如果将具身智能视为未来可能具有广泛产业牵引作用的新兴技术体系,那么理解工业软件与具身智能之间的关系,就不能仅仅从当前流行的机器人仿真平台、世界模型或人工智能计算框架入手,而需要回到工业软件的历史起点,考察人类如何逐步将现实世界中的几何形状、物理规律、工程行为和复杂系统转化为计算机能够描述、计算、预测与控制的对象。
这一历史远比今天通常所说的人工智能发展历史更加漫长。从20世纪中期电子计算机进入工程领域开始,科学家和工程师便不断尝试利用计算技术解决此前主要依靠解析计算、经验公式、物理实验和人工绘图完成的问题。计算机最初只是提高某些数学计算和工程数据处理的效率,随后逐步参与工程设计、结构分析、流体计算、机械运动、制造工艺和工业控制,最终形成覆盖产品研发、生产制造与运行维护的庞大软件体系。
如果从1960年代交互式计算机辅助设计与通用工程分析软件兴起算起,现代工业软件已经历六十余年的产业演进;如果进一步追溯数值分析、数控技术、系统控制和早期计算机工程应用,其技术源流还要更早。因此,本章使用“工业软件七十年”作为历史概括,并不意味着工业软件拥有某一个公认的统一创立年份。
工业软件发展的一个重要特点,是它并非首先由通用软件工程推动,而是在具体工业问题与数学计算方法之间不断形成相互促进的关系。复杂飞机结构需要更加有效的强度分析方法,推动有限元软件发展;复杂机械产品需要精确表示曲面、装配和设计约束,推动几何建模与CAD系统成熟;汽车、船舶与航空航天领域的流动问题促进计算流体力学的发展;机电一体化设备日益复杂,又促进多体动力学、控制仿真和系统级建模工具的发展。
因此,工业软件产业的形成不是一次单独的计算机技术革命,而是不同工程学科长期计算化、模型化和软件化的结果。
这也解释了为什么成熟工业软件企业往往具有深厚的技术积累。某个软件产品今天所使用的求解器、几何内核、约束算法或模型表示方式,可能经历了数十年的数学研究、软件优化和工业案例验证。其竞争能力既体现为算法能否计算某类问题,也体现为在复杂模型、极端工况、数值稳定性、工程标准和真实用户工作流中能够保持怎样的可靠程度。
当我们讨论人工智能是否可能改变这些技术时,首先需要明确,AI面对的并不是一个尚未数字化的物理世界。大量自然规律和工程现象早已通过科学计算、工业仿真和专业软件获得了成熟的数字表达与计算方法。AI能够带来新的建模、求解和学习能力,但其发展必须与这些既有成果进行比较,而不能因为生成模型展示了逼真的物理世界视频,就认为传统工程仿真缺乏对现实世界的描述能力。
工业软件与新一代AI之间真正值得研究的联系,是两者过去采用了不同的知识表示和计算组织方式。传统工程软件通常从明确的物理规律、数学模型、几何边界、材料参数和约束条件出发,通过数值方法预测系统行为;现代机器学习则可以从大量数据中学习复杂映射关系,并通过训练获得对某些环境和任务的预测或控制能力。
随着Physics AI、神经算子、机器人基础模型和世界模型的发展,这两种路径正在进一步相互渗透。传统物理模型可以生成机器学习所需的训练数据,机器学习可以帮助降低某些高保真仿真的计算成本,而专业工业软件又可以参与验证AI模型在物理世界中的行为是否合理。
从这一角度理解,具身智能所需要的虚拟物理世界,并不是从零开始构建一个能够模拟现实的新系统,而是在工业软件已经形成的大量计算能力之上,探索如何组织更大范围的物理模型、动态状态与自主实验过程。
本章因此不按照今天工业软件厂商的市场份额或产品功能进行简单罗列,而是沿着几何建模、数值求解、系统仿真、数字孪生和可交互物理环境几条相互交织的技术主线,重建工业软件发展过程中具有长期意义的技术积累,并在此基础上分析它们对具身智能和未来物理智能基础设施所具有的价值。
在工业软件的发展历史中,计算机辅助设计具有特殊的重要性,因为它不仅提高了工程图纸的绘制效率,更逐步建立了计算机内部描述物理对象形状、尺寸、拓扑和装配关系的完整方法。
现代CAD发展的重要早期成果之一,是Ivan Sutherland于1963年在麻省理工学院完成的Sketchpad研究。Sutherland利用交互式图形显示和光笔输入,使用户能够直接在计算机屏幕上创建与修改图形对象,并利用约束关系保持几何结构的一致性。美国计算机历史博物馆与MIT保存的原始资料表明,Sketchpad并非单纯的电子绘图工具,其对象实例、几何约束及交互修改机制,已经包含后来CAD系统中具有长期影响的思想。
MIT 开放奖学金
1963年:Sketchpad与交互式几何建模
Sketchpad使工程师能够在计算机中直接操作具有数学关系的图形对象。它对后来的计算机图形学、交互设计、CAD和几何约束技术具有重要影响。
