李培根院士最新重磅力作：物理生命體——漫話數(shù)字時(shí)代的智能裝備

圖書館home 2021-01-08

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李培根

中國(guó)工程院院士

中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)

我思故我在——勒奈·笛卡兒

工業(yè)4.0的核心理念乃CPS（cyber-physics system，信息物理系統(tǒng)），它為我們展現(xiàn)了一個(gè)數(shù)字與物理世界深度融合的新工業(yè)時(shí)代。

這個(gè)時(shí)代正在到來，甚至已經(jīng)來臨。迥異的事物之間可以在很大程度上融合在一起。生命和機(jī)器（裝置）可以共融，人機(jī)協(xié)同乃至人機(jī)共融是未來工程中重要的發(fā)展趨勢(shì)；某些物理裝置可以更好地融合在人體中（如可穿戴設(shè)備、因?yàn)榻】翟蛑踩肴梭w內(nèi)部的物理器件）；即便是未能真正物理地融入人體的某些裝置實(shí)際上已經(jīng)成為人的存在的一部分，如有人就認(rèn)為手機(jī)實(shí)際上已經(jīng)成為“我之為我”的一部分；人們正在期待腦機(jī)接口可以大大增強(qiáng)人的功能。各異的事物或性質(zhì)之間的界限變得越來越模糊。長(zhǎng)久以來，機(jī)器是人類的工具，在人和機(jī)器構(gòu)成的系統(tǒng)中，人是主，機(jī)器是從。今天我們已經(jīng)能夠看到某些帶有虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）或混合現(xiàn)實(shí)（MR）的智能系統(tǒng)指揮人進(jìn)行操作。在這樣的人機(jī)系統(tǒng)中，很難說人是“主”，機(jī)器（或智能系統(tǒng)）是“從”，“主”和“從”的界限變得模糊了，充其量是主從身份的融合。由于AR、MR技術(shù)的應(yīng)用，很多場(chǎng)景中“虛”和“實(shí)”的界限也變得模糊了，在輔以AR、MR系統(tǒng)的裝配或維修環(huán)境中即是如此。

無論數(shù)字智能技術(shù)多么重要，無論人們?nèi)绾沃匾暋皵?shù)字經(jīng)濟(jì)”，可是人們的生活世界和工業(yè)世界永遠(yuǎn)離不開那些給人類帶來各種便利的人造物——物理實(shí)體（物理產(chǎn)品、裝備等）。這也就是為什么當(dāng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)以排山倒海之勢(shì)滾滾而來時(shí)，有識(shí)之士卻告誡我們實(shí)體經(jīng)濟(jì)依然是最根本的。當(dāng)然，實(shí)體經(jīng)濟(jì)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)一定要面向數(shù)字-智能時(shí)代，熱情接受數(shù)字經(jīng)濟(jì)的擁抱。工業(yè)界，尤其是與實(shí)體經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)最緊的制造業(yè)，首先需要思索的是：數(shù)字-智能時(shí)代的物理實(shí)體（尤其是物理裝備）究竟應(yīng)該怎樣存在？

數(shù)字-智能時(shí)代的物理產(chǎn)品較之傳統(tǒng)物理實(shí)體的產(chǎn)品應(yīng)該具有特別的“生命力”，不妨把在其全生命周期中伴隨有數(shù)字模型的、具有一定的自感知和“意識(shí)”能力的物理產(chǎn)品稱為“物理生命體”。此一“生命體”當(dāng)然與自然的生命無關(guān)，只不過相對(duì)于傳統(tǒng)的物理實(shí)體而言。

1．生命力呈現(xiàn)

數(shù)字-智能時(shí)代的物理產(chǎn)品——物理生命體，其生命力的表現(xiàn)首先在于其感知環(huán)境的能力。一個(gè)掃地機(jī)器人就能夠感知房間的障礙物。應(yīng)該說，對(duì)環(huán)境的感知能力還只是物理生命體的必要條件，而非充分條件。現(xiàn)在很多掃地機(jī)器人雖冠以“智能”，還不是真正意義上的“物理生命體”。物理生命體的生命力呈現(xiàn)也在于對(duì)自身狀態(tài)的自感知能力，一個(gè)智能機(jī)床能夠感知自身的某些狀態(tài)，如振動(dòng)、熱變形等。智能裝備應(yīng)該通過自身的某些狀態(tài)數(shù)據(jù)（如振動(dòng)、位移、溫度等）而感知自身的工作狀態(tài)是否正常，是否需要運(yùn)行維護(hù)。

