仿生學基于數(shù)字孿生的仿生制造：概念、方法和技術(shù)框架3.1具有保證物理狀態(tài)和虛擬狀態(tài)之間以適當速率和精度同步的數(shù)據(jù)連接的特定目標實體的數(shù)字化表3.23.3制造裝備manufacturingequ3.4工藝過程technologicalprocessduringmanuf3.5通過轉(zhuǎn)化生物的優(yōu)異功能，設(shè)計并制造的滿足工程技術(shù)需求的人工制品23.6仿生產(chǎn)品功能biomimeticproduct3.73.84縮略語VR：虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VirtualRealitCAD：計算機輔助設(shè)計(ComputerAided5核心概念5.1.1仿生減材制造5.1.2仿生等材制造35.1.3仿生增材制造助計算機輔助設(shè)計和三維數(shù)字制造技術(shù)，實現(xiàn)材料、構(gòu)件5.1.4仿生復(fù)合制造應(yīng)需具備的要素++++ +++ +++++/-++ +++ +++ +++ ++字實體的設(shè)計-制造全周期可溯和動態(tài)迭代，具體架構(gòu)主要圍繞以下四部分進a)孿生對象：仿生產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、產(chǎn)品制造、質(zhì)量控制全流程的必要實體對象或?qū)嶓w間4c)功能模塊：結(jié)合數(shù)值仿真、信息采集與傳輸、實時數(shù)據(jù)處理與分析、模型動態(tài)更新與反饋等技術(shù)手段與實施方法，實現(xiàn)仿生產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、產(chǎn)品制造、質(zhì)量控制等全流程功能輸d)數(shù)據(jù)模塊：用于存儲包括產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)、設(shè)備運行參數(shù)、制備環(huán)境參數(shù)、工藝執(zhí)行參數(shù)以及設(shè)備運維數(shù)據(jù)等，以及底層數(shù)據(jù)處理的技術(shù)手段，包括通信與交互規(guī)則、數(shù)據(jù)清洗與轉(zhuǎn)換、表2給出了基于數(shù)字孿生仿生產(chǎn)品制造的能力等級。若實現(xiàn)基于數(shù)字孿生的仿生制造應(yīng)至少達到一具備對仿生產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)、制造設(shè)備、制造工藝自a)首先，基于三維建模、多物理場仿真等軟件建立關(guān)于幾何-材料-結(jié)構(gòu)-性能的仿b)其次，借助3D數(shù)據(jù)掃描或三維建模軟件建立高精度的制造設(shè)備幾何數(shù)字模型，并通過傳感器c)再次，通過建立材料相態(tài)分布（如仿生復(fù)合材料的微觀三維結(jié)構(gòu)）、結(jié)構(gòu)參數(shù)（如孔隙率、梯度變化）以及性能指標（如力學性能、摩擦性能）等仿生產(chǎn)品的特征信息與工藝約束的關(guān)聯(lián)關(guān)系，利用數(shù)據(jù)傳輸、通信接口以及控制系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計與制造工藝以及制造設(shè)備孿生d)在此基礎(chǔ)上，通過傳感器實時數(shù)據(jù)→邊緣計算節(jié)點工藝調(diào)整→數(shù)字模型參數(shù)更新→仿真結(jié)果再驗證→設(shè)計規(guī)則庫優(yōu)化等環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)整個孿生系統(tǒng)的多級數(shù)據(jù)反饋機制，最終形成孿生系統(tǒng)驅(qū)動仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、工藝參數(shù)保障制造性能、產(chǎn)品驗證反哺仿生設(shè)計與制造工藝的a)基于參數(shù)化建模的三維實體模c)基于AR/VR的現(xiàn)實場景虛擬仿真。