历史依据:MIT原始博士论文与计算机历史博物馆资料。
这一技术创新的重要意义,不只是绘图速度的提高,而是设计信息开始从固定的图纸表示转换为计算机能够理解和修改的结构化对象。传统工程图纸主要依靠人工解释其尺寸、形状与设计意图,而CAD系统逐渐能够在内部保存几何元素、约束关系和对象之间的关联,使设计修改具有更高程度的可计算性。
随着三维几何建模的发展,这种变化进一步深化。工程师不再只是使用计算机绘制物体的投影,而是直接在软件中构建物体的三维几何表示,并通过数学算法处理曲线、曲面、实体、布尔运算和装配关系。
在这一过程中,实体建模、边界表示、构造实体几何、参数化建模和特征建模等技术逐步成熟。它们虽然在实现方法和数据结构方面存在差异,却共同回答了一个基本问题:怎样让计算机拥有对工程物体形状和结构足够明确的数学描述,从而使这些对象可以被修改、分析和制造。
几何内核的形成尤其值得关注。一个成熟的几何内核需要处理精确曲面与拓扑之间的关系、复杂几何布尔运算、容差管理、几何修复以及数值鲁棒性等问题。对于大型机械产品,还必须处理大量相互关联的零部件、装配约束和历史设计数据。
Parasolid、ACIS、CGM以及开源Open CASCADE Technology等,代表了不同商业与技术生态中的几何建模基础。它们的存在使大量专业CAD、CAM、CAE及其他工程软件能够在相对成熟的几何计算能力之上开发产品,而不必从零实现全部曲线曲面与实体建模算法。
这实际上已经是一种成熟的工业软件技术分工。完整应用软件与底层几何内核可以由不同主体开发,并通过软件开发接口进行集成。商业CAD企业可以在几何内核之上发展特征建模、装配管理、工程图纸和专业设计流程,专业仿真软件也可以利用已有几何模型建立分析计算域。
因此,你此前提出的由不同专业开发商向共同物理世界提供独立技术模块的思想,并不是工业软件历史中完全陌生的组织方式。几何内核的发展早已证明,某些高度复杂的基础算法可以通过组件化和授权机制进入多个应用软件,形成专业化的基础技术市场。
不过,几何模块与物理求解器之间存在重要区别。几何内核主要处理对象的空间数学结构,而不同物理领域之间的动态耦合还需要考虑时间演化、边界交换、守恒关系与数值稳定性。因此,几何内核模式可以为开放物理组件生态提供 产业组织方面的参照,却不能直接证明所有物理求解器都可以通过相同方式实现即插即用。
对于具身智能而言,现代CAD和几何内核所提供的价值远不止机器人本体设计。机器人需要在虚拟环境中识别、接触和操作的物体,也可以来源于工业产品的真实几何数据。机械零件、夹具、工具、设备、家具和生产设施的CAD模型,可以经过适当转换成为虚拟场景中的数字资产。
但这里需要进行重要的工程转换。制造级CAD模型通常追求尺寸与几何精度,可能包含大量对机器人训练并不必要的细节;机器人训练则还需要物体质量、惯性、碰撞几何、材料、接触参数以及任务语义。将CAD模型导入实时场景,并不意味着自动获得完整的物理仿真模型。
这一区别说明,几何建模已经高度成熟,但从工业几何模型到可交互物理对象,仍然存在一层需要进一步发展的资产转换与物理属性组织技术。
如果说CAD的发展使计算机逐步获得了对工程物体几何结构的描述能力,那么有限元分析、计算流体力学和其他数值求解方法的发展,则使计算机逐步获得了预测这些物体在物理作用下如何变化的能力。工业软件由此从辅助工程师表达设计意图,扩展到辅助工程师理解尚未制造或尚未测试的产品在现实物理环境中可能表现出的行为。
这一能力的形成,依赖的是比计算机软件本身更加漫长的数学与物理学积累。牛顿力学、连续介质力学、热力学、麦克斯韦方程组以及其他物理理论,为描述自然现象提供了基本框架,但大量实际工程问题无法通过简单解析方法获得精确解。复杂零部件的应力分布、机翼周围的气流变化、非线性材料的变形以及复杂电磁结构中的场分布,通常需要建立数学模型,并利用数值方法进行近似求解。
现代计算技术使这种求解逐渐成为工程研发中的常规活动。有限差分、有限体积、有限元、边界元、谱方法和其他数值计算方法,分别在不同物理领域形成了广泛应用。它们并不是单一软件公司的专有发明,而是科学家、工程师、大学、研究机构和企业长期共同发展的成果。工业软件公司在这些理论和方法之上,通过实现高性能求解器、建立材料和单元模型、开发前后处理系统以及积累工程验证案例,逐渐形成具有商业价值的专业软件产品。