數(shù)字-智能時(shí)代的智能裝備（物理生命體）應(yīng)該具有自適應(yīng)能力，它能夠動(dòng)態(tài)地適應(yīng)環(huán)境的變化。有的智能機(jī)床能夠自動(dòng)補(bǔ)償因部件運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量和室內(nèi)環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生的定位誤差。如Mazak的“智能熱屏障”技術(shù)，對(duì)主軸熱位移進(jìn)行精確的預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)高精度主軸的膨脹和收縮補(bǔ)償。一些風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的俯仰系統(tǒng)能夠迅速調(diào)整葉片角度，容許不同的轉(zhuǎn)速。風(fēng)速較低的時(shí)候可以得到更高的能量，根據(jù)現(xiàn)有風(fēng)況不斷調(diào)整至最佳角度，必要時(shí)也可快速停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

生命力也表現(xiàn)在與“伙伴”互聯(lián)協(xié)同的能力。農(nóng)田中工作的不同類型的農(nóng)業(yè)機(jī)械（如拖拉機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)……）之間能夠有信息交流；工地上不同類型的工程機(jī)械（如裝載機(jī)、挖掘機(jī)……）之間存在信息互聯(lián)，以使裝備工作在整體或系統(tǒng)優(yōu)化的環(huán)境。

自學(xué)習(xí)能力也是物理生命體的典型能力。一個(gè)智能注塑機(jī)在其加工實(shí)踐中能夠不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)不同類型零件的工藝參數(shù)及其相應(yīng)效果的加工大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使其自身變得越來越聰明。

2．因何而“生命”？

到底物理生命體因何而生命？傳感器、自動(dòng)執(zhí)行器雖然是必不可少的，但真正使一個(gè)物理實(shí)體具有“生命力”的，乃“數(shù)字孿生體”所致。某種意義上數(shù)字孿生體即物理生命體的魂之所在。

數(shù)字孿生體又具有哪些主要功能——因之使物理實(shí)體而“生命”？

數(shù)字孿生模型當(dāng)然包括物理生命體的三維結(jié)構(gòu)模型，但它顯然不是物理生命體的要點(diǎn)。下面是賦予物理實(shí)體“生命”的幾個(gè)要素。

多領(lǐng)域物理建模。孿生模型應(yīng)該反映物理產(chǎn)品內(nèi)在的運(yùn)行規(guī)律。對(duì)自身全生命周期內(nèi)的狀態(tài)和“生命”運(yùn)動(dòng)規(guī)律的的認(rèn)識(shí)，也就是物理生命體“自我意識(shí)”的表現(xiàn)。復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)往往是多領(lǐng)域物理（機(jī)-電-液-熱-磁-控等）綜合集成系統(tǒng)，傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)方式是各領(lǐng)域設(shè)計(jì)者分別設(shè)計(jì)其相對(duì)獨(dú)立的部分，然后綜合。設(shè)計(jì)過程中雖有總體考慮，且相互討論協(xié)商，但終究難以掌握系統(tǒng)各部分耦合的復(fù)雜情況。因此，需要基于多領(lǐng)域知識(shí)、面向多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化的新一代數(shù)字化設(shè)計(jì)方法與技術(shù)以及面向復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)品的多領(lǐng)域建模與仿真軟件和工具。產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型中可能含有反映產(chǎn)品不同物理特性的模型，如計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型、熱力學(xué)模型、應(yīng)力分析模型、疲勞損傷模型以及材料狀態(tài)演化模型（如材料的剛度、強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度演化）等。如何將這些基于不同物理屬性的模型關(guān)聯(lián)在一起，是建立數(shù)字孿生，繼而充分發(fā)揮數(shù)字孿生模擬、診斷、預(yù)測(cè)和控制作用的關(guān)鍵。如構(gòu)建激光加工裝備的數(shù)字孿生模型，就應(yīng)該深入到光與物質(zhì)相互作用的機(jī)理。如果孿生模型具有包含功率/光譜/力/熱分布等耦合物理量的全過程仿真能力，這樣的激光加工裝備自然具備很強(qiáng)的“自我意識(shí)”，也就能保證更好的加工性能。

