随着全球数字化转型和智能化发展浪潮的蓬勃兴起,“仿真” 的概念内涵和外延持续拓展,作为连接虚拟与现实的桥梁,仿真科学与技术在各行各业中的关键价值日益凸显。亚洲仿真联盟2024年12月21日正式成立以来,提出了"万物皆可仿真" 的理念,立足亚洲、辐射全球,致力于系统建模与仿真技术研究、技术、教育和应用发展,促进产业合作。值得指出的是,在2025年9月20-21日在中国杭州召开的首届国际仿真大会期间,"万物皆可仿真" 这一理念,引发了与会专家、学者、工程师、科技工作者的广泛讨论和热议。
值此亚洲仿真联盟成立一周年之际,本文试图从研究的角度系统阐述 "万物皆可仿真" 这一理念的起源、内涵、技术实现及其对人类社会发展的多维度影响,探讨其与虚拟现实等相关概念的区别与联系,并展望这一趋势的未来发展方向。通过全面剖析 "万物皆可仿真" 现象,以期更好地理解当前科技变革的本质,促进公众对仿真科技的深入认识,推动仿真技术更广泛应用,共同展望仿真时代的到来。
"万物皆可仿真" 的思想根源可以追溯到古代哲学对现实本质的思考。古希腊哲学家柏拉图在《理想国》中提出的 "洞穴寓言",描述了一群囚徒被困在洞穴中,只能看到真实事物的影子,这一隐喻暗示了人类对现实的认知可能只是某种形式的 "仿真" 或 "投影"。中国古代哲学家庄子的 "庄周梦蝶" 典故也表达了对现实与虚幻界限的深刻质疑,体现了对世界本质的仿真性思考。
17 世纪法国哲学家笛卡尔在《第一哲学沉思集》中提出的 "邪恶魔鬼假设",进一步发展了这一思想。笛卡尔设想存在一个全能的恶魔,它可能欺骗人类,使人们感知到的一切都只是幻觉。这一假设为后来的 "缸中之脑" 思想实验奠定了基础,也成为现代模拟假设的重要哲学源头。
2003 年,英国哲学家尼克・博斯特罗姆 (Nick Bostrom) 在《哲学季刊》上发表了著名的 "仿真争论"(Simulation Argument),标志着现代仿真假设的正式形成。博斯特罗姆提出了一个逻辑严密的三难困境:
1. 几乎所有达到后人类阶段的文明都将灭绝。
2. 几乎所有后人类文明都不感兴趣于运行祖先仿真。
3. 几乎可以肯定我们正生活在一个计算机仿真中。
博斯特罗姆的争论基于 "基底独立性"(substrate independence) 假设,即精神状态可以在多种物理基底上实现,而不仅限于生物大脑。如果这一假设成立,那么先进文明完全可能创建包含有意识仿真生命的虚拟世界。
博斯特罗姆的仿真论证引发了广泛讨论,许多学者从不同角度对其进行了补充和批评。例如,2021 年 Micah Summers 和 Marcus Arvan 在《Australasian Journal of Philosophy》上发表的论文指出,如果泛心论 (panpsychism) 或泛质论 (panqualityism) 成立,那么只有作为 "缸中之脑" 才可能生活在仿真中,这使得仿真假设的可能性大大降低。
随着计算机技术的飞速发展,"万物皆可仿真" 的理念从哲学思辨逐步转向技术实现。20 世纪中后期,计算机仿真技术开始在军事、航空航天等领域得到应用,如美国军方对 "东距 73 战役" 的三维仿真重建。这些早期应用虽然局限于特定领域,但为后来的广泛仿真奠定了技术基础。
数字孪生 (digital twin) 概念的提出进一步推动了 "万物皆可仿真" 理念的发展。这一概念最早由密歇根大学的迈克尔・格里夫斯 (Michael Grieves) 教授提出,指的是在虚拟空间中建立与物理实体完全对应的数字化模型。随着物联网、大数据和人工智能技术的发展,数字孪生技术已从最初的工业设备扩展到城市、生态系统甚至人体等复杂系统,使 "万物皆可仿真" 的理念成为可能。