有限元分析的发展尤其具有代表性。有限元方法将连续物理对象离散为有限数量的计算单元,使原本难以直接求解的连续场问题转化为计算机可以处理的代数方程或动力学方程。这种离散化并不是简单将物体切割成网格,而是通过形函数、弱形式、边界条件和数值积分等数学结构,使离散模型能够近似描述原有物理系统的行为。
NASA在20世纪60年代推动开发的NASTRAN,是通用工程结构分析软件发展史上的重要成果。NASA官方软件目录明确指出,NASTRAN于1960年代后期在美国政府资助下开发,最初主要面向航空航天领域的结构分析,后来其技术被整合进入不同商业软件体系。NASA关于NASTRAN历史的资料还说明,该软件发展为航空航天、汽车和其他制造领域的重要计算工具,体现了公共研发项目、专业软件企业和工业应用之间长期形成的技术转移关系。
NASTRAN:从航空航天结构分析走向通用工程软件
NASTRAN的历史显示,具有高度专业性的数值算法可以经过长期工程化,发展为跨行业复用的基础计算能力。这种能力既可以被完整应用软件使用,也可以通过不同软件体系持续发展。
NASTRAN的重要性,不仅在于它是一款具有悠久历史的结构分析软件,还在于它展示了工业软件产业的一种典型形成机制。科研与公共工程需求推动复杂算法研发,专业软件企业将算法转化为可维护、可扩展和可持续优化的产品,工业客户通过大量真实应用提供验证反馈,最终形成具有跨行业价值的技术基础。
这一机制在其他专业工业软件领域也反复出现。非线性有限元软件逐渐扩展到大变形、复杂接触、材料塑性、冲击和损伤问题;计算流体力学软件不断改进湍流建模、数值离散、复杂几何处理与并行计算能力;电磁仿真软件则围绕高频、低频、器件与系统级电磁问题形成不同技术分支。
从计算物理角度看,这些软件共同建立了一种极其重要的能力:工程师可以在产品制造之前,根据几何、材料、物理模型及边界条件,计算其在特定环境和载荷作用下的可能响应。
这意味着工业软件已经能够在计算机内部完成大量过去需要依赖实体试验的工作。飞机的部分结构强度、汽车碰撞中的材料变形、流体设备内部的速度和压力分布、电机内部的磁场与损耗,都可以通过专业数值计算进行预测,并由真实实验进行校准和验证。
不过,必须保持对计算模型的正确认识。求解器计算的是已建立数学模型在特定初始条件、边界条件和数值近似下的解,而不是直接复 制现实世界的全部行为。工程仿真的可信性始终取决于模型假设、材料参数、离散误差、数值收敛和实验验证。即使是经过多年发展的成熟求解器,也不能保证在所有未知物理条件下提供准确结果。
对于具身智能而言,这种区别具有根本意义。机器人所需的虚拟世界并不缺乏描述大量物理现象的成熟方程和数值算法,但如果希望将这些计算能力用于持续运行、实时交互和大量并行训练,就需要进一步考虑求解速度、模型复杂度和物理有效域。传统工业求解器所追求的工程精度,与机器人策略学习所要求的高吞吐量,既存在互补关系,也存在现实的技术权衡。
因此,具身智能不是要求重新建立计算物理学,而是提出了一个新的工程问题:如何将过去主要用于特定工况分析的高保真物理计算能力,转化为能够被反复调用、按需组合并与AI训练系统共同运行的动态模型和计算服务。
在工业软件的发展过程中,计算流体力学具有特别重要的地位,因为它所处理的不是物体固定几何结构或简单机构运动,而是连续分布并随时间变化的物理场。
流体速度、压力、密度、温度和湍流变量等,通常需要在空间和时间上共同求解。与相对简单的刚体运动模型相比,流体仿真往往需要处理大量空间自由度、复杂边界条件和不同尺度的物理现象,其数值稳定性、网格质量和计算资源需求均可能对结果产生重要影响。
随着有限体积方法、湍流模型、并行计算和高性能计算基础设施的发展,CFD逐渐从科研领域扩展到航空航天、汽车、能源、化工、船舶、电子散热、建筑环境及其他工业领域。不同软件体系在网格处理、求解方法、物理模型、计算性能和行业应用方面持续积累,形成了Fluent、STAR-CCM+、OpenFOAM、SU2及其他专业技术产品与开源项目。
CFD产业的发展说明,物理软件的价值不仅来自是否能够求解基本控制方程,更来自对实际工程问题中复杂细节的处理能力。工程师不仅需要计算理想条件下的流场,还需要考虑复杂形状、湍流、换热、旋转机械、多相流、可压缩流动和不同材料界面等情况,而这些问题往往需要大量模型选择、数值技巧和实验验证经验。
随着工业产品复杂度提高,不同物理现象之间的联系也逐渐成为重要研究对象。例如,电子设备运行会产生热量,温度影响材料性质和设备性能,结构变形又可能改变流体流动空间;电机中的电磁损耗转化为热,热膨胀和材料性能变化进一步影响机械结构与工作效率;高速气流可能引起结构振动,而结构变形又会改变流场边界。
这些相互作用推动了多物理场仿真的发展。