仿真。數(shù)字化模型的仿真技術(shù)是創(chuàng)建和運(yùn)行數(shù)字孿生體、保證數(shù)字孿生體與對(duì)應(yīng)物理實(shí)體實(shí)現(xiàn)有效閉環(huán)的核心技術(shù)。仿真是將包含了確定性規(guī)律和完整機(jī)理的模型轉(zhuǎn)化成軟件的方式來模擬物理世界的一種技術(shù)。只要模型正確，并擁有了完整的輸入信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，就可以基本正確地反映物理世界的特性和參數(shù)。

優(yōu)化。數(shù)字孿生模型的優(yōu)化能力是物理產(chǎn)品的智能之重要表現(xiàn)。如一條流程工業(yè)中的生產(chǎn)線，在其生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)自感知、自決策、自執(zhí)行，包括生產(chǎn)過程中參數(shù)的最優(yōu)控制等。其優(yōu)化手段不僅包括經(jīng)典和現(xiàn)代的優(yōu)化控制技術(shù)，甚至還可以融入大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)。

設(shè)計(jì)過程中往往更需要優(yōu)化技術(shù)，應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)過程中的數(shù)字孿生模型自然應(yīng)該具有優(yōu)化能力。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)（topology optimization design）的基本思想是利用有限元技術(shù)、數(shù)值計(jì)算和優(yōu)化算法，在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)，尋求滿足各種約束條件（如應(yīng)力、位移、頻率和重量等），使目標(biāo)函數(shù)（剛度、重量等）達(dá)到最優(yōu)的孔洞連通形式或材料布局，即最優(yōu)結(jié)構(gòu)拓?fù)?；多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)（multidisciplinary design optimization，MDO）旨在解決大規(guī)模復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中多個(gè)學(xué)科耦合和權(quán)衡問題的一種新的設(shè)計(jì)方法。它充分探索和利用工程系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機(jī)制，考慮各個(gè)學(xué)科之間的相互作用，從整個(gè)系統(tǒng)的角度優(yōu)化設(shè)計(jì)復(fù)雜的工程系統(tǒng)。

基于數(shù)據(jù)和案例的學(xué)習(xí)能力。物理生命體的智能應(yīng)該具有學(xué)習(xí)能力。有的學(xué)習(xí)方式建立在基于案例的推理（case-based reasoning）能力，如前面提到的智能注塑機(jī)的自學(xué)習(xí)能力。數(shù)字-智能時(shí)代最好的學(xué)習(xí)方式還體現(xiàn)在從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)潛藏的規(guī)律。一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)中很多相互關(guān)聯(lián)的因素往往連領(lǐng)域?qū)＜覀円搽y以意識(shí)到，基于大數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)方法能夠發(fā)現(xiàn)那些潛藏的關(guān)聯(lián)?？傊?，具有學(xué)習(xí)能力的孿生模型能夠使物理裝備變得越來越聰明，也是物理生命體最重要的“自我意識(shí)”。

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）。孿生模型的構(gòu)建當(dāng)然需要從系統(tǒng)出發(fā)，其構(gòu)建過程應(yīng)該是基于模型的系統(tǒng)工程。模型特指描述待研究對(duì)象的一種形象化的表達(dá)方法：把對(duì)象特性抽取出來，使用標(biāo)準(zhǔn)化的表達(dá)方式進(jìn)行描述，從而能夠進(jìn)行進(jìn)一步研究。傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程是“基于文本的系統(tǒng)工程”（text-based systems engineering，TSE），而MBSE是建模方法的形式化應(yīng)用，以使建模方法支持設(shè)計(jì)開發(fā)乃至全生命周期階段，或曰在產(chǎn)品的孕育及服役的全生命周期。在具體實(shí)現(xiàn)上，INCOSE（International Council on Systems Engineering,國(guó)際系統(tǒng)工程協(xié)會(huì)）聯(lián)合對(duì)象管理組織（OMG）在統(tǒng)一建模語(yǔ)言（unified modeling language，UML）的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了適宜于描述工程系統(tǒng)的系統(tǒng)建模語(yǔ)言（system modeling language，SysML），軟件提供商也開發(fā)了相應(yīng)的支持SysML的工具，并且把SysML的建模工具和已有的專業(yè)分析軟件如FEA、CAD等進(jìn)行了集成，提出了MBSE的整體解決方案。MBSE下系統(tǒng)模型成為各專業(yè)學(xué)科模型的集線器。各專業(yè)學(xué)科的模型已經(jīng)被大量應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，但模型缺乏統(tǒng)一的編碼，也無法共享。建模工作仍處于“煙囪式”的信息傳遞模式，形成了一個(gè)個(gè)的“模型孤島”，沒有與系統(tǒng)工程工作流良好結(jié)合。在MBSE下，系統(tǒng)模型成了各學(xué)科模型的“集線器”，各方人員圍繞系統(tǒng)模型開展需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真等工作，便于工程團(tuán)隊(duì)的協(xié)同工作。這就使整個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以更好地利用各專業(yè)學(xué)科在模型、軟件工具上的先進(jìn)成果。^【1】可以想見，在MBSE方法和工具下開發(fā)的物理裝備更具“生命力”。