構(gòu)建仿生產(chǎn)品從微觀-宏觀跨尺度設(shè)計、仿生產(chǎn)品性能及功能特征定量虛擬表達的技術(shù)手段，具體a)幾何建模：通過對生物體的幾何特征（如實體構(gòu)形、表面形貌、結(jié)構(gòu)形態(tài)、孔隙分布、梯度變化等）進行數(shù)字化捕捉與分析，構(gòu)建高精度的三維數(shù)字空間虛擬b)性能建模：通過數(shù)學建模、計算機仿真等技術(shù)手段，對產(chǎn)品的關(guān)鍵性能參數(shù)（如介觀或微觀c)功能建模：量化評估仿生產(chǎn)品在特定結(jié)構(gòu)或機制下的效率、穩(wěn)定性、能耗等指標的數(shù)學或仿如溫度、壓力、速度、振動等，確保模型能夠?qū)崟r反映設(shè)備的實c)進行動態(tài)行為仿真分析：包括機械系統(tǒng)的多體動力學模型，并結(jié)合設(shè)備運行的實時數(shù)據(jù)構(gòu)建d)搭建設(shè)備運行控制系統(tǒng)：通過接收來自設(shè)備、操作員或其他系統(tǒng)的輸入信號，生成控制指令a)物理機理孿生模型構(gòu)建：通過解析仿生產(chǎn)品的物理、化學、生物等成型機理機制，構(gòu)建高精b)基于大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)驅(qū)動的通信模型構(gòu)建：通過傳感器與機器學習技術(shù)，實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的數(shù)字模型構(gòu)建，包括實時數(shù)據(jù)采集與融合、機器學習模型訓練以及動態(tài)模型更c)多維多源異構(gòu)數(shù)據(jù)及其建模技術(shù)：構(gòu)建覆蓋從微觀-宏觀跨尺度成型機理與成型技構(gòu)建包含物理-虛擬空間同步映射模塊和設(shè)計-制造-設(shè)備運行協(xié)同模塊的邏輯關(guān)系，實現(xiàn)仿生產(chǎn)品制造的全生命周期管理，包括設(shè)計、生產(chǎn)、運行和質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)，具體關(guān)聯(lián)方法包括但不局限a)模型驅(qū)動的協(xié)同設(shè)計：仿生產(chǎn)品幾何模型與工藝模型聯(lián)動，通過多學科仿真協(xié)同驗證設(shè)計可行性，并基于控制模型對應(yīng)工藝邏輯，利用數(shù)字線程管理同步制備系統(tǒng)中的工藝參數(shù)變更，b)實時數(shù)據(jù)交互與反饋控制：定義設(shè)計、制造、設(shè)備間的接口協(xié)議（如設(shè)備代碼映射、模型文件傳輸），構(gòu)建層次化標簽體系，支持工藝參數(shù)與設(shè)備狀態(tài)的實時雙向傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接口規(guī)范化；通過傳感器獲取的動態(tài)數(shù)據(jù)觸發(fā)工藝調(diào)整，并更新仿生產(chǎn)品的性能預(yù)測模7c)全生命周期仿真與驗證：支持多方案對比分析，評估產(chǎn)品設(shè)計與制造設(shè)備的兼容性，實時監(jiān)測制備流程的工藝異常，通過制造設(shè)備的故障診斷模型生成a)孿生模型-物體實體動態(tài)反饋控制：通過孿生模型輸出的數(shù)據(jù)結(jié)果傳遞給實體末b)物理實體-孿生模型同步映射：通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)（如以數(shù)字或虛擬現(xiàn)實技術(shù)等）對物c)物理過程-孿生模型同步映射：利用模型降階技術(shù)，將高保真模型簡化為實時仿真可用模型，通過雙向反饋機制實現(xiàn)虛擬模型結(jié)果預(yù)