多物理场仿真并不是简单在同一个软件界面中同时显示多个计算结果,而是需要在数学模型与数值计算层面处理不同物理过程之间的耦合关系。流体和结构之间可能交换力与位移,热与流体之间可能交换温度和热通量,电磁与热之间可能通过损耗、材料温度特性形成双向联系。
不同物理问题还可能具有完全不同的时间尺度和空间离散要求。流体中的快速瞬态变化可能需要较小时间步长,结构中的缓慢热变形则可能在较长时间范围内演化;电磁场计算与机械运动之间也可能需要采用不同的离散方法和求解周期。因此,多物理场仿真需要解决的不只是数据交换,还有时间同步、变量映射、边界条件和数值稳定性。
从软件架构角度看,现有多物理场计算可以采用不同实现方式。一种方式是在相对统一的数学和软件框架中建立耦合方程,并采用整体求解策略;另一种方式是保留独立物理求解器,通过接口和耦合算法交换相关状态,使多个求解器共同完成一个物理问题。
后一种方式与我们提出的开放式物理插件具有直接联系。
德国慕尼黑工业大学和斯图加特大学参与发展的preCICE,就是专门面向分区式多物理场耦合的开源技术。其官方文档指出,preCICE可以连接已经存在的独立求解程序,支持流固耦合和共轭传热等问题,并提供并行通信、数据映射与瞬态耦合方法。
这一技术实践具有重要启示。多物理场的开放组合并不是未来才需要发明的架构思想,科研和工程领域已经长期探索如何在不重写每个专业求解器的条件下实现协同计算。
但已有成果也说明,开放组合的难度主要在耦合层,而不只是模块安装层。对于某些弱耦合问题,模型之间交换少量数据便可能满足需求;对于强耦合问题,如果一个求解器输出的状态立即显著影响另一个求解器的边界条件,就可能需要反复迭代、特殊稳定化方法或整体求解策略。
因此,未来虚拟物理实验场可以借鉴已有多物理场技术建立开放接口,却不能假定任何新增加的物理模块都能够在不改变系统求解策略的情况下自动运行。
这也是我们希望尊重工业软件历史积累的原因。多物理场软件过去几十年解决的很多问题,恰恰是开放式物理世界若要具备工程可信性,就必须认真继承的基础。
几何建模和有限元、CFD等连续场仿真,主要解决工程对象的形状表示及其在不同物理作用下的响应问题。随着机械系统、汽车和机电设备的发展,工程师还需要研究多个运动部件如何通过关节、传动机构和约束关系共同运动,以及这些运动如何受到外力、驱动、控制器和环境接触的影响。
这一需求推动了多体动力学软件和系统级动态仿真的发展。
多体动力学将机械系统表示为多个相互连接的刚体或柔性体,通过广义坐标、关节约束、运动学关系和动力学方程计算系统的运动。与单个零部件的结构分析不同,它更加关注机构之间的关系以及整个机械系统随时间变化的行为。
汽车悬架、机械传动、工程机械、机器人机构和复杂装备,长期依赖此类技术进行分析。Adams、Simcenter Motion、RecurDyn及其他软件代表了不同多体动力学产品路线,而机器人学研究也形成了大量面向机构运动、刚体动力学和控制的计算方法与软件库。
从具身智能角度看,多体动力学的历史具有特别直接的意义。机器人不是静态的几何对象,它的核心能力正是通过关节和执行器控制身体运动,并在运动过程中与外部环境发生物理交互。质量、惯性、关节限制、驱动力、摩擦和接触条件,都直接影响机器人动作是否能够实现。
因此,现代机器人实时物理引擎虽然在计算架构和性能优化方面与传统机械动力学软件存在不同侧重点,但它们所处理的许多基础问题来自同一套经典力学与数值计算体系。机器人训练并不是重新发现运动学与动力学,而是在已有动力学计算基础上,增加环境交互、学习策略和大量重复执行所需的系统能力。
与此同时,复杂机电系统还需要描述机械之外的其他工程过程。一个机器人关节不仅包括机械连杆和运动约束,还包括电机、电力电子驱动、传动系统、传感器、反馈控制器、热管理和能源供应。不同子系统之间具有相互作用,仅使用机械运动模型并不能完整描述设备行为。
系统级建模与仿真因此成为工业软件发展的另一条重要主线。
控制系统仿真工具、面向不同工程领域的建模语言,以及机电、液压、电气、热和控制系统联合建模技术,使工程师能够在统一系统视角下研究复杂装备。
Modelica的发展是这一过程的重要历史节点。Modelica Association官方资料显示,Modelica的设计工作于1996年启动,并在1997年发布最初版本,目标是通过统一、面向对象的物理建模语言,提高不同领域模型的复用性和交换能力。