3．“生命”的過程

一個(gè)裝備在其運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)無疑決定了它的性能與質(zhì)量。通常工程師們只能憑對(duì)動(dòng)態(tài)的有限認(rèn)知在設(shè)計(jì)開發(fā)階段有所考慮，但更多地其實(shí)是用靜態(tài)的知性實(shí)體思維去考察裝備的存在。哲學(xué)家們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)到普通人思維的弊端。黑格爾把世界理解為一種未完成的流動(dòng)性存在，沒有任何不變的本質(zhì)，一切都處于永恒的變化過程中；海德格爾認(rèn)為，傳統(tǒng)哲學(xué)思維方式就是將一切“存在”都對(duì)象化為固定的、僵死的東西，所以他看待存在的本真面目，則從靜態(tài)視角轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)。^【2】裝備的設(shè)計(jì)與使用非常需要這種思維。過去，裝備的設(shè)計(jì)者和使用者即使有這種意識(shí)，但苦于手段的限制也難有作為。在數(shù)字-智能時(shí)代，數(shù)字孿生使人們有可能從動(dòng)態(tài)的視角透視裝備的全生命周期。

物理生命體的數(shù)字孿生，其“孿生”意義主要在于“生命”的孿生，也即“生命”過程的孿生，而幾何及運(yùn)動(dòng)學(xué)意義上的數(shù)字孿生是次要的。正如從醫(yī)學(xué)角度看，人體的數(shù)字孿生主要不是一個(gè)人的外貌和身體動(dòng)作的孿生，而是反映人的健康體征的各種指標(biāo)（如血壓、血糖、血脂、呼吸、心跳……）變化過程的孿生。對(duì)于一個(gè)物理裝備而言，數(shù)字孿生模型對(duì)裝備“生命”過程的呈現(xiàn)一般發(fā)生在裝備的孕育（產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)）或服役階段。

好的裝備設(shè)計(jì)應(yīng)該是基于對(duì)其工藝過程深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上。因此，為了設(shè)計(jì)高性能的裝備，往往需要對(duì)裝備運(yùn)行的物理過程進(jìn)行仿真。如激光加工設(shè)備的設(shè)計(jì)，就可以考慮建立激光與材料相互作用過程的數(shù)字孿生模型，通過仿真對(duì)激光材料加工過程有更深刻的認(rèn)識(shí)，如此“孕育”出的裝備一定有更好的性能。裝備的此種數(shù)字孿生本質(zhì)上是裝備運(yùn)行物理過程的數(shù)字孿生。

裝備服役過程中通過實(shí)時(shí)采集運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)（孿生數(shù)據(jù)，包括環(huán)境數(shù)據(jù)）而建立的數(shù)字孿生模型是裝備這一“物理生命體”自我意識(shí)、自適應(yīng)環(huán)境變化的關(guān)鍵。對(duì)運(yùn)行過程中孿生數(shù)據(jù)的處理和分析使裝備系統(tǒng)能感知自身工作狀態(tài)和健康狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的控制或運(yùn)行維護(hù)。

“生命”的過程總是在特定的環(huán)境中存在的。如風(fēng)電裝備的運(yùn)行過程與風(fēng)場(chǎng)環(huán)境緊密相關(guān)，因此風(fēng)電設(shè)備的孿生數(shù)據(jù)理應(yīng)包括風(fēng)場(chǎng)的數(shù)據(jù)；車間裝備的節(jié)能和加工精度顯然與溫度環(huán)境有關(guān)，因此車間裝備的孿生數(shù)據(jù)理應(yīng)包括車間溫度環(huán)境乃至天氣的相關(guān)數(shù)據(jù)。

