元宇宙賦能機械設計制造的應用研究*

盧筱琴

（江蘇省靖江中等專業(yè)學校，江蘇 泰州 214500）

智能科技革命促進人工智能向元宇宙不斷轉變，人工智能推動了機械設計制造領域的進步與發(fā)展，但在精確化、預防風險、環(huán)境方式等方面仍存在現(xiàn)實困境。而元宇宙的快速發(fā)展可以妥善解決人工智能尚未解決的問題，因此，將元宇宙技術融入機械設計和制造流程，可以幫助制造商優(yōu)化分析、做出準確決策，管理好業(yè)務并改進制造流程、節(jié)約成本，提高制造運營效率、完成定制設計和制造。元宇宙技術正成為機械設計制造現(xiàn)代化的重要支撐和組成部分，隨著新時代基礎技術的不斷發(fā)展，新的設計模式和制造方法在機械設計制造過程中迅速擴散。這使得自動化實踐應用不斷成熟，有效推動了我國制造行業(yè)的發(fā)展與轉型，促進了元宇宙行業(yè)的進步與發(fā)展，并為各行各業(yè)帶來了全新的挑戰(zhàn)與發(fā)展機遇，因此，對元宇宙的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1 元宇宙概念釋義

元宇宙一詞源于科幻小說《雪崩》（Snow Crash）中虛擬世界的概念，描述了人類通過眼鏡和耳機等VR 設備連接終端進入計算機模擬的虛擬空間，與虛擬人共同生活在一個虛擬世界的未來設定。從本質上講，它是指一個獨立于現(xiàn)實世界的平行虛擬空間，一個映射現(xiàn)實世界的在線虛擬世界，通過底層技術創(chuàng)造一個越來越現(xiàn)實的數(shù)字虛擬世界[1]。而目前隨著數(shù)據資源、人工智能、區(qū)塊鏈、5G、VR、AR 等數(shù)字技術以及腦機接口、可穿戴設備、MR 等交互技術的不斷更新發(fā)展，元宇宙被賦予更多特征，也將賦能機械設計制造領域。

2 機械設計制造發(fā)展概述

2.1 機械設計制造發(fā)展現(xiàn)狀

機械設計制造統(tǒng)稱機械設計制造及其自動化，屬于機械專業(yè)，涵蓋機械產品的研發(fā)、設計、制造、項目管理等機械領域的復雜技術和工程人員。人們的生活和生產離不開這個領域。當前，機械設計制造可以說是推動經濟社會發(fā)展的重要載體，也是有效提升我國國際競爭力的重要抓手。人工智能技術的不斷發(fā)展與成熟，為當前機械設計、制造和自動化的創(chuàng)新發(fā)展注入新的活力，有效推動了機電工程智能化、系統(tǒng)化發(fā)展，引領機電工程未來發(fā)展。電子領域的各項技術有了新發(fā)現(xiàn)，有效地適應了當前社會發(fā)展的需要[2]。

在機械設計制造及其自動化的實際運用中，不僅有效降低了人工成本，而且極大地提升了生產效率，保障了制造質量，為提高企業(yè)經濟效益打下了堅實的基礎。人工智能推動了機械設計制造的數(shù)字化和智能化，進而實現(xiàn)了更科學合理的精準設計和測試，不再需要過多的人為參與和操作，達到反應速度更快、質量更高的效果?，F(xiàn)代化科技融入機械設計制造行業(yè)，推動著機械設計制造水平的大幅提升，同時刺激著我國的機械設計制造行業(yè)的改造、轉型和發(fā)展[3]。

2.2 機械設計制造行業(yè)的現(xiàn)實困境

2.2.1 實踐創(chuàng)新程度較低，人才需求不匹配

機械設計制造包括人工智能、自動化、多功能化和集成化等技術，但這些技術的運用往往需要創(chuàng)新的想法和市場支持。但是，目前的人力資源培訓方式是通過理論教育傳授知識，缺乏專業(yè)的技術實踐，因此培養(yǎng)出來的機械人才雖具有扎實的理論基礎，但缺乏較強的操作和實踐能力，難以做到學以致用。學生實踐能力、創(chuàng)新能力弱，無法適應工作發(fā)展和提高的需要，導致實際的高級人才數(shù)量不足[4]。現(xiàn)如今，各種科學技術正在不斷地發(fā)展創(chuàng)新，但目前學生缺乏機械設計制造及其自動化技術的創(chuàng)造性，只專注于計算機輔助設計和計算機輔助制造這一相對重要的核心技術，這也是許多制造加工技術難以取得長足進步和發(fā)展的重要原因之一。