Modelica的重要创新,不只是形成了另一种仿真编程语言,而是尝试以方程和物理连接关系组织模型,使不同工程领域的组件可以按照系统结构连接起来。与完全依赖信号流的建模方式相比,基于方程的非因果建模能够在一定程度上更自然地描述电气、机械和热力系统之间的物理联系。
当然,使用统一建模语言并不能消除所有数值求解难题,也不能保证任意物理模型都能够直接组合。但是,Modelica的发展说明,工业软件行业早已认识到模型复用、跨领域协作与物理语义统一的重要性,并围绕这些目标开展了长期的标准化工作。
进一步发展的Functional Mock-up Interface(FMI),则从模型交换与联合执行层面提供了更加明确的接口。FMI 3.0标准定义了Model Exchange、Co-Simulation和Scheduled Execution等接口类型,使不同工具生成的动态模型能够以相对标准化的方式被其他系统调用。
对于未来开放式虚拟物理实验场,这些标准与技术具有不可忽视的继承价值。它们已经提供了模型封装、状态更新、时间推进与跨工具执行的部分基础能力,因此没有必要因为AI技术发展,就重新创造一套缺乏行业兼容性的新模型交换语言。
真正需要进一步探索的,是如何在已有动态模型标准之上,增加物理场景语义、空间交互、复杂接触、自动实验编排以及AI训练所需的状态控制与执行能力。
随着CAD、CAE、CAM和系统仿真等技术逐步成熟,工业软件的发展开始超越单独的几何建模或物理计算问题,进一步进入产品研发流程、工程数据管理和组织协作领域。
复杂产品往往不是由一个工程师在单个软件中完成的,而是需要机械、电气、电子、软件、制造和质量等不同专业团队共同开发。一项设计变更可能影响结构强度、零部件装配、电气接口、制造工艺、采购成本和后续维护。因此,工业软件不仅需要能够描述和分析具体物理对象,还需要维护不同模型、版本和工程活动之间的关联关系。
产品数据管理和产品生命周期管理体系,就是在这种需求背景下发展起来的。
PDM和PLM所管理的不只是文件与设计图纸,还包括产品结构、零部件配置、工程变更、版本关系、设计流程以及不同部门之间的协作。随着复杂装备的软件和电子系统比例提高,工程管理又进一步涉及机械、电气、电子和软件之间的跨领域协同。
从技术层面看,这些系统并不直接代替专业求解器计算结构应力或流体状态,但它们承担了另一种对复杂物理世界极其重要的工作:维护工程模型所对应的产品对象、配置、版本和设计意图。
对于一个实际机器人而言,仅有三维模型和动力学参数并不足以构成完整的数字工程资产。机器人可能存在不同硬件版本、执行器配置、传感器布置、材料选择和控制软件版本,这些差异将直接影响训练模型与真实设备之间的对应关系。
如果虚拟训练系统使用某个机器人版本的质量、惯性和关节参数,而实际设备已经发生结构修改,训练结果可能无法准确对应真实系统。随着机器人产品进入规模制造,不同批次的零部件公差、传动磨损和控制参数差异,也可能逐渐影响仿真与真实设备之间的一致性。
因此,PLM和工程数据管理能力在具身智能时代并不会因为模型生成更加方便而失去价值。相反,如果机器人虚拟实验逐渐成为研发流程的重要组成部分,物理模型、训练数据、软件版本和真实硬件配置之间的追溯关系,可能更加重要。
这也是虚拟物理世界不能仅仅被理解为大型三维场景的原因。真正具有工程价值的数字世界需要知道对象是什么、它从哪里来、具有怎样的物理属性、对应哪个真实产品版本,以及哪些模型已经经过验证。
工业软件过去几十年围绕数据管理、工程流程和模型关联形成的技术能力,可以为这些问题提供重要基础。新的AI训练系统可以利用这些数据和模型,但仍需要与成熟工程数据体系建立明确的接口和治理规则。
从产业角度看,传统CAD、CAE和PLM之间的联系,也使工业软件逐渐形成平台化竞争格局。大型厂商通过产品组合、数据模型、接口标准和行业解决方案,将多个专业软件连接起来,帮助客户在完整产品开发过程中管理复杂工程信息。
因此,研究AI时代工业软件产业演化时,不能假设传统工业软件企业过去只是销售彼此孤立的单点工具。很多领先厂商已经长期围绕产品全生命周期、系统工程与工业数据构建综合技术体系,而AI和具身智能所带来的变化,是在这些已有基础之上进一步增加机器学习、物理世界训练和自动化实验等能力。
如果说CAD、CAE和系统仿真使计算机能够描述与预测工程对象,那么数字孪生的提出,则进一步强调数字模型与真实物理对象之间的持续联系。
数字孪生并不是简单的三维可视化模型,也不是所有工程仿真项目都可以直接称为数字孪生。其重要特征通常在于,数字表示与特定物理对象或系统存在可追溯的对应关系,并能够利用现实数据对模型状态或预测进行更新。