数字孪生技术是实现 "万物皆可仿真" 的关键支撑。它通过在虚拟空间中创建与物理实体一一对应的数字化模型,实现对现实世界的精确模拟和预测。根据赵龙飞等人的研究,数字孪生系统主要由六个基本要素构成:现实实体、数字化映射、交互映射、孪生数据、孪生知识和孪生智能应用。
在技术实现上,数字孪生需要多种技术的协同配合。首先,需要大量传感器实时采集物理实体的数据,为虚拟模型提供输入;其次,需要强大的计算能力来运行复杂的物理模型和数据处理算法;最后,需要先进的可视化技术,将仿真结果以直观的方式呈现给用户。
数字孪生技术已经在多个领域得到广泛应用:
1. 海洋科学认知:通过构建海洋环境的数字孪生模型,可以实现 "三维空间 + 时间维 + 多维海洋环境要素与现象" 的动态呈现和实时交互。
2. 海洋开发利用:数字孪生技术可用于船舶、海洋牧场、港口、海上风电和油气开采等场景的全生命周期管理,提升海洋资源开发的安全性和效率。
3. 海洋装备全周期管理:通过对海洋装备进行数字孪生建模,可以在设计、制造、运维和报废等阶段实现全面仿真和优化,降低全生命周期成本。
4. 智慧城市:数字孪生城市模型已经在全球多个城市得到应用,如 "虚拟新加坡" 项目,通过构建城市的数字孪生体,实现城市规划、交通管理和资源分配的优化。
量子计算作为下一代计算技术,为 "万物皆可仿真" 提供了前所未有的计算能力。与传统计算机基于二进制比特不同,量子计算机使用量子比特 (qubit) 作为基本信息单位,利用量子叠加和纠缠特性,可以在某些问题上实现指数级加速。
2025 年,量子计算在仿真领域已经取得了显著突破。阿里巴巴达摩院发布的 "太章 3.0" 量子模拟器在全球首次实现 512 量子比特全振幅模拟,较谷歌 Sycamore 的 53 比特提升近 10 倍算力维度。这一突破使得量子计算机能够处理更复杂的分子模拟和材料设计问题。
量子计算在仿真领域的应用主要体现在以下几个方面:
1. 材料科学:量子计算机可以精确模拟材料的电子结构和化学反应过程,为新型材料设计提供理论指导。例如,通过量子计算可以模拟高温超导体的电子行为,加速室温超导体的研发进程。
2. 药物研发:量子计算机可以模拟药物分子与生物大分子之间的相互作用,预测药物的结合能和生物活性,加速新药研发进程。据报道,量子计算可将药物研发周期缩短 15 年。
3. 金融风险预测:量子计算机可以处理大规模复杂数据,提高金融市场预测的准确性。例如,量子计算可以将期权组合风险计算从 3 小时压缩至 8 秒,大大提高金融决策的效率。
4. 流体动力学仿真:2024 年 10 月,中国科研团队依托 "本源悟空" 量子计算机完成了全球最大规模量子计算流体动力学仿真,展示了量子计算在工程领域的巨大潜力。
人工智能与仿真技术的深度融合正在重塑仿真的方式和能力。AI 驱动的智能仿真技术主要体现在以下几个方面:
1. AI 加速仿真计算:通过机器学习算法,可以显著提高仿真计算的速度和效率。例如,ANSYS SimAI 平台利用 AI 技术,可以在几分钟内完成传统需要数小时的计算任务,大大提高了设计探索的效率。
2. AI 优化仿真参数:AI 技术可以自动优化仿真参数,实现仿真周期缩短 30%-50%。青葵制造推出的AI化学实验室,可以全球接受订单,24小时全天后开展试剂配方试验、自动给出分析报告,大大提高了迭代速度,提升试验效率。
3. AI 辅助模型构建:AI 技术可以根据历史数据自动构建仿真模型,降低建模门槛和成本。例如,Altair HyperWorks 2025 平台深度融合 AI 技术内核,实现了从 "后验试错" 向 "先验优化" 的转变。
