的,但我們認識客觀世界、改造客觀世界的目的,就是為了讓我們的體驗更好。我們希望用數位化的手段去建造體驗的場景,建造體驗孿生,我們稱之為虛擬體驗孿生或者虛擬孿生體驗。

 

本文由達梭系統(Dassault Systèmes)供稿

 

 

 

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