数字孪生的历史具有多个来源。工业产品生命周期管理领域在21世纪初已经形成相关思想,NASA则在2010年前后的技术规划中系统发展了数字孪生概念。美国国家科学院2024年发布的《Foundational Research Gaps and Future Directions for Digital Twins》指出,Digital Twin这一术语在NASA约2010年的技术路线规划中逐渐形成,并在2012年发表的相关资料中被明确描述为结合多物理场、多尺度、概率仿真、传感器更新和系统历史数据的数字系统。
国家科学院
这一历史事实特别值得注意,因为它表明数字孪生从概念形成阶段,就与高保真工程模型、多物理场计算、真实数据和模型更新之间存在紧密联系。数字孪生并非物联网普及之后才突然出现的三维可视化技术,而是工业仿真与系统生命周期管理长期演化的一部分。
不过,在实际产业应用中,数字孪生逐渐形成多种不同层次。有些数字孪生主要用于设备状态监测和运行可视化,有些侧重工厂生产流程与物流系统,有些则通过实时或准实时物理模型预测设备性能、故障和剩余寿命。不同应用的模型复杂度与数据同步要求差异很大,不能仅凭是否具有三维场景判断其技术水平。
美国国家科学院的研究也强调,数字孪生研究需要处理数据同化、模型可信度、不确定性、计算效率和物理系统与数字系统之间的双向联系等基础问题。
国家科学院
从我们关注的虚拟物理实验场角度看,数字孪生具有一项关键价值:它为虚拟模型与真实对象之间建立持续反馈关系提供了工程思想和实践基础。
机器人训练中的虚拟环境如果仅由人工设定参数,便可能逐渐偏离真实设备的物理性能。如果虚拟模型能够利用真实机器人运行时采集的关节电流、位置、速度、温度、接触力和其他数据进行校准,就可能减少一部分虚实差异,使后续训练和验证建立在更加接近实际设备的状态基础上。
但数字孪生与机器人训练环境仍不是完全相同的系统。数字孪生通常强调与某个具体物理对象的对应关系,而机器人训练环境可以包含大量尚不存在的假设性对象、随机生成的场景和不同于现实设备的实验条件。
例如,一台真实机器人的数字孪生可以用于维护、故障诊断和性能预测,而训练系统可能同时生成成千上万个不同质量、摩擦和环境参数的机器人副本,让AI探索不同条件下的动作策略。
这说明数字孪生与虚拟训练场之间既存在技术重叠,也具有不同的使用目标。数字孪生可以为训练环境提供真实数据和模型校准能力,训练系统则可以利用这些模型进行平行实验和策略优化。
进一步延伸,开放式虚拟物理世界可能同时包含真实设备的数字孪生、设计阶段的虚拟原型、经过验证的ROM、随机生成的物理对象和其他实验性模型。但系统必须能够区分这些对象的来源、有效范围和可信度,不能将全部虚拟对象都视为真实世界的准确副本。
讨论具身智能虚拟物理世界时,一个需要特别澄清的问题,是传统工业仿真是否主要停留在离线计算阶段,以及现代AI是否第一次使物理模型获得持续运行与实时交互能力。
从工业软件历史来看,答案是否定的。
传统工程仿真不仅包括静态结构分析,还包括瞬态动力学、实时控制仿真、飞行模拟、车辆驾驶模拟、过程控制、硬件在环、系统级动态仿真和各种连续运行的物理系统模型。航空航天、汽车、能源和自动化工业早已建立了成熟的实时仿真与控制验证体系。
例如,在汽车电子控制系统研发中,硬件在环测试可以让真实控制器与虚拟车辆或发动机模型进行闭环交互。控制器按照真实运行节拍输出控制指令,实时仿真系统则计算车辆或设备的响应,并将传感器信号反馈给控制器。控制器在这种环境中能够表现得仿佛正在操作真实设备,而系统并不需要完整制造对应的车辆或发动机。
在航空航天领域,飞行模拟器和控制系统测试平台同样长期采用数学模型描述飞行器动力学、发动机、环境和控制响应。对于很多特定训练与验证任务,这些系统已经能够提供高度成熟的实时交互能力。
因此,如果严格按照工程技术定义,我们不能将传统工业软件简单描述为只能进行Simulation,而AI时代的软件才具有Emulation能力。Simulation和Emulation在不同专业领域具有不同含义,二者也并不存在普遍适用的技术等级关系。
真正需要研究的,是不同工业软件系统在计算速度、物理精度、模型范围、状态管理和交互能力方面的差异。
从这一比较可以发现,具身智能真正提出的新需求,并不只是让物理模型能够运行,而是希望物理计算能够在更多任务、更大环境规模和更高实验吞吐量下,为AI学习与自主实验提供服务。
传统工业仿真中的一次高精度计算,可能需要工程师经过模型准备和工况设置,消耗数小时甚至更长时间完成。机器人学习则可能需要在不同初始条件下反复进行大量动作尝试,同时根据结果调整策略。
