达索系统：水的虚拟孪生（3）

寂静回声

我们见过无数次仿真结果在屏幕上亮起的那一刻，机翼后缘的涡脱落、刹车盘上的温度云图、发动机舱内的热流线。但最令人难以忘怀的，是第一次在屏幕上渲染出一片真实的浪花。
那不是一段动画，不是艺术家的手绘，而是数以亿计的液滴和气泡，按照流体力学方