4. AI 驱动的虚拟训练系统:AI 与仿真技术的结合创造了全新的虚拟训练模式。例如,索辰科技开发的物理 AI 虚拟训练系统,系统融合多物理场建模与 AI 算法,研发效率提升超 50%,已广泛应用于人形机器人、低空无人机、智能驾驶等虚拟训练场景。
多物理场耦合仿真是 "万物皆可仿真" 理念的重要技术支撑,它能够处理复杂系统中多种物理现象的相互作用,为全面理解和优化系统性能提供可能。
多物理场耦合仿真技术已经在多个领域取得了突破性进展:
1. 新能源领域:多物理场耦合仿真技术解决了电池管理系统中的多场耦合难题,提高了仿真结果的全面性。在新能源汽车领域,该技术使电池管理系统仿真精度提高至 95% 以上,有效预测电池寿命及安全性,推动电动汽车续航里程提升 15%。
2. 航空航天领域:多物理场耦合仿真技术可用于模拟飞行器在复杂环境中的气动、热和结构响应,为飞行器设计提供全面支持。预计到 2025 年,多物理场耦合仿真将在航空航天领域得到广泛应用,市场占比将超过 30%。
3. 生物医学领域:多物理场耦合仿真技术可用于模拟人体内部的复杂生理过程,为医疗诊断和治疗提供支持。例如,心脏数字孪生模型可以精确重现血液在心腔和血管中的流动、瓣膜的开合、心肌的收缩以及电信号的传导等生理过程,帮助医生制定更精准的治疗方案。
"万物皆可仿真" 理念对人类社会发展产生了深远的积极影响,主要体现在以下几个方面:
1. 推动技术创新与产业升级
仿真技术为各行业提供了低成本、高效率的创新平台,加速了技术突破和产业升级。例如,在制造业中,数字孪生技术可以实现产品从设计到生产再到维护的全生命周期仿真,帮助企业减少物理原型测试次数,大大节省研发成本。
在航空航天领域,多物理场耦合仿真技术已经成为飞行器设计的核心工具。通过在虚拟环境中模拟飞行器的气动性能、热管理和结构响应,可以在实际制造前发现和解决问题,大大降低研发风险和成本。
2. 提升决策科学性与准确性
仿真技术为复杂系统的决策提供了科学依据,使决策从 "经验驱动" 转向 "数据驱动"。例如,在城市规划中,通过创建城市的数字孪生模型,可以模拟城市的交通流量、能源消耗、环境变化等情况,为城市的规划和管理提供科学依据。
3. 降低成本与风险
仿真技术可以在虚拟环境中模拟各种可能的情况,帮助企业和组织降低成本和风险。在工业生产中,企业可以在虚拟环境中模拟生产流程,提前发现和解决问题,避免实际生产中的错误和损失。据统计,采用仿真技术优化后的生产线,能耗降低 10%-15%,材料浪费减少 20%,整体制造成本下降约 8%。
4. 促进科学研究与认知拓展
仿真技术为科学研究提供了新的方法和工具,促进了对复杂系统的理解和认知。例如,在宇宙学研究中,通过超级计算机模拟宇宙的演化过程,可以验证宇宙学理论,揭示宇宙的奥秘。
在生命科学领域,分子动力学模拟可以揭示生物分子的结构和功能,帮助科学家理解生命过程的本质。例如,通过模拟蛋白质折叠过程,可以发现新的药物靶点,为疾病治疗提供新的思路。
5. 创造新的就业机会和经济增长点
仿真技术的发展创造了大量新的就业机会和经济增长点。根据工信部《制造业数字化转型行动方案》,到 2025 年,重点企业仿真技术应用覆盖率要超过 80%。全国规模以上制造业企业超过 40 万家,每家企业至少需要 2 名仿真工程师,未来两年将产生近百万的人才缺口。
仿真工程师的薪资水平也远高于平均水平。据统计,2025 年广州仿真技术行业平均月薪达 19.2K,比广州平均工资高 64.1%。新能源领域仿真岗位招聘量年增 60%,平均薪资达 2.3 万元 / 月;掌握 AI 加速仿真技术的工程师,薪资比传统仿真工程师高 40%;3-5 年经验的多物理场仿真专家,年薪普遍在 40-80 万之间。
然而,"万物皆可仿真" 理念的普及也带来了一系列挑战和风险,主要表现在以下几个方面:
1. 认知混乱与现实忽视
随着仿真技术的发展,虚拟与现实的界限越来越模糊,可能导致人们对现实的认知产生混乱。法国哲学家让・鲍德里亚 (Jean Baudrillard) 提出的 "拟像理论"(Simulacra and Simulation) 指出,在现代社会中,拟像已经超越了对现实的简单模仿,成为一种独立的存在,甚至反过来塑造现实本身。
过度沉浸于虚拟世界可能导致人们忽视现实生活中的问题和挑战。特别是对于儿童等特殊群体,长时间使用虚拟现实技术可能影响其现实认知能力的健康发展。国家科技伦理委员会人工智能伦理分委员会发布的《虚拟现实技术研发伦理指引》指出,由于虚拟现实技术的沉浸性,用户的道德情感、道德意志可能会受到影响,甚至出现弱化或丧失的现象。
1. 隐私和数据安全隐患
仿真技术的发展使得个人隐私数据面临更大的侵犯风险。仿真模型需要大量的个人数据来提高准确性,这些数据包括生物特征、行为模式、健康信息等敏感信息。如果这些数据得不到妥善保护,可能导致隐私泄露和滥用。
同时,仿真模型的复杂性和对大量数据的依赖性使其容易受到网络攻击。恶意分子可能利用漏洞访问、窃取或破坏敏感数据,对个人和组织造成严重损失。例如,在智慧城市的数字孪生系统中,如果安全措施不到位,黑客可能通过攻击系统获取城市的关键基础设施信息,甚至控制交通信号灯、电力系统等,造成严重后果。
2. 虚假信息与信任危机
仿真技术的发展也为制造虚假信息提供了便利。深度伪造技术和合成媒体可以创建逼真的虚假视频、音频、图像和文本,这些虚假内容可能被用于伪造领导人讲话、散布虚假新闻等,侵蚀公共信任,恶化政治格局,加剧社会分裂和偏见。
特别是在法律领域,仿真技术的应用可能带来证据真实性的挑战。例如,在法庭上,基于仿真技术的证据可能难以验证其真实性,导致司法决策的困难。2025 年斯坦福大学的研究指出,AI 驱动的反事实世界仿真模型 (CWSM) 在法律领域的应用可能会带来伦理问题,如如何确保重建的真实性,同时防止在反事实模拟过程中延续刻板印象。
3. 伦理和社会规范问题
仿真技术的发展也带来了一系列伦理和社会规范问题。首先,仿真技术可能导致人类身份的定义和界限变得模糊。例如,人们可以创建多个虚拟化身,这挑战了传统对身份的理解。
其次,仿真中的责任和问责机制不明确。在虚拟环境中发生的侵权、伤害等行为,难以确定责任主体。例如,在虚拟现实游戏中,如果一个用户的虚拟化身伤害了另一个用户的虚拟化身,是否应该追究法律责任?如果应该,责任主体是谁?这些问题都需要新的伦理和法律框架来解决。
4. 技术依赖与自主性丧失
过度依赖仿真技术可能导致人类自主性和创新能力的丧失。如果所有决策都依赖于仿真结果,可能会忽视人类的直觉和创造力,导致决策的同质化和创新性不足。
此外,技术依赖也可能导致社会对技术的过度信任,甚至形成 "技术崇拜"。特别是在 AI 与仿真技术结合的情况下,如果人们盲目相信 AI 仿真的结果,可能会忽视潜在的错误和偏见,导致决策失误。例如,在金融领域,如果过度依赖 AI 仿真进行投资决策,可能会放大市场波动,甚至引发系统性风险。
"万物皆可仿真" 与 "虚拟现实"(Virtual Reality, VR) 是两个相互关联但内涵截然不同的概念。
"万物皆可仿真" 是一种覆盖多领域的理念或技术方法论,认为现实世界的所有事物(实体、现象、系统)都可以通过技术抽象、建模实现 "模拟还原",覆盖科学、工程、哲学等多领域。其核心目标是 "还原 / 预测 / 优化",通过仿真理解事物规律、降低现实风险、优化系统效率,不必然追求 "用户体验"。
"虚拟现实" 则是一种具体技术与交互体验,通过计算机生成三维虚拟环境,结合硬件(头显、手柄等)让用户产生 "沉浸式置身虚拟场景" 的感官体验。其核心目标是 "沉浸式体验",通过构建可交互的虚拟场景,让用户获得 "身临其境" 的感受,本质是 "以用户为中心的感官模拟"。
