对建筑物周围的空气流动进行三维建模有助于降低城市的污染水平。（图片来源：Dassault Systèmes）
太平洋垃圾带将很快开始收缩。十月，总部位于荷兰的非营利基金会海洋清道夫（The Ocean Cleanup）出现在世人眼前，并安装了代号为“Wilson”的海洋清理系统001，来收集一些在海面上或恰好低于海洋表面漂浮的垃圾。这片由1.8万亿片塑料碎片组成的垃圾带位于夏威夷和加利福尼亚州之间，其占据面积大约是德克萨斯州的两倍。系统001是一根600米长，呈U形状，下有3米长的挡板的漂浮管道。一旦部署系统001，无需人为干预，它可以利用三种自然海洋力量——海风，海浪及洋流来使其运行速度快于塑料块，然后捕获它们。海洋清道夫的计算模型师Bruno Sainte-Rose说:“在部署了60个这样的系统后，它们将在五年内减少该区域50%的塑料。”
传统的海洋清理方法如船和网，不仅需要船员，而且消耗大量时间和花费数百亿美元，而系统001比传统方法有了更显著的进步。Dassault Systèmes开发的三维建模软件为“Wilson”设计了独特的结构和收集方式。通过使用虚拟建模，海洋清道夫团队比进行物理测试更快、更准确地生成了有关系统001的理想设计数据。Sainte-Rose说：“我们正面临一项前所未有的挑战。在全面启动和投入大量资金之前，我们十分依赖仿真模拟在许多不同场景中测试我们的工具。”
三维建模的实际应用正在加速。根据市场研究公司Gartner所述，近半数物联网（IoT）组织表示，他们正在使用或计划使用数字双胞胎——真实物体的虚拟对应物。在实验室进行真正的实验之前，科学家们也越来越多地使用仿真模拟来提前进行数百次的实验。除了清洁海洋，仿真模拟还有助于解决其他环境问题，如优化城市结构来抵御灾害和缓解空气污染。建模还能帮助产品设计师在分子水平上更好地定义材料的物理特性，例如，为自动驾驶车辆或使用较少燃料的轻型飞机制造更有效的电池。所有这些都有助于塑造更加智能和高效的城市和环境。
建模软件是设计系统001的重要工具。（图片来源：The Ocean Cleanup）
新一代的汽车与飞机
在不牺牲安全的情况下，对提高燃油效率来说，重要的是制造更轻的飞机和车辆。仿真模拟有助于决定是否可以在飞机制造中使用碳纤维。这些纤维仅有5微米宽，大约是人类头发直径的十分之一并且强度很高。与汽车和飞机制造商密切合作的美国普渡大学的工程学教授R. Byron Pipes说：“碳纤维具有使航空航天工业发生革命的潜力，因为它们非常的轻。”他补充说，“这种材料可以帮助建立一个外型框架使飞机飞得更远的同时消耗更少的动力。”Pipes使用了Dassault Systèmes的模拟软件来寻求飞机效率。“我们可以探索这些材料所蕴藏的巨大潜力，甚至在我们制造前，就能了解零件乃至整个系统是如何运行的。”
锂离子电池会随着时间的流逝而失去容量并变得更重。仿真模拟还可以帮助开发稳定、寿命更长的电池来作为锂离子电池的替代品。Dassault Systèmes的CTO Bruce Engelmann说：“我们正在研发一种电池，有望提高其能量密度，缩短充电时间且提高安全性。”随着世界迈向电动汽车时代，电池也需要升级换代。Engelmann补充说，“我们可以模拟这些零件在隆冬或经受亚利桑那州120华摄氏度（48.9摄氏度）天气时将如何工作。
部署在太平洋垃圾带的海洋清理系统001。（图片来源：The Ocean Cleanup）
最小化未来城市的混乱情况
Dassault Systèmes旗下品牌BIOVIA的CSO（首席战略管）Reza Sadeghi设想了一个未来——在三维空间中模拟建造一座城市，利用计算流体动力学（CFD）来管理空气质量。他解释说：“我们可以分析如碳含量和空气成分来了解这些是如何影响生活在城市里的人们的健康的。”
城市设计也能从其他方面受益。Sadeghi说，当谈到准备应对最坏的情况时，如自然灾害或重大疾病爆发，建模软件有助于确定最佳行动方案。“如果你有一个城市的详细模型，当特定病毒爆发时，你可以从模拟病毒分子出发再到整个大都市，在时间和空间上作出至关重要的决定。你可以更智能地预测病毒将传播到哪里，传播速度有多快。”
Sadeghi还指出在紧急情况下迅速安全地疏散建筑物中人员的重要性。“通过三维建模，我们可以测试人们从A到B的移动速度，管理从一个地点到另一地点的人员流动，以及了解引起堵塞的瓶颈路段。”
反向足迹
虽然有些危险会在发生在几秒钟内，但是其他的危险会随着时间的推移而累积。回到太平洋垃圾带，那些塑料正在分解，然后产生更小的碎块，以致于更难捕获。海洋清道夫的通信部经理Erika Traskvik警告说：“如果不尽快清理那些塑料，它们会继续分解成更微小的碎片，且更容易被海洋生物误认为是食物，最终可能出现在我们的餐盘中。”
先进的仿真模拟会带来创新的环境解决方案。Sainte-Rose说：“我们希望通过这项技术，能够扭转海洋中存在如此多的塑料碎片这一问题，且对更光明的未来产生影响。”
为了更详细地了解虚拟环境以及它们是如何影响科学，医学和制造业的，请了解2018年6月科学美国定制媒体出席“体验时代的科学”发生的情况。
这篇文章是由科学美国人定制媒体为达索系统公司（Dassault Systèmes）撰写，科学美国定制媒体是独立于科学美国人杂志编辑委员会的一个部门。
翻译：叶柏镛
审校：郝豪，张哲
引进来源：科学美国人
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