新空间维度

　　经过90 分钟的车程，游客抵达圣保罗东部地区，首先映入眼帘的是宽阔的林荫大道，与之相连的是圣若泽杜斯坎普斯工业中心。这里是众多公司总部的所在地，其中重要的一家是巴西航空工业公司，它是世界第三大商用飞机制造商。巴西航空工业公司坐落于工业中心的中央位置，这使这个拥有12 000 名员工的公司深感自豪。进入巴西航空工业公司的“虚拟现实”实验室，游客戴上特制的眼镜后可以通过巨大的显示屏欣赏“虚拟飞机”内部及外部的三维景观。工程师们在此实验室内模拟新部件或组件如何改变尚处于设计阶段的飞机的形状或性能。
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法维奥•卡佩拉是巴西航空工业公司的一名研发工程师。他说，如果没有这样的模拟设备，设计并制造一架现代化飞机几乎是不可能的。一架飞机由20 多万个独特部件组装而成，其中还不包括铆钉、螺丝钉之类的组装零件，只包括发动机（一台发动机由15 000 个零件组成）等大型部件的内部零件。卡佩拉还解释说：“我们的模拟系统能用一行计算机代码表示每个部件，这样我们就可以通过大量实验确定每个部件的最佳安装位置。与通过绘图进行设计相比，通过模拟设备优化设计要方便得多。”该软件还可以预测飞机投入使用后各部件将发生的变化（如热量如何在机身各部件或发动机的涡轮中流动），从而有助于制订维护计划。
巴西航空工业公司的虚拟现实设备是一个将计算机辅助分析应用于制造业的典型案例。 在制造产品前，设计工程师可以通过计算机辅助分析，将产品图形或图片以物质世界的三维形式呈现在计算机显示屏上进行描述。通过安装能预测产品运行的其他软件，工程师们还可以进入第四维空间——时间。
2010 年，全球制造商投入了大约1.2 万亿美元进行新产品开发，开发新产品的过程包括使用智能软件进行数据处理。同年，计算机辅助分析软件的销售收入约达200 亿美元，不及开发总成本的2% 。 然而，如果没有这些软件，再高额的开发成本很大程度上也会失去意义。英国计算机科学家查尔斯•朗是20 世纪70 年代将计算机辅助设计与分析理念引入商
　计算机辅助分析是对制造业多种软件技术进行全方位描述。计算机辅助设计是人们熟知的术语，用于描述计算机辅助分析的主要内容，是一种对产品进行三维设计的方法。
　产品开发与计算机辅助分析软件的资金投入是笔者的估算。2012 年1 月27 日对美国计算机辅助设计软件生产商欧特克公司首席执行官进行的电话采访对笔者的估算有很大帮助。
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业领域的先锋人物，他总结道：“以前一直被认为是深奥的技术现已成为主流。这意味着各类制成品，无论是烤箱还是导弹，其制造过程可以更可靠、更高效，开发时间可以更短，功能可以更强大。”
由于计算技术的发展，在制造业中采用计算机辅助分析造成了信息处理量激增。直到15 世纪晚期，约翰尼斯•古腾堡发明了印刷机后，信息存储量才变得无关紧要。印刷机实现了图书及其他文件的大批量生产，同时也大大提升了人们处理及传递信息的能力。此前，人们只能通过手写、画画或讲话传递信息。20 世纪末，价格低廉的计算机的出现更大程度上改变了信息流的性质。
目前，世界信息存储量（99% 以上都是电子形式）大约每两年就会翻一番。2011 年的一项研究表明，存储于各类数码设备（包括各类办公及家用计算机、手机以及工厂控制系统）的信息量共计1 800EB（1 800×10 000 亿字节），大约是所有纸质图书信息存储量的1 400 万倍。
这些信息库中的大部分信息是关于工厂开发或生产的产品。制造新型波音787 梦幻超级巨无霸喷气式飞机需要大量数据，这些数据存储在波音公司或其供应商的计算机中。用于制造该飞机的计算机程序数据总计16 000GB ，相当于1 600 万册图书的信息量。
人类向计算机辅助分析的迈进发生在600 多年前。尼古拉•奥雷姆是法国逻辑学家及学者，他于1377 年成为利雪的主教。他发表了几本精
　2011 年11 月19 日，朗接受了笔者的电话采访。1963~1965 年，朗在麻省理工学院第一次接触了3D 计算机辅助设计，1965~1975 年，他又在剑桥大学计算机实验室进行了3D 计算机辅助设计研究。1974 年，他与同伴在剑桥合伙创办了Shape Data 公司，这是一家早期在该领域非常重要的剑桥CAD 公司，它为后来创立同一领域的Three-Space 公司奠定了基础。
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确描述地球围绕太阳运转的小册子。约300 年后，哲学家笛卡儿进一步拓展了这些理论，他能够通过参照描述物体表面各点位置的数学代码定义普通物体（例如金属片）的形状。19 世纪，法国生理学家艾蒂安– 朱尔•马雷发明了呼吸描记器，进一步完善了此项研究。呼吸描记器能够将机器或动物的运动转换为一系列图片，然后将这些图片转换为数字序列。所有这些理论为工程制图背后的解析几何学奠定了基础，更是在信息转换为二进制代码后为计算机3D 建模奠定了基础。
继上述成果之后，20 世纪四五十年代诞生了第一代电子计算机，从而实现了以数字代码展现工程产品形状。帕特里克•汉瑞特（Patrick Hanratty ）被认为是计算机辅助设计之父。20 世纪50 年代，在通用电气就职期间，汉瑞特研发了第一批能够将形状及物理形态信息转换成二进制代码的软件。20 世纪70 年代，汉瑞特开发了计算机辅助设计软件，命名为“Adam”。美国Computervision 公司是当时计算机辅助设计的先锋，其销售的软件中融入了汉瑞特开发的程序。位于巴黎的法国达索公司推出的Catia 是应用最广泛的软件包之一。思瑞克斯公司利用达索公司开发的这些程序开发了新的电热水壶控件，而巴西航空工业公司则在其圣保罗控制室内应用了这些程序。
进入四维空间是计算机辅助分析的最新发展成果之一。四维空间覆盖物理空间及时间，目前的学科知识仍然适用。未来预计此项技术的发展将进入第五维空间，即在产品制造之前，通过触摸或肢体动作等手段而不是语言或图解来获取产品信息，创意旨在进一步完善计算机辅助分析软件，从而使产品模型更加逼真。
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探索以这种方式处理信息的方法是新学科“触觉学”的研究任务之一。触觉学是一门研究触觉的学科。位于斯德哥尔摩的Reachin 技术公司是这个领域的先锋。Reachin 已将“数据手套”融入模拟系统。“数据手套”和其他形式的手套一样戴在手上，但手套上有能与计算机设备进行交互的特殊传感器。这些传感器可以通过触觉预测新产品的运行情况。此技术可用于设计新产品，在构建原型之前，工程师们可以通过三维图像分析技术在屏幕上展现一辆新汽车的图片。带上数据手套后，人们能直接体验手握汽车方向盘的感觉。触觉学的首次大规模商用很可能是电脑游戏，游戏产品的制造商将新特性融入产品，使人们能够在客厅里通过键盘或鼠标之外的方式享受交互式电脑游戏。
触觉学使人们仅需手握触摸板就能玩游戏、感受温度并做出反应。在这个系统中，玩家可以通过不同的温度判断这场屏幕上的模拟大战的输赢。触觉学也可用于控制挖掘机。操作人员可以通过操作杆传递的“软硬度”信息识别所挖岩石的特性，并根据这些信息适当地移动挖斗，并施加更大挖力挖掘较硬岩石。将触觉学转化为实用工具需要当前计算机辅助分析应用中采用的三维软件新技术，同时还需要融入了加热元件与振动装置的新型传感器设备，从而提供与人们的手指神经末梢相同的触觉体验。
“人机交互”是从任天堂公司的Wii 游戏机或微软公司的体感游戏设备Kinect 等类似产品中衍生出来的一个主题，这些产品通过无线定位设备以及捕捉运动（如挥手或上下跳动）信息的小型摄像机接收信息。预先设置的计算机能够识别身体各部位的位置改变，并以特定方式诠释这些改变。这类计算机控制方法的应用远远不止视频游戏。微软公司正通过完善
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其Kinect 技术探索新的方法，使外科医生在进行高难度手术时能够通过手势获取人体器官的计算机图像。此技术也可以用于新一代“免提”移动设备的开发，或使重度残疾群体能通过移动手指或脚控制一系列工具。