从技术范畴来看,"万物皆可仿真" 包含了所有类型的仿真技术,而 "虚拟现实" 只是其中的一个分支。
"万物皆可仿真" 的技术范畴极广,包含所有 "模拟技术":如数字孪生(工业仿真)、计算机模拟(气候 / 物理实验)、数值建模(金融预测)、VR/AR/MR(沉浸式体验)等。它不仅包括面向用户的交互式仿真,还包括大量后台运行的非交互式仿真,如气象部门模拟台风路径、科学家模拟星系演化等。
"虚拟现实" 则是仿真技术的一个分支,其技术范畴相对聚焦,核心技术围绕 "沉浸感构建",如 3D 建模、实时渲染、运动追踪、力反馈等,依赖专用硬件设备。虚拟现实必须依赖 "人的主动交互",通过头显、手柄等设备,用户需通过动作、视角变化与虚拟环境互动。
"万物皆可仿真" 与 "虚拟现实" 在应用场景上既有重叠也有区别。
"万物皆可仿真" 的应用场景极为广泛,覆盖全领域:工业(设备运维仿真)、科研(粒子碰撞模拟)、医疗(病理演化模拟)、社会科学(人口增长模拟)、哲学(现实本质探讨)等。例如,在制造业中,数字孪生技术可以实现产品全生命周期的仿真;在气象学中,超级计算机可以模拟气候变化;在经济学中,通过多主体模型可以模拟市场动态。
"虚拟现实" 则主要应用于需要沉浸式体验的场景:游戏娱乐、教育培训(如 VR 手术模拟)、医疗康复(如 VR 恐高治疗)、设计可视化(如 VR 建筑漫游)等。例如,在医疗培训中,通过 VR 技术可以创建逼真的手术环境,让医学生在虚拟环境中练习手术技能;在房地产领域,通过 VR 技术可以创建虚拟样板房,让客户身临其境地感受房屋的空间和布局。
尽管存在诸多区别,"万物皆可仿真" 与 "虚拟现实" 之间也存在密切的联系和相互影响。
1. 技术支撑关系:"万物皆可仿真" 的理念为虚拟现实技术提供了理论基础和技术方向,而虚拟现实技术则是实现 "万物皆可仿真" 的重要手段之一。虚拟现实技术的发展也推动了更先进的仿真算法和技术的发展,如更真实的物理模拟、更高效的渲染技术等。
2. 应用互补关系:在许多应用场景中,"万物皆可仿真" 与 "虚拟现实" 技术可以互补使用。例如,在城市规划中,可以先通过非交互式仿真技术模拟城市的发展趋势,然后利用虚拟现实技术让规划者和市民沉浸式体验规划方案,提供反馈和建议。
3. 相互促进关系:"万物皆可仿真" 的理念推动了虚拟现实技术的发展,而虚拟现实技术的成熟也为更广泛的仿真应用提供了可能。例如,随着虚拟现实技术的发展,越来越多的复杂系统可以通过虚拟现实界面进行交互和控制,拓展了仿真技术的应用边界。
未来,"万物皆可仿真" 理念将继续推动技术的融合与创新,主要表现在以下几个方面:
1. 多技术融合:AI、大数据、云计算、物联网、量子计算等技术将与仿真技术深度融合,形成更强大的仿真能力。例如,AI 与仿真的结合将使仿真更加智能化,能够自动优化参数、识别模式和预测趋势;量子计算与仿真的结合将大大提高计算能力,使更复杂的系统仿真成为可能。
2. 数字孪生技术的普及:数字孪生技术将从工业领域扩展到更广泛的领域,包括城市、生态系统、人体等复杂系统。据预测,到 2030 年,全球数字孪生市场规模将达到 523 亿美元,中国市场增速高于全球均值,预计 CAGR 为 16.3%,2030 年规模将占全球 34%(178 亿美元)。
3. AI 驱动的智能仿真:AI 技术将在仿真中发挥越来越重要的作用,包括自动模型构建、参数优化、结果分析等。例如,ANSYS SimAI 平台利用 AI 技术,可以在几分钟内完成传统需要数小时的计算任务,大大提高了设计探索的效率。
