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新空間維度

經(jīng)過90 分鐘的車程，游客抵達圣保羅東部地區(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，這使這個擁有12 000 名員工的公司深感自豪。進入巴西航空工業(yè)公司的“虛擬現(xiàn)實”實驗室，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”內(nèi)部及外部的三維景觀。工程師們在此實驗室內(nèi)模擬新部件或組件如何改變尚處于設計階段的飛機的形狀或性能。
　　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備，設計并制造一架現(xiàn)代化飛機幾乎是不可能的。一架飛機由20 多萬個獨特部件組裝而成，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（一臺發(fā)動機由15 000 個零件組成）等大型部件的內(nèi)部零件�？ㄅ謇€解釋說：“我們的模擬系統(tǒng)能用一行計算機代碼表示每個部件，這樣我們就可以通過大量實驗確定每個部件的最佳安裝位置。與通過繪圖進行設計相比，通過模擬設備優(yōu)化設計要方便得多。”該軟件還可以預測飛機投入使用后各部件將發(fā)生的變化（如熱量如何在機身各部件或發(fā)動機的渦輪中流動），從而有助于制訂維護計劃。
　　巴西航空工業(yè)公司的虛擬現(xiàn)實設備是一個將計算機輔助分析應用于制造業(yè)的典型案例。 在制造產(chǎn)品前，設計工程師可以通過計算機輔助分析，將產(chǎn)品圖形或圖片以物質(zhì)世界的三維形式呈現(xiàn)在計算機顯示屏上進行描述。通過安裝能預測產(chǎn)品運行的其他軟件，工程師們還可以進入第四維空間——時間。
　　2010 年，全球制造商投入了大約1.2 萬億美元進行新產(chǎn)品開發(fā)，開發(fā)新產(chǎn)品的過程包括使用智能軟件進行數(shù)據(jù)處理。同年，計算機輔助分析軟件的銷售收入約達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。英國計算機科學家查爾斯·朗是20 世紀70 年代將計算機輔助設計與分析理念引入商業(yè)領域的先鋒人物，他總結(jié)道：“以前一直被認為是深奧的技術(shù)現(xiàn)已成為主流。這意味著各類制成品，無論是烤箱還是導彈，其制造過程可以更可靠、更高效，開發(fā)時間可以更短，功能可以更強大�！� 
　　由于計算技術(shù)的發(fā)展，在制造業(yè)中采用計算機輔助分析造成了信息處理量激增。直到15 世紀晚期，約翰尼斯·古騰堡發(fā)明了印刷機后，信息存儲量才變得無關緊要。印刷機實現(xiàn)了圖書及其他文件的大批量生產(chǎn)，同時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 世紀末，價格低廉的計算機的出現(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 年的一項研究表明，存儲于各類數(shù)碼設備（包括各類辦公及家用計算機、手機以及工廠控制系統(tǒng)）的信息量共計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商的計算機中。用于制造該飛機的計算機程序數(shù)據(jù)總計16 000GB ，相當于1 600 萬冊圖書的信息量。
　　人類向計算機輔助分析的邁進發(fā)生在600 多年前。尼古拉·奧雷姆是法國邏輯學家及學者，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轉(zhuǎn)的小冊子。約300 年后，哲學家笛卡兒進一步拓展了這些理論，他能夠通過參照描述物體表面各點位置的數(shù)學代碼定義普通物體（例如金屬片）的形狀。19 世紀，法國生理學家艾蒂安– 朱爾·馬雷發(fā)明了呼吸描記器，進一步完善了此項研究。呼吸描記器能夠?qū)C器或動物的運動轉(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奠定了基礎，更是在信息轉(zhuǎn)換為二進制代碼后為計算機3D 建模奠定了基礎。
　　繼上述成果之后，20 世紀四五十年代誕生了第一代電子計算機，從而實現(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 ）被認為是計算機輔助設計之父。20 世紀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)換成二進制代碼的軟件。20 世紀70 年代，漢瑞特開發(fā)了計算機輔助設計軟件，命名為“Adam”。美國Computervision 公司是當時計算機輔助設計的先鋒，其銷售的軟件中融入了漢瑞特開發(fā)的程序。位于巴黎的法國達索公司推出的Catia 是應用最廣泛的軟件包之一。思瑞克斯公司利用達索公司開發(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)應用了這些程序。
　　進入四維空間是計算機輔助分析的最新發(fā)展成果之一。四維空間覆蓋物理空間及時間，目前的學科知識仍然適用。未來預計此項技術(shù)的發(fā)展將進入第五維空間，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)意旨在進一步完善計算機輔助分析軟件，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科“觸覺學”的研究任務之一。觸覺學是一門研究觸覺的學科。位于斯德哥爾摩的Reachin 技術(shù)公司是這個領域的先鋒。Reachin 已將“數(shù)據(jù)手套”融入模擬系統(tǒng)�！皵�(shù)據(jù)手套”和其他形式的手套一樣戴在手上，但手套上有能與計算機設備進行交互的特殊傳感器。這些傳感器可以通過觸覺預測新產(chǎn)品的運行情況。此技術(shù)可用于設計新產(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，人們能直接體驗手握汽車方向盤的感覺。觸覺學的首次大規(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之外的方式享受交互式電腦游戲。
　　觸覺學使人們僅需手握觸摸板就能玩游戲、感受溫度并做出反應。在這個系統(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。觸覺學也可用于控制挖掘機。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?shù)匾苿油诙罚⑹┘痈笸诹ν诰蜉^硬巖石。將觸覺學轉(zhuǎn)化為實用工具需要當前計算機輔助分析應用中采用的三維軟件新技術(shù)，同時還需要融入了加熱元件與振動裝置的新型傳感器設備，從而提供與人們的手指神經(jīng)末梢相同的觸覺體驗。
　　“人機交互”是從任天堂公司的Wii 游戲機或微軟公司的體感游戲設備Kinect 等類似產(chǎn)品中衍生出來的一個主題，這些產(chǎn)品通過無線定位設備以及捕捉運動（如揮手或上下跳動）信息的小型攝像機接收信息。預先設置的計算機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。這類計算機控制方法的應用遠遠不止視頻游戲。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)生在進行高難度手術(shù)時能夠通過手勢獲取人體器官的計算機圖像。此技術(shù)也可以用于新一代“免提”移動設備的開發(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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