本文摘自《新工业革命》

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　　 在这本书中，作者提到，人类的制造业可以分为五个阶段，它们分别是：第一个阶段是少量定制；第二阶段是少量标准化阶段；第三个阶段大批量标准化生产；第四阶段大批量定制化；第五个阶段是个性化量产。 我们现在正处于个性化量产阶段。这一概念推动了产品多样化从定制化量产继续向前发展。然而，这一生产方式甚少用于生产特殊到独一无二的产品。定制化量产和个性化量产的差别极其细微——丰田生产方式无法为某一单独客户定制一款丰田车型，但是个性化量产就可以轻松做到。 马什预测，当3D打印技术成为生产的日常部分，大批量个性化时代就真正来临了。到2040年左右，利用3D打印技术为很多产品（从喷气式发动机到汽车）生产零件将成为主流，定制特定的相关产品以满足个人需求或生理需求非常重要。这类产品包括医疗植入物、助听器、照明系统及专业家具。随着新工业革命步伐加快，在成本控制的范围内和允许客户施加更大影响的情况下，提供多样化产品将成为越来越明显的特征。 作者敏锐地指出，在新工业革命时期，开发新概念，加强公司间合作，并将研发成果应用于新产品所带来的利益将超过以往任何时期。 这是一部既具有历史厚重感，又具有较高现实意义的著作。毋庸置疑，它将对中国制造业未来有很高的导向性。