數字孿生體作為與實體世界對應的數字化表達方式，相對於數字孿生，其“體”的含義突出了系統和體系。比如一臺複雜裝備、一條產業鏈或者一個經濟體，都可以認為是系統或體系的實體，需要有一個“數字孿生體”與之對應。
目前，智能製造是數字孿生體首要的、最大的應用場景。但僅僅考慮這一場景還不夠，戰略上的思考還要從工業化、城市化和全球化的宏大空間尺度、從第四次工業革命和歷次工業革命的宏大時間尺度乃至人類幸福和文明的終局出發，才能保證戰略的完整、一致和領先。這就是終局思維，從最難、最高、最大的開始，倒序思考。
那麼接下來的問題是，現在第四次工業革命僅是大幕開啟，還未正式登場，如何定義和預測其目標和進程？如何識別其關鍵技術需求？為定義和預測第四次工業革命的目標和進程，在本期的谷.專欄文章中，安世亞太從時空兩個維度對人類文明進程進行系統分析，並談到了基於增材（3D打印）思維的先進設計與智能製造在第四次工業革命中發揮的重要作用。
人類文明進程的度量
1964年蘇聯天文學家尼古拉·卡爾達肖夫（Nikolai Kardashev）提出根據一個文明所能夠利用的能量量級來衡量其文明發展水平的卡爾達肖夫指數來度量人類文明進程。I型文明能使用其所在行星及其衛星的所有可用資源；II型文明能利用其恆星的所有能源；III型文明能利用它所在星系的所有能源。1973年，美國天文學家卡爾·薩根（Carl Sagan）修正了卡爾達肖夫指數，並增加了用26個英文字母來衡量文明發展水平的信息維度（A型文明只能處理100萬條信息，只有口語沒有書面語；古希臘文明大約有10億比特信息，是C型文明）。他估計當時地球文明的能量和信息指數為0.7H；目前人類文明的卡爾達肖夫指數約為0.73（圖1）；樂觀估計，2100年左右達到1.0；悲觀估計最晚2250年，人類文明將成為真正意義上的地球行星文明。美國理論物理學家加來道雄進一步認為，在衡量能量和信息的掌控“量”的基礎上，還必須增加對其“質”的評價，即需要另外引入“熵”的尺度來衡量文明的進化等級。
圖1 上世紀以來人類文明卡爾達肖夫指數的增長趨勢。來源：安世亞太
根據頭三次工業革命每次歷時70～100年的經驗推斷，第四次工業革命將從現在開始持續到本世紀末下世紀初，歷時80～100年，在這一進程中如果人類不經歷嚴重的天災人禍（如極端氣候變化、大規模瘟疫或恐怖主義）或人類有意願、共識和能力應對這樣的天災人禍，那麼，到下個世紀之交第四次工業革命結束時，人類文明的卡爾達肖夫指數有可能達到或接近1.0。
歷次工業革命的分析預測
有了目標，再看進程。我們知道，人類文明進程是城市化、全球化和工業化的社會實踐依次展開、相互交織和疊加的歷史進程，人類文明的可持續發展是這三化的共同目標；物質生產、能量利用和信息組織是人類文明進程中內含的三條主線。三化中，工業化是核心，是引擎。如果將人類的文明進程當作一個系統，應用TRIZ理論的技術系統完備性法則（圖2），可以認為地球是這一系統的能量源，工業化是動力裝置，全球化是傳輸裝置，城市化是執行裝置，信息化是度量和控制裝置，而人類文明是系統作用對象。
圖2 TRIZ理論的技術系統完備性法則。來源：安世亞太
更進一步，利用科學-技術-工程的學科體系框架（圖3），從縱向審視三化的社會實踐，從而得出科學革命、技術革命和產業革命（含工業革命）之間的互動關係，特別是在較大時間尺度上，科學革命對工業革命在科學精神、科學方法和科學文化上的啟蒙。
圖3 學科體系的一般框架。來源：安世亞太
有了上述鋪墊，我們可以從歷次工業革命角度出發，回望並展望人類文明進程，分析和識別第四次工業革命的關鍵技術需求（表1）。
表1 歷次工業革命的技術系統分析。來源：安世亞太
與前三次工業革命一樣，大幕開啟的第四次工業革命將為物質生產、能量利用和信息組織這三條人類文明進程內含的主線帶來革命性的改變，這些改變有賴於上個世紀開始的科學革命的滋養。以能量利用的革命為例，由於化石能源在可以預見的將來會枯竭，人類將不得不在本世紀的適當時機完成向低碳可再生能源的轉變，進而通過技術革命實現可控核聚變的工程化應用。人類對第四次工業革命中的能源革命的技術路線相對清晰。下面重點討論第四次工業革命需要什麼樣的物質生產革命和信息組織革命。
造物革命
我們知道，工業化的本質是通過持續採用新技術和追求高效的專業化組織（增加能量利用總量和改進信息組織水平），來不斷提升以產品設計和製造活動為核心的物質生產水平。設計是人類為實現某種特定目的（即將客觀需求轉化為滿足該需求的人工系統，包括人工物理系統和人工抽象系統）而進行的創造性活動。製造是通過人力、工具、機器、化學、配方或生物等方法將設計的結果進行製作或生產出滿足需求的人工物理系統，特別是將原材料批量地轉化為產品。製造的產物則是設計主體思考所產生信息，通過動作承載到自然物質後的存在形態，即製造的本質是將設計信息承載到物質的過程。
