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新空間維度

經(jīng)過90 分鐘的車程，游客抵達(dá)圣保羅東部地區(qū)，首先映入眼簾的是寬闊的林蔭大道，與之相連的是圣若澤杜斯坎普斯工業(yè)中心。這里是眾多公司總部的所在地，其中重要的一家是巴西航空工業(yè)公司，它是世界第三大商用飛機(jī)制造商。巴西航空工業(yè)公司坐落于工業(yè)中心的中央位置，這使這個(gè)擁有12 000 名員工的公司深感自豪。進(jìn)入巴西航空工業(yè)公司的“虛擬現(xiàn)實(shí)”實(shí)驗(yàn)室，游客戴上特制的眼鏡后可以通過巨大的顯示屏欣賞“虛擬飛機(jī)”內(nèi)部及外部的三維景觀。工程師們在此實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬新部件或組件如何改變尚處于設(shè)計(jì)階段的飛機(jī)的形狀或性能。
　　法維奧·卡佩拉是巴西航空工業(yè)公司的一名研發(fā)工程師。他說，如果沒有這樣的模擬設(shè)備，設(shè)計(jì)并制造一架現(xiàn)代化飛機(jī)幾乎是不可能的。一架飛機(jī)由20 多萬個(gè)獨(dú)特部件組裝而成，其中還不包括鉚釘、螺絲釘之類的組裝零件，只包括發(fā)動機(jī)（一臺發(fā)動機(jī)由15 000 個(gè)零件組成）等大型部件的內(nèi)部零件�？ㄅ謇€解釋說：“我們的模擬系統(tǒng)能用一行計(jì)算機(jī)代碼表示每個(gè)部件，這樣我們就可以通過大量實(shí)驗(yàn)確定每個(gè)部件的最佳安裝位置。與通過繪圖進(jìn)行設(shè)計(jì)相比，通過模擬設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)要方便得多�！痹撥浖€可以預(yù)測飛機(jī)投入使用后各部件將發(fā)生的變化（如熱量如何在機(jī)身各部件或發(fā)動機(jī)的渦輪中流動），從而有助于制訂維護(hù)計(jì)劃。
　　巴西航空工業(yè)公司的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備是一個(gè)將計(jì)算機(jī)輔助分析應(yīng)用于制造業(yè)的典型案例。 在制造產(chǎn)品前，設(shè)計(jì)工程師可以通過計(jì)算機(jī)輔助分析，將產(chǎn)品圖形或圖片以物質(zhì)世界的三維形式呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)顯示屏上進(jìn)行描述。通過安裝能預(yù)測產(chǎn)品運(yùn)行的其他軟件，工程師們還可以進(jìn)入第四維空間——時(shí)間。
　　2010 年，全球制造商投入了大約1.2 萬億美元進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)，開發(fā)新產(chǎn)品的過程包括使用智能軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。同年，計(jì)算機(jī)輔助分析軟件的銷售收入約達(dá)200 億美元，不及開發(fā)總成本的2% 。 然而，如果沒有這些軟件，再高額的開發(fā)成本很大程度上也會失去意義。英國計(jì)算機(jī)科學(xué)家查爾斯·朗是20 世紀(jì)70 年代將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析理念引入商業(yè)領(lǐng)域的先鋒人物，他總結(jié)道：“以前一直被認(rèn)為是深奧的技術(shù)現(xiàn)已成為主流。這意味著各類制成品，無論是烤箱還是導(dǎo)彈，其制造過程可以更可靠、更高效，開發(fā)時(shí)間可以更短，功能可以更強(qiáng)大�！� 
　　由于計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，在制造業(yè)中采用計(jì)算機(jī)輔助分析造成了信息處理量激增。直到15 世紀(jì)晚期，約翰尼斯·古騰堡發(fā)明了印刷機(jī)后，信息存儲量才變得無關(guān)緊要。印刷機(jī)實(shí)現(xiàn)了圖書及其他文件的大批量生產(chǎn)，同時(shí)也大大提升了人們處理及傳遞信息的能力。此前，人們只能通過手寫、畫畫或講話傳遞信息。20 世紀(jì)末，價(jià)格低廉的計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)更大程度上改變了信息流的性質(zhì)。
　　目前，世界信息存儲量（99% 以上都是電子形式）大約每兩年就會翻一番。2011 年的一項(xiàng)研究表明，存儲于各類數(shù)碼設(shè)備（包括各類辦公及家用計(jì)算機(jī)、手機(jī)以及工廠控制系統(tǒng)）的信息量共計(jì)1 800EB（1 800×10 000 億字節(jié)），大約是所有紙質(zhì)圖書信息存儲量的1 400 萬倍。
　　這些信息庫中的大部分信息是關(guān)于工廠開發(fā)或生產(chǎn)的產(chǎn)品。制造新型波音787 夢幻超級巨無霸噴氣式飛機(jī)需要大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)存儲在波音公司或其供應(yīng)商的計(jì)算機(jī)中。用于制造該飛機(jī)的計(jì)算機(jī)程序數(shù)據(jù)總計(jì)16 000GB ，相當(dāng)于1 600 萬冊圖書的信息量。