2.2.2 安全健康發(fā)展匱乏，生態(tài)化理念缺失

目前，機械設計制造產業(yè)存在著可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略理念缺失的問題，雖然出臺了相關的法律進行引導，但仍沒有達到節(jié)約資源以及保護自然生態(tài)環(huán)境的目的，所以當下需要調節(jié)以往的生產思路。在過去，由于在開展機械設計制造時缺乏綠色環(huán)保理念以及節(jié)能環(huán)保新技術，導致在全面提高和機械設計制造相關的設計及生產工藝技術上落后，引發(fā)資源、材料浪費和過度使用污染系數(shù)高的材料等問題[5]。因此，在開展機械設計制造以及機械自動化生產過程中，有必要重視污水排放的控制工作，為維護我國自然生態(tài)環(huán)境、推進資源再利用作出重要貢獻。

2.2.3 資源配置不科學，工作模式不完善

隨著機械產品的生產規(guī)模不斷擴大，商企逐漸加大投入成本，使得生產效率得到充分的提高，但在滿足各行各業(yè)的生產需要的同時，目前還面臨著資源配置不合理的問題。相關實例可以說明，資源配置不科學，人力和物力應用缺乏科學性，會導致人為因素對后續(xù)機械設計和生產的不良影響。因此，要科學地進行資源配置，完善相關工作模式?？蓮娀瘍炔咳藛T配置和管理，從外部引進技能型人才，進行績效考核，建立組織內部人才管理制度，促進人力資源的優(yōu)化配置。

2.3 解決策略和路徑

2.3.1 加大創(chuàng)新人才引進力度

隨著機械設計制造行業(yè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代科技的不斷更新，兩者的交叉融合越來越緊密。為適應當前社會的發(fā)展，工程行業(yè)需要的優(yōu)秀人才不再是過去的專業(yè)機械人才，而應根據市場需求和制造業(yè)發(fā)展情況及時進行調整[6]。調整引進方式，促進人才自主創(chuàng)新意識和專業(yè)技術技能的提升，實現(xiàn)以社會需求為導向，合理設置學科，加強產教研融合發(fā)展，加大對專業(yè)人才的培養(yǎng)力度，為機械領域發(fā)展提供人才支撐。

2.3.2 狠抓綠色安全制造工作

推動機械化生產向無公害方向發(fā)展十分重要，相關行業(yè)應落實以人為本的管理機制，提高綠色制造意識，從而擴大機械自動化制造技術范圍，促進綠色制造發(fā)展。正確的行業(yè)標準政策可以推動發(fā)展的各個方面朝著科學和可持續(xù)的方向發(fā)展。提高機械自動化行業(yè)的標準，有利于改變行業(yè)懶惰工人的心態(tài)，降低生產的錯誤率，提高生產效率。同時，國家應積極引導和完善相關法律法規(guī)，及時監(jiān)測和消除行業(yè)違規(guī)行為，確保機械自動化行業(yè)健康發(fā)展。此外，做好安全生產工作，及時發(fā)現(xiàn)在制造過程中存在的安全隱患，消除安全隱患，保證整體制造過程中的安全性，保障生產工作的順利進行。

2.3.3 升級應用配套發(fā)展模式

在推動機械工程創(chuàng)新和自動化發(fā)展的過程中，要充分應用配套發(fā)展模式，充分發(fā)揮人力、物力資源的積極作用。在機械設計制造過程中，注重各環(huán)節(jié)的協(xié)同作用，樹立正確的生產觀念，合理分析人力、物力資源的具體作用，充分展示各環(huán)節(jié)的應用價值。在工程企業(yè)的發(fā)展過程中，除了要注重基礎項目的建設外，還要立足大局，從整體和發(fā)展的角度出發(fā)，充分運用企業(yè)內部的嵌套開發(fā)模式；發(fā)展零部件檢測技術和計算機技術，充分利用先進科學技術促進企業(yè)全面發(fā)展，提升企業(yè)在社會發(fā)展過程中的影響力和綜合競爭力。在企業(yè)經營發(fā)展過程中，管理和技術人員要在了解傳統(tǒng)生產工藝技術的基礎上，積極學習機械設計制造的新技術以及與機械設計制造自動化相關的知識和工作規(guī)范。同時，要因地制宜，加強人才培訓教育，不斷提高人才使用專業(yè)技能的能力和綜合素質，進一步推動創(chuàng)新發(fā)展機械設計、生產和自動化企業(yè)，降低企業(yè)生產成本。