“生命”的過程往往與伙伴聯(lián)系在一起，如一個(gè)拖拉機(jī)的運(yùn)行可能同時(shí)與其他的拖拉機(jī)以及收割機(jī)、旋耕機(jī)等聯(lián)系在一起，那么拖拉機(jī)的孿生數(shù)據(jù)就應(yīng)該包括反映與伙伴設(shè)備工作聯(lián)系的某些數(shù)據(jù)。

“生命”的過程與裝備服務(wù)的對(duì)象聯(lián)系在一起，如一個(gè)手術(shù)機(jī)器人，其孿生數(shù)據(jù)理應(yīng)包括病人在手術(shù)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)。

“生命”的過程與裝備的操作者或使用者的行為聯(lián)系在一起。如在一臺(tái)挖掘機(jī)的運(yùn)行中，其孿生數(shù)據(jù)包括挖掘機(jī)操作者的操作數(shù)據(jù)，通過孿生模型進(jìn)行仿真，可告知操作者如何改進(jìn)操作有可能提高工作效率或節(jié)能；手術(shù)機(jī)器人的孿生數(shù)據(jù)收集應(yīng)該包括醫(yī)生的操作數(shù)據(jù)，同樣通過孿生模型的仿真使醫(yī)生優(yōu)化其操作機(jī)器的過程。有些情況下（如運(yùn)行操作、維護(hù)維修）記錄使用者的操作數(shù)據(jù)，對(duì)其操作進(jìn)行軌跡跟蹤，藉此建立的數(shù)字孿生模型還有特別的用途。通過對(duì)同類型的物理裝備但不同操作者的孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，能夠發(fā)現(xiàn)，怎樣的操作才是最優(yōu)的？從而進(jìn)一步規(guī)范操作。好的數(shù)字孿生模型不僅能夠沉淀人的經(jīng)驗(yàn)，而且有可能衍生、演化出最優(yōu)的路徑。

“生命”的過程數(shù)據(jù)不僅包括裝備運(yùn)行過程的數(shù)據(jù)，還包括在“孕育”過程（設(shè)計(jì)、制造以及裝配過程）中的數(shù)據(jù)，它為物理裝備“生命”的過程留下了痕跡?！霸杏边^程中的歷史數(shù)據(jù)使人們有可能追溯產(chǎn)品的質(zhì)量問題。

通過對(duì)裝備全生命周期過程歷史數(shù)據(jù)的分析，有可能發(fā)現(xiàn)某些人們?cè)瓉聿⑽匆庾R(shí)到的關(guān)聯(lián)，從而可指導(dǎo)裝備的改進(jìn)設(shè)計(jì)甚至創(chuàng)新。

既然數(shù)字孿生的意義在于“生命”過程的孿生，“數(shù)字孿生體” 就被時(shí)間規(guī)定，這是以前的數(shù)字樣機(jī)或虛擬樣機(jī)等數(shù)字模型完全不具備的特性。物理生命體所有的活動(dòng)和“存在”都具有時(shí)間性，猶如海德格爾言“此在”的時(shí)間性。海德格爾還認(rèn)為存在的本性是“去存在”（to be）。^【2】數(shù)字孿生作為一種數(shù)字存在，它是物理生命體的魂，它自然會(huì)關(guān)注裝備下一刻的狀態(tài)，未來的狀態(tài)演化。這也是物理生命體的“思”之所在。

總之，數(shù)字孿生的意義本來就不是基于處理靜態(tài)問題。裝備的運(yùn)行過程都是動(dòng)態(tài)的，只有在對(duì)動(dòng)態(tài)過程更深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上并施與相應(yīng)控制或維護(hù)，其“生命”的意義才更美好。這才是物理裝備真正需要的。4．“生命”的語(yǔ)言