　　人類向計(jì)算機(jī)輔助分析的邁進(jìn)發(fā)生在600 多年前。尼古拉·奧雷姆是法國邏輯學(xué)家及學(xué)者，他于1377 年成為利雪的主教。他發(fā)表了幾本精確描述地球圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的小冊子。約300 年后，哲學(xué)家笛卡兒進(jìn)一步拓展了這些理論，他能夠通過參照描述物體表面各點(diǎn)位置的數(shù)學(xué)代碼定義普通物體（例如金屬片）的形狀。19 世紀(jì)，法國生理學(xué)家艾蒂安– 朱爾·馬雷發(fā)明了呼吸描記器，進(jìn)一步完善了此項(xiàng)研究。呼吸描記器能夠?qū)C(jī)器或動物的運(yùn)動轉(zhuǎn)換為一系列圖片，然后將這些圖片轉(zhuǎn)換為數(shù)字序列。所有這些理論為工程制圖背后的解析幾何學(xué)奠定了基礎(chǔ)，更是在信息轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼后為計(jì)算機(jī)3D 建模奠定了基礎(chǔ)。
　　繼上述成果之后，20 世紀(jì)四五十年代誕生了第一代電子計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了以數(shù)字代碼展現(xiàn)工程產(chǎn)品形狀。帕特里克·漢瑞特（Patrick Hanratty ）被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)之父。20 世紀(jì)50 年代，在通用電氣就職期間，漢瑞特研發(fā)了第一批能夠?qū)⑿螤罴拔锢硇螒B(tài)信息轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼的軟件。20 世紀(jì)70 年代，漢瑞特開發(fā)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，命名為“Adam”。美國Computervision 公司是當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的先鋒，其銷售的軟件中融入了漢瑞特開發(fā)的程序。位于巴黎的法國達(dá)索公司推出的Catia 是應(yīng)用最廣泛的軟件包之一。思瑞克斯公司利用達(dá)索公司開發(fā)的這些程序開發(fā)了新的電熱水壺控件，而巴西航空工業(yè)公司則在其圣保羅控制室內(nèi)應(yīng)用了這些程序。
　　進(jìn)入四維空間是計(jì)算機(jī)輔助分析的最新發(fā)展成果之一。四維空間覆蓋物理空間及時(shí)間，目前的學(xué)科知識仍然適用。未來預(yù)計(jì)此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)入第五維空間，即在產(chǎn)品制造之前，通過觸摸或肢體動作等手段而不是語言或圖解來獲取產(chǎn)品信息，創(chuàng)意旨在進(jìn)一步完善計(jì)算機(jī)輔助分析軟件，從而使產(chǎn)品模型更加逼真。
　　探索以這種方式處理信息的方法是新學(xué)科“觸覺學(xué)”的研究任務(wù)之一。觸覺學(xué)是一門研究觸覺的學(xué)科。位于斯德哥爾摩的Reachin 技術(shù)公司是這個(gè)領(lǐng)域的先鋒。Reachin 已將“數(shù)據(jù)手套”融入模擬系統(tǒng)。“數(shù)據(jù)手套”和其他形式的手套一樣戴在手上，但手套上有能與計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行交互的特殊傳感器。這些傳感器可以通過觸覺預(yù)測新產(chǎn)品的運(yùn)行情況。此技術(shù)可用于設(shè)計(jì)新產(chǎn)品，在構(gòu)建原型之前，工程師們可以通過三維圖像分析技術(shù)在屏幕上展現(xiàn)一輛新汽車的圖片。帶上數(shù)據(jù)手套后，人們能直接體驗(yàn)手握汽車方向盤的感覺。觸覺學(xué)的首次大規(guī)模商用很可能是電腦游戲，游戲產(chǎn)品的制造商將新特性融入產(chǎn)品，使人們能夠在客廳里通過鍵盤或鼠標(biāo)之外的方式享受交互式電腦游戲。
　　觸覺學(xué)使人們僅需手握觸摸板就能玩游戲、感受溫度并做出反應(yīng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，玩家可以通過不同的溫度判斷這場屏幕上的模擬大戰(zhàn)的輸贏。觸覺學(xué)也可用于控制挖掘機(jī)。操作人員可以通過操作桿傳遞的“軟硬度”信息識別所挖巖石的特性，并根據(jù)這些信息適當(dāng)?shù)匾苿油诙�，并施加更大挖力挖掘較硬巖石。將觸覺學(xué)轉(zhuǎn)化為實(shí)用工具需要當(dāng)前計(jì)算機(jī)輔助分析應(yīng)用中采用的三維軟件新技術(shù)，同時(shí)還需要融入了加熱元件與振動裝置的新型傳感器設(shè)備，從而提供與人們的手指神經(jīng)末梢相同的觸覺體驗(yàn)。
　　“人機(jī)交互”是從任天堂公司的Wii 游戲機(jī)或微軟公司的體感游戲設(shè)備Kinect 等類似產(chǎn)品中衍生出來的一個(gè)主題，這些產(chǎn)品通過無線定位設(shè)備以及捕捉運(yùn)動（如揮手或上下跳動）信息的小型攝像機(jī)接收信息。預(yù)先設(shè)置的計(jì)算機(jī)能夠識別身體各部位的位置改變，并以特定方式詮釋這些改變。這類計(jì)算機(jī)控制方法的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止視頻游戲。微軟公司正通過完善其Kinect 技術(shù)探索新的方法，使外科醫(yī)生在進(jìn)行高難度手術(shù)時(shí)能夠通過手勢獲取人體器官的計(jì)算機(jī)圖像。此技術(shù)也可以用于新一代“免提”移動設(shè)備的開發(fā)，或使重度殘疾群體能通過移動手指或腳控制一系列工具。

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