經歷了三次工業革命的洗禮後，現代設計製造技術的前沿即將觸及人類在基礎科學領域所創造成就的上限。設計製造技術的歷次變革也伴隨信息產生方式的變革（設計過程的革新：從原始思維向手工設計，從手工設計到CAD、CAM）、信息傳輸方式的變革（指令傳輸與處理系統的革新：從手工操作向機械傳動，從機械傳動向電控伺服）和信息作用方式的變革（工具與工藝方法的革新：從打磨、雕刻向刀具切削、從刀具切削向能量束加工）。在自動化與精密化這兩個方向上，現代製造業的對象物質已發展至超合金、工程陶瓷、甚至金剛石等超難加工材料，其空間尺度已逼近物質基本單元極限——原子級，其時間粒度已進入飛秒領域，其所用工具經歷了傳統金屬刀具、合金/陶瓷刀具、金剛石刀具、以及激光/電子束/等離子體等能量束工具。面對第四次工業革命的召喚，製造技術或物質生產技術的革命路在何方？
安世亞太認為，第四次工業革命的造物革命就是基於增材思維的先進設計與智能製造（圖4），以破解頭三次工業革命遺留下來的設計製造一體化困局（未站在系統高度把握產品設計、工藝設計和製造過程，造成設計與工藝、設計與製造之間各自為政、互相對立、嚴重脫節）；作為新一代的物質生產技術，它將與新一代信息技術深度融合，成為第四次工業革命的核心技術引擎。
圖4 基於增材思維的先進設計與智能製造。來源：安世亞太
為什麼並不新鮮的增材製造技術成為其中的核心？直到現在，不少人提到增材製造或3D打印技術時，將其等同於快速成型技術，定位在單件或小樣加工場景，想到的是實現複雜結構、輕量化、個性化以及快速樣品製作，最多再加上壓縮零部件供應鏈、實現中間件的零庫存等。增材製造技術的價值僅止於此麼？
增材製造從根本上改變了傳統制造技術與材料技術相互割裂的發展局面。增材製造技術作為數字技術驅動下、迴歸自然界“生長造物”的新方法，設備有充分的時空窗口對建造物質的物性進行細粒度、高分辨率的主動控制，所輸出三維實體既承載了高密度的形狀信息，也被附加了高分辨率的材料物性信息，使得最終制品的成形與定性得以同步完成。
增材製造將更精密的設計信息承載到物理實體上，意味著所生成製品具有更強的功能性，進而帶來性能的飛躍。因此，在實現材盡其能、物盡其用，釋放複雜成形能力的表象下，增材製造的真正價值在於迴歸設計本源，重塑增材思維，實現造物不止於形的造物革命。
圖5 安世亞太利用數字孿生體建立無人值守激光粉床自動化生產系統。來源：安世亞太
萬物源自比特
如同新的能源革命和造物革命一樣，第四次工業革命也需要新的信息革命；而且這一新的信息革命毫無疑問需要從底層的科學革命獲取力量。眾多物理學家相信，“信息”的概念也許會成為物理學新進展的關鍵。正如物理學家們正在致力於統一物理學的萬有理論，這一新的信息革命也需要對“信息”的統一定義，從香農信息，到DIKW的信息，再到量子信息。在這一領域，美國理論物理學家約翰·惠勒（John A. Wheeler）的論斷最為大膽。
約翰·惠勒是廣義相對論領域的重要學者和宗師，他是核裂變的先驅、玻爾的學生、費曼的老師、黑洞和蟲洞的命名者，曾與諾貝爾物理獎擦肩而過。他參與了二十世紀最偉大的兩場物理學思想革命——廣義相對論和量子力學，通過對黑洞體系的研究，注意到了這兩個理論間的不協調。他提出一個論斷，宇宙及其所包含的一切（it）可能都起源於測量的“是/否”選擇（bit），所有物質——任何粒子、任何力場，甚至時空連續統本身——將其功能、意義乃至其全部存在歸因於比特。即當我們看太陽、月亮、星系或者一個原子時，它們的本質是儲存在它們裡面的信息。
’It from bit’ symbolizes the idea that every item of the physical world has at bottom—at a very deep bottom, in most instances—an immaterial source and explanation; that what we call reality arises in the last analysis from the posing of yes-no questions and the registering of equipment-evoked responses; in short, that all things physical are information-theoretic in origin and this is a participatory universe.