这两种计算任务的经济结构明显不同。高保真计算强调对特定物理问题的精度与可信度,大规模训练则更重视单位计算资源能够提供多少有效经验,以及这些经验能否真正改善机器人在现实环境中的表现。
因此,未来可能出现的技术创新,不是用一种通用AI模型取代全部传统仿真,而是使不同精度和计算成本的模型能够按照训练任务需要协同工作。
这为ROM、Physics AI和新型模型运行架构提供了重要发展空间。
传统数值求解器能够描述大量复杂物理问题,但其计算成本通常与模型自由度、求解精度、时间步长和计算方法密切相关。对于复杂的三维流场、非线性材料与多物理场系统,单次高保真仿真可能消耗大量计算资源,而反复求解不同参数条件则可能进一步增加研发成本。
降阶模型(Reduced-Order Model,ROM)的发展,长期以来就是为了降低复杂系统的计算成本,同时尽可能保留对特定任务有意义的系统行为。
传统ROM方法可以通过降维、状态空间简化、模态截断、投影方法和其他数学技术,将高维工程系统转化为较低维度的近似模型。对于适合降阶的系统,这种方法能够显著提高计算效率,使模型更加适合实时预测、控制优化、参数分析和数字孪生。
近年来,机器学习进一步扩展了这一技术方向。神经网络、神经算子、图神经网络和其他科学机器学习方法,可以利用仿真数据、实验数据和物理约束,学习复杂物理系统在一定输入条件下的响应。
这里需要明确,ROM与Physics AI并不是同一个概念。传统ROM可以完全基于数学投影和模型简化,Physics AI则涵盖更广泛的机器学习与物理模型融合方法,两者可以结合,但不应在研究中互相替代。
NVIDIA PhysicsNeMo便是这一方向具有代表性的技术框架。NVIDIA官方文档将其定义为面向科学机器学习与工程问题的开源深度学习框架,支持神经算子、图神经网络、物理信息神经网络及其他模型架构,帮助开发者训练、验证和部署用于流体、结构、电磁等领域的物理AI模型。
NVIDIA PhysicsNeMo Framework
PhysicsNeMo:将物理仿真与数据驱动模型联系起来
其重要性不在于创造新的物理定律,而在于提供能够融合工程数据、物理约束和GPU计算的机器学习开发框架,使部分高成本物理预测可以转化为经过训练的快速计算模型。
在具身智能虚拟实验环境中,这种能力具有明确的潜在用途。机器人可能需要不断与某个柔性物体交互,如果每一次接触都调用完整高保真有限元模型,训练吞吐量可能无法接受;而如果能够利用高保真仿真和真实实验数据建立适用的快速模型,就有机会在大量交互过程中近似描述该对象的重要物理行为。
但是,这种近似必须具有明确的适用边界。某个代理模型在已知形状、材料和载荷范围内表现良好,并不能证明它能够正确处理任意材料、极端状态或结构断裂等现象。随着机器人动作不断改变环境状态,模型误差也可能逐步积累,最终影响训练策略的真实性。
因此,ROM和Physics AI的应用需要同时包含模型训练、有效域判断、误差评估和真实物理验证。
从产业技术体系角度看,这一发展可能带来一项重要变化:过去主要通过单次求解使用的专业物理能力,在适当条件下可以转化为能够反复调用的快速模型。高保真求解器仍然负责提供可信的计算基准,快速模型则可以服务于实时交互、批量实验和AI训练。
这一方向可能使工业软件长期积累的物理计算知识获得新的使用方式,但其最终能否形成开放市场,还取决于模型接口、训练数据权属、软件许可、跨任务复用程度和经济性。
随着三维模型、机器人仿真和数字孪生需求扩大,另一个重要技术问题逐渐突出:如何在不同软件、不同机构和不同计算环境之间组织复杂三维场景与资产。
传统工业软件通常拥有自身的几何表示、产品结构与模型格式,而计算机图形学、游戏引擎和机器人系统又分别发展了不同的场景结构与数据交换方式。不同技术生态之间的数据转换,往往成为复杂系统集成中的重要成本来源。
OpenUSD的发展为三维场景的可组合性提供了新的技术基础。USD最初由Pixar发展,用于描述和组合复杂三维场景,后来逐渐扩展到其他应用领域。其重要能力包括场景层次结构、资产引用、变体、属性组织和非破坏式场景组合,使多个开发主体可以对同一复杂场景的不同部分进行协作。
NVIDIA在Omniverse和Isaac Sim中广泛采用OpenUSD作为场景组织基础。NVIDIA官方技术资料指出,Isaac Sim可以接收CAD、URDF和真实世界重建等多种来源的数据,将其转换为USD场景,再配置材料、物理属性、机器人和传感器模型,以支持物理仿真、合成数据生成和机器人学习。
NVIDIA Developer