4. 量子仿真的突破:量子计算将在分子模拟、材料设计、药物研发等领域实现突破性应用。据预测,到 2035 年,量子计算将产生 8770 亿美元的经济影响,其中仿真应用将占据重要份额。
"万物皆可仿真" 理念的应用领域将不断拓展,从传统的工业、军事领域向更广泛的领域延伸:
1. 智慧城市:数字孪生技术将在城市规划、交通管理、资源分配等方面发挥更大作用。例如,"仿真宁夏暨 AI 仿真开源" 平台首次将 AI 仿真技术规模化应用于城市治理,为城市内涝、燃气泄漏、森林火灾等多重挑战提供数智化解决方案。
2. 智慧医疗:仿真技术将在医疗诊断、手术规划、药物研发等方面发挥重要作用。例如,通过创建患者特定的器官数字孪生模型,医生可以在虚拟环境中模拟手术过程,优化手术方案;通过分子动力学模拟,可以预测药物的结合能和生物活性,加速新药研发进程。
3. 智慧农业:仿真技术将在作物生长模拟、病虫害预测、农业资源优化等方面发挥作用。例如,通过建立作物生长模型,可以预测不同气候条件下的作物产量,为农业决策提供依据;通过模拟病虫害的传播过程,可以制定更有效的防治策略。
4. 智慧能源:仿真技术将在能源系统优化、可再生能源开发、能源网络管理等方面发挥重要作用。例如,通过建立电力系统的数字孪生模型,可以模拟不同负荷条件下的电力流动,优化电网结构和运行策略;通过模拟风电场的气流分布,可以优化风机布局,提高风能利用效率。
随着 "万物皆可仿真" 理念的普及,相关的伦理和监管问题也将日益受到重视:
1. 伦理框架的建立:各国将加快建立仿真技术的伦理框架,规范仿真技术的研发和应用。例如,中国科技部于 2025 年 4 月发布了《虚拟现实技术研发伦理指引》,对虚拟现实技术的研究和开发、医学基础研究、疾病模型构建、药物毒性评估和药物筛选等领域的研究和应用工作提出伦理审查执行的指引。
2. 监管机制的完善:各国将建立健全仿真技术的监管机制,确保仿真技术的安全、可靠和合规应用。例如,数据安全、隐私保护、知识产权保护等方面的法律法规将不断完善,为仿真技术的健康发展提供保障。
3. 行业标准的制定:行业组织和标准化机构将加快制定仿真技术的标准和规范,促进行业的规范化发展。例如,在数字孪生领域,国际标准化组织 (ISO) 和国际电工委员会 (IEC) 正在制定相关标准,以规范数字孪生的概念、架构和应用。
4. 公众教育的加强:各国将加强对公众的仿真技术教育,提高公众对仿真技术的认知和理解,增强公众的辨别能力和安全意识。例如,通过科普活动、媒体宣传等方式,向公众普及仿真技术的原理、应用和潜在风险,引导公众正确使用仿真技术。
"万物皆可仿真" 理念的兴起和发展,深刻反映了人类对世界本质的探索和对技术能力的追求。从哲学思辨到技术实现,这一理念已经成为推动科技进步和社会发展的重要力量。
一方面,"万物皆可仿真" 理念推动了技术的创新和应用,促进了科学研究的发展,提高了决策的科学性和准确性,降低了成本和风险,创造了新的就业机会和经济增长点。另一方面,这一理念也带来了认知混乱、隐私安全、虚假信息、伦理规范等方面的挑战和风险。
未来,随着技术的不断进步和应用的不断拓展,"万物皆可仿真" 理念将继续深刻影响人类社会的发展。我们需要以辩证的态度看待这一趋势,既要充分发挥仿真技术的积极作用,推动科技进步和社会发展,也要高度重视其带来的挑战和风险,通过伦理规范、法律监管、技术创新等多种手段,确保仿真技术的健康发展和安全应用。
"万物皆可仿真" 并不意味着现实的消解,而是意味着人类对现实的认知和改造能力的提升。在这一过程中,我们需要保持对现实的敬畏和对技术的理性态度,在虚拟与现实之间找到平衡点,共同构建一个更加智能、安全、可持续的人类命运共同体。
期待一个“万物仿真”新时代的到来。
(艾亚文)