圖6 約翰·惠勒的萬物源自比特。來源：安世亞太
“萬物源自比特（It from bit）”的想法打開了解決量子力學和廣義相對論統一問題的一扇窗戶。惠勒將自己一生的研究歸結為三個時期：第一個時期從學術生涯的起點到1950年代早期，相信“萬物皆粒子”；第二個時期從1952年到學術生涯的晚期，改信“萬物皆場”；第三個時期在其75歲（1986年）前後，提出全新的觀點——萬物皆信息，相信邏輯和信息對於物理學理論具有基礎性作用（圖6）。
筆者把惠勒的“萬物源自比特”作為第四次工業革命的典型（核心）觀點，相信惠勒對量子理論中看似荒謬部分的思考，絕不是毫無價值的空想，終有一天它們會有最實際的應用，甚至推動第四次工業革命的發展。
數字孿生（Digital Twinning）
惠勒的論斷也為我們構建數字孿生體的概念模型打開了一扇窗，促使我們思考物質和信息底層的哲學關係，按照圖3構建面向數字孿生體的學科體系框架。我們相信，數字孿生體為跨層級、跨尺度的現實世界和虛擬世界建立了溝通的橋樑，是第四次工業革命的通用目的技術和核心技術體系之一，是支撐萬物互聯的綜合技術體系，是數字經濟發展的基礎，是未來智能時代的信息基礎設施。接下來的十年（21世紀20年代）將成為“數字孿生體時代”。
圖7 從系統思維和數學思維出發看數字化和信息化的邊界。來源：安世亞太
圖8 數字孿生體概念模型片段。來源：安世亞太
另一方面，儘管有數學在科學體系中的基礎性作用，以及惠勒強調信息的基礎性作用，但數學的邊界讓我們對數字化和信息化的邊界也有所瞭解，從而指導我們對數字孿生體的建模（圖7，圖8）。
結語
歷史，既是考古學，又是未來學。人類文明進程和歷次工業革命的歷史告訴我們，面對任何一個時代大幕開啟時的變遷和顛覆，都是擁有想象力者才擁有未來。這樣的想象力，來自於我們對“變”和“常”的把握：把握住文明進程中物質生產、能量利用和信息組織的互動規律，我們才能始終清晰地鎖定所要追求的價值目標，不為各種騷動所誘惑；把握住第四次工業革命中的造物革命和信息革命的新形勢、新問題、新需求、新資源，我們才能不至於在思維定勢中固步自封。這也是為什麼安世亞太投身於基於增材思維的先進設計與智能製造和數字孿生產業的原因。
後記
尼古拉·卡爾達肖夫、卡爾·薩根、約翰·惠勒、史蒂芬·霍金、弗里曼·戴森分別於2019年、1996年、2008年、2018年、2020年逝世。加來道雄今年73歲，楊振寧今年98歲。向這些愛因斯坦之後為人類文明可持續發展指引方向的先哲和大師致敬。
致謝
感謝杭州德迪智能科技有限公司俞紅祥老師對本文的貢獻。
參考文獻
1. 段海波. 數字孿生體的標準化之路[EB/OL]. 數字孿生體實驗室微信公號,2020-1-16.
2. 段海波.為什麼需要給數字孿生加上一個“體”字？[EB/OL]. 數字孿生體實驗室微信公號,2019-11-21.
3. 數字孿生體實驗室. 數字孿生體技術白皮書（2019）[EB/OL]. 數字孿生體實驗室微信公號,2019-12-27.
4. Carl Sagan. Cosmic Connection: An Extraterrestrial Perspective [M]. DELL Publishing Co Inc,1973.
5. [美] 加來道雄/Michio Kaku. 物理學的未來：科學是怎樣決定人類的命運和改變2100年我們的日常生活/ Physics of the Future: How Science Will Shape Human Destiny and Our Daily Lives by the Year 2100 [M]. 重慶出版社, 2012 / Doubleday,2011.
6. 嚴鵬, 陳文佳. 工業革命：歷史、理論與詮釋[M]. 社會科學文獻出版社, 2019.
7. 段海波. 當正向設計“遇見”增材製造[EB/OL]. 安世亞太微信公號,2018-2-8.
9. John Archibald Wheeler. Information, physics, quantum: the searchfor links [C]. Proceedings III International Symposium on Foundations of Quantum Mechanics, Tokyo, 1989.
段海波
博士，安世亞太公司諮詢總工程師，數字孿生體實驗室北美分部主任。
INCOSE CSEP (2017)，MATRIZ三級認證 (2005)；ISO/TC184/SC4、SAC/TC159/SC4和SAC/TC28/SC7委員。
網站投稿請發送至[email protected]
閱讀更多 3D科學谷 的文章