3 元宇宙賦能機械設計制造

3.1 通信環(huán)境的實時性和全時性

目前國內外互聯(lián)網產業(yè)趨于完善，包括空間定位算法、虛擬場景擬合、實時網絡傳輸、GPU 服務器和邊緣計算等在內的底層技術正在蓬勃發(fā)展，搭建高效低延遲的去中心化算力平臺，可以在機械設計制造過程中迅速、科學地調整所獲取的各種信息數(shù)據，確保信息精準化[7]。采用人工智能技術，可在出現(xiàn)問題時第一時間進行反饋，及時通過人工智能調控信息，有效再現(xiàn)人工智能的反饋效果，運行狀態(tài)可控。高精度操作數(shù)據類型允許不斷優(yōu)化和調整，最終達到保證數(shù)據準確性的目的。

3.2 沉浸式信息產出

數(shù)字孿生可視化系統(tǒng)解決了搭建實體原型的難題，數(shù)字孿生即在虛擬空間內建立真實事物的動態(tài)孿生體。數(shù)字孿生技術可以創(chuàng)建具有高度詳細信息的逼真環(huán)境，以創(chuàng)造身臨其境的體驗。在機電產品的制造過程中，需要通過診斷來檢查產品是否合格。產品診斷是機電產品生產過程中的重要內容，元宇宙技術能夠持續(xù)優(yōu)化有效的電子產品診斷過程[8]。電子產品系統(tǒng)復雜，運行不穩(wěn)定，存在對質量影響較大的問題，傳統(tǒng)的問題解決方法使用起來既不簡單又費時，無法滿足當前高效生產的需求，且產品診斷效率較低。因此，需要充分發(fā)揮元宇宙技術的作用，進行針對性處理。

3.3 動態(tài)分配的數(shù)據處理

大數(shù)據處理對機械、教育、金融和城市管理等領域具有深遠的影響，需要提高面向元宇宙中海量實時交互式內容的云計算能力。元宇宙技術的全面應用，實際上提升了目前微控技術的水平。規(guī)?；瘧梦⒖丶夹g，大大提高了當前機電產品的數(shù)字化水平，保證了其有效性。電子產品的數(shù)字化更能展現(xiàn)人性化的優(yōu)勢，界面的操作更加簡潔易用，在實現(xiàn)可視化的同時便于維護，深受人們的喜愛。顯然，元宇宙的應用將全面提升微控技術的效果，人們在應用技術的過程中將得到有效引導，實現(xiàn)操作的數(shù)字化，體驗各種機制和控制方式，實現(xiàn)高效可控電子設備的使用[9]。

3.4 拓展現(xiàn)實、多元化的人機交互

醫(yī)學領域應用的腦機接口技術已成為焦點，隨著虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實、擴展現(xiàn)實和擬真現(xiàn)實的持續(xù)迭代升級，目前研究人員正在打造虛擬沉浸現(xiàn)實體驗不斷深化的感知交互應用場景。機械電子工程領域的成功離不開精準的數(shù)據信息，數(shù)據信息只有在最短的時間內找到表現(xiàn)空間，才能最大化發(fā)揮其作用。依托交互技術，可以有效地進行最優(yōu)表達空間的搜索，整合各種數(shù)據資源，快速發(fā)現(xiàn)有用信息，為領導決策提供科學依據。加強功能耦合，可以有效促進機電工程空間表示這一重要內容的實現(xiàn)[10]。當機械操作人員充分應用功能連接技術時，既可以借助該技術實現(xiàn)網絡系統(tǒng)空間的不斷優(yōu)化，也可以全面提升系統(tǒng)控制的運行水平。

4 不足與展望

雖然當下的認知、想象與未來的元宇宙融合機械制造現(xiàn)實之間必然存在無法預估的差異，也無法全然理解呈現(xiàn)在人們面前的智能時代，但仍需要提前布局，不能去限制對元宇宙賦能機械設計制造廣闊發(fā)展的想象。同時，還應該冷靜思考，站在客觀、公正的視角描繪元宇宙機械發(fā)展藍圖，在機遇與風險面前切實推進機械設計制造及其自動化發(fā)展。