4．“生命”的語(yǔ)言

言才是人的主人”。^【3】不是人有語(yǔ)言，人構(gòu)成或操作語(yǔ)言，而是言談、語(yǔ)言本身此刻現(xiàn)身為人。“語(yǔ)言就是存在之家，就是為存在所居有并且由存在來貫通和安排的存在之家”。語(yǔ)言不為人所擁有，語(yǔ)言為存在所擁有，語(yǔ)言聚集著存在，顯現(xiàn)著存在。^【4】把語(yǔ)言視為人的主人，大概因?yàn)檎Z(yǔ)言伴隨著“思”，而“思”則體現(xiàn)著存在。再看看物理生命體的存在——孿生數(shù)字是否可以視為一種語(yǔ)言？它是否真正是物理生命體的主人？的確，真正的數(shù)字孿生模型是物理裝備自我意識(shí)的體現(xiàn)。海德格爾的哲學(xué)中有“此在”的概念，意指人。“這種存在者，就是我們自己向來所是的存在者，就是除了其他可能的存在方式以外還能夠?qū)Υ嬖诎l(fā)問的存在者。”^【5】傳統(tǒng)的物理裝備沒有能力對(duì)自身的存在“發(fā)問”，它對(duì)自身過去、現(xiàn)在及未來的存在都缺乏理解。而數(shù)字-智能時(shí)代的含有數(shù)字孿生體的物理裝備（物理生命體）則大不一樣。在某種意義上，數(shù)字孿生體不僅能夠?qū)ψ陨淼拇嬖凇鞍l(fā)問”，而且能夠比它的創(chuàng)造者——人更能對(duì)物理生命體（物理裝備）的存在“發(fā)問”！也就是說，物理裝備的數(shù)字孿生體比裝備的設(shè)計(jì)者和使用者更深刻地認(rèn)識(shí)裝備。我們有理由認(rèn)為，數(shù)字孿生模型便是“發(fā)問”的語(yǔ)言。

今天的數(shù)字孿生模型大多停留在對(duì)物理生命體自身狀態(tài)的認(rèn)識(shí)和簡(jiǎn)單的控制，人們完全可以期待未來的融入某種智能工具之?dāng)?shù)字孿生模型可能具有創(chuàng)造能力。

美國(guó)MIT的科學(xué)家Allan Zhao等為機(jī)器人的設(shè)計(jì)提出了機(jī)器人語(yǔ)法RoboGrammar，被稱為25年來的最高成就！

RoboGrammar的操作分為三個(gè)順序：定義問題；制定可能的機(jī)器人解決方案；選擇最佳模型，如下圖所示。通過這些步驟，RoboGrammar可以設(shè)計(jì)數(shù)十萬個(gè)潛在的機(jī)器人結(jié)構(gòu)?？梢钥吹剑皇浅Ｒ?guī)的輔助設(shè)計(jì)，而是輔助甚至提供創(chuàng)意。只要人提出需求，它便會(huì)提供最完美合適的機(jī)器人形狀。^【6】

RoboGrammar操作的三順序【6】

RoboGrammar中包含的“圖形語(yǔ)法（GraphGrammar）”是對(duì)機(jī)器人組件排列的一系列約束。例如，相鄰的支腿應(yīng)該用一個(gè)關(guān)節(jié)連接，而不是用另一個(gè)支腿相連。這樣的規(guī)則確保至少設(shè)計(jì)是在初級(jí)水平上，每個(gè)計(jì)算機(jī)生成的設(shè)計(jì)作品都是可以工作的。圖形語(yǔ)法規(guī)則基于節(jié)肢動(dòng)物的啟發(fā)，例如昆蟲、蜘蛛和龍蝦等。

Zhao聲稱，“啟發(fā)式功能會(huì)隨著時(shí)間的推移而提高，并且將搜索收斂到最佳機(jī)器人。”

由Zhao等人的工作可以聯(lián)想，未來含有智能工具的數(shù)字孿生模型不僅能夠?yàn)楫a(chǎn)品的開發(fā)提供創(chuàng)意，也將使物理產(chǎn)品或裝備在其運(yùn)行中真正能夠自主地做出創(chuàng)造性的工作，即可能做出超越人類期望值的工作。

顯然，RoboGrammar或GraphGrammar就是一種語(yǔ)言，一種真正體現(xiàn)智能的、一種真正“聚集著存在”（聚集著潛在的最優(yōu)機(jī)器人形狀的存在）的語(yǔ)言。

構(gòu)建數(shù)字孿生體，就應(yīng)該使數(shù)字孿生真正成為一種語(yǔ)言，一種決定物理裝備真正“存在”的語(yǔ)言，一種使物理裝備具有自我意識(shí)的語(yǔ)言，一種真正使物理裝備成為物理“生命體”的語(yǔ)言。既把它視為“語(yǔ)言”，就需要進(jìn)一步的規(guī)范定義，從而方便數(shù)字孿生體的構(gòu)建。

裝備制造業(yè)的研發(fā)者，一方面需要在滾滾而來的數(shù)字經(jīng)濟(jì)大潮中睜大眼睛看著裝備的物理世界，另一方面則需要在裝備的物理世界中冥想那個(gè)孿生的世界。

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