測及反向控制物理d)協(xié)同優(yōu)化技術(shù)：利用數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)從設(shè)計到制造的全鏈路優(yōu)化，并基于AR可視化界面，支持a)仿生產(chǎn)品孿生模型驗證：宜通過生物原型與虛擬模型的幾何結(jié)構(gòu)、行為特征對比，驗證仿生b)制造設(shè)備孿生模型驗證：宜通過測試核心部件的數(shù)字化接口協(xié)議的兼容性，驗證多設(shè)備協(xié)同工作的實時性和數(shù)據(jù)完整性，對物理設(shè)備的運行數(shù)據(jù)與虛擬模型進行同步驗證，并對制造設(shè)c)制造工藝孿生模型驗證：宜通過對比設(shè)計仿真方案的工藝效率、成本和質(zhì)量指標，驗證工藝a)仿生產(chǎn)品孿生模型更新：應(yīng)包括基于設(shè)計與制造階段仿真的參數(shù)優(yōu)化，數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型校正b)制造設(shè)備孿生模型更新：應(yīng)包括實時同步與自動化更新，智能算法驅(qū)動的參數(shù)優(yōu)化以及持續(xù)c)制造工藝孿生模型更新：應(yīng)包括工藝參數(shù)動態(tài)匹配，多尺度建模與聯(lián)合仿真以及工藝規(guī)則模8a)仿生性能、功能設(shè)計：為產(chǎn)品選e)仿生產(chǎn)品質(zhì)量檢測：在制造環(huán)節(jié)當中進行仿生產(chǎn)品缺陷預(yù)測、幾何精度對比檢測以及仿生產(chǎn)a)數(shù)字模型應(yīng)基于孿生對象的產(chǎn)品設(shè)計b)孿生對象的實時運行數(shù)據(jù)應(yīng)流向數(shù)據(jù)模塊，并進行數(shù)據(jù)采集與存儲；c)數(shù)據(jù)模塊的實時運行數(shù)據(jù)應(yīng)流向數(shù)字模型，并進行數(shù)字模型的動態(tài)驅(qū)動；d)數(shù)字模型的仿真數(shù)據(jù)應(yīng)流向功能模塊，為各類功能的實現(xiàn)提供所需數(shù)據(jù)；f)功能模塊的數(shù)據(jù)應(yīng)流向數(shù)字模型，并進行仿生產(chǎn)品、仿生材g)功能模塊的數(shù)據(jù)應(yīng)流向?qū)\生對象，并進行制造設(shè)備的孿生對象應(yīng)包括仿生產(chǎn)品、制造工藝和制造設(shè)備，b)制造工藝應(yīng)包括仿生制造中涉及的工藝過程、工藝參數(shù)、工藝配方、工藝方案及規(guī)程、仿生a)產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)應(yīng)包括設(shè)計的幾何/物理/仿真/數(shù)學模型、邊界條件、力學性能參e)設(shè)備運維數(shù)據(jù)應(yīng)包括設(shè)備故障數(shù)據(jù)、設(shè)a)多物理場仿真：通過工程仿真軟件，分析仿生產(chǎn)品在邊界工況條件下的物理行為和性能，模b)仿生設(shè)計優(yōu)化：通過單目標或多目標優(yōu)化策略，對產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)、力學性能、仿生功能等d)工藝流程可視化：基于孿生對象的實時數(shù)據(jù)，驅(qū)動數(shù)字模型運行，實現(xiàn)制造工藝流程的實時e)性能/功能預(yù)測：基于制造工藝參數(shù)、過程數(shù)據(jù)及模型算法，預(yù)測仿生制造過程f)過程監(jiān)測：用于監(jiān)測仿生制造過程中的仿生工藝參數(shù)、制備環(huán)境參數(shù)以及設(shè)備參數(shù)g)質(zhì)量監(jiān)測及優(yōu)化：基于制造工藝參數(shù)與過程數(shù)據(jù)，監(jiān)測并分析產(chǎn)品的幾何變形以及內(nèi)部缺陷h)制造設(shè)備控制：基于物理空間和孿生空間的信息交互及控制，實現(xiàn)對制