这说明从已有工业资产到机器人训练场景的技术路径正在逐步清晰。企业不必全部重新绘制生产设备、机器人物体和环境,而可以尝试复用已有的数字工程资产,通过场景转换和物理参数补充形成可交互的训练对象。
但是,OpenUSD本身不能被理解为通用多物理场求解器,也不能自动解决不同物理模块之间的时间同步和耦合计算。它主要提供场景和资产组织能力,实际物理行为仍然需要相应的求解器、模型参数和运行框架。
这一点对于我们构想的开放物理世界尤其重要。未来平台很可能需要同时继承多个成熟体系:利用OpenUSD组织场景和数字资产,利用FMI与其他标准封装动态模型,利用专业耦合技术连接不同求解器,再通过AI训练框架组织实验和策略学习。
这些技术各自解决不同的问题,其价值正在于形成互补,而不应该为了追求架构统一而将全部功能强行重新实现。
沿着前面的技术演化,可以看到工业软件已经逐步形成对物理世界的多层次数字表达能力。
CAD和几何内核解决了复杂工程对象怎样在计算机中被精确表示与修改的问题;CAE和专业求解器发展了预测结构、流体、热、电磁等物理行为的方法;多体动力学与系统仿真提供了机构运动、动态控制和跨领域系统建模能力;PLM和工程数据管理则将模型与真实产品配置、设计变更和全生命周期信息联系起来;数字孪生进一步强调数字模型与真实物理对象之间的持续数据关联。
这些能力虽然由不同技术领域和企业生态分别发展,却共同构成了现代工业体系数字化的重要基础。
这张技术图谱说明,具身智能虚拟实验场并不缺乏基础能力。相反,其绝大多数底层技术都能够在已有工业软件、科学计算或机器人技术中找到明确来源。
真正尚未完全解决的问题,主要集中在这些能力之间的连接方式,以及它们能否适应新的计算任务。
传统工业软件多数围绕特定工程分析或产品研发流程进行优化,而具身智能可能要求物理环境被AI反复访问、自动创建、动态修改并进行大量实验。不同物理模型需要共享对象状态、保持时间同步、处理动作引起的条件变化,并在必要时进行高保真验证。
因此,从传统工程仿真到开放式虚拟物理世界的演化,不是简单增加更多物理求解器,而是需要研究模型组织、物理耦合、状态一致性、执行调度和实验可信度的系统架构。
尤其值得重视的是,工业软件发展史中已经存在大量可直接继承的模块化技术,包括几何内核、动态模型交换标准、跨求解器耦合、系统建模语言和高性能计算框架。未来平台如果忽略这些成熟积累,反而可能重复解决大量已经有较好答案的工程问题。
回顾现代工业软件的发展历史,可以发现工业软件产业并不是由一个统一的软件产品类型发展而来,而是由计算几何、数值数学、经典力学、连续介质力学、电子工程、自动控制、制造工程和工业管理等多个专业领域长期计算化的过程共同形成。
从1963年的Sketchpad,到1960年代后期的NASTRAN,再到现代几何内核、多物理场求解器、Modelica、数字孪生和Physics AI,工业软件发展的主线始终围绕一个基本目标展开:利用数学、物理和计算方法,帮助人类更加有效地理解、预测和改造真实工程系统。
人工智能的出现改变了其中部分知识获取和计算执行的方式,却没有使原有工程科学积累失去意义。AI可以通过数据学习复杂物理关系,可以加速部分数值计算,可以自动组织实验,也可以通过机器人策略学习将计算结果转化为物理行动。然而,这些能力要获得可靠的工程价值,仍然需要与成熟物理模型、真实实验和工业系统约束相结合。
对于具身智能而言,工业软件所具有的特殊价值,在于它能够为AI提供经过长期积累的物理世界知识结构。几何模型描述物体的空间形式,动力学模型描述运动和力,材料模型描述物体受到外部作用后的变形,系统模型描述设备内部不同子系统之间的关系,而数字孪生和工程数据体系则进一步提供物理对象与真实设备之间的对应联系。
因此,具身智能推动工业软件产业演化的主要机会,并不应被理解为AI将重新开发所有传统工程工具,而是机器智能对可计算物理知识的需求,可能促使这些成熟能力进入新的使用环境和产业分工。
本章还形成了一个需要进一步研究的判断:工业软件已经构建了大量可信的局部物理计算世界,但这些世界在对象语义、运行状态、时间尺度、模型接口和物理耦合方面尚未形成能够普遍支持开放式自主实验的统一体系。
这一判断既尊重已有工业软件的发展成果,也明确指出未来可能发生技术创新的具体 位置。
从下一章开始,我们将进一步区分工程仿真、实时仿真、数字孪生、仿效系统和可交互物理世界的技术边界,深入研究当前工业软件已经能够实现怎样的运行能力,以及具身智能为何可能对这些成熟技术提出新的组合需求。
以下文献覆盖关键历史起点、模型与仿真标准,以及截至2026年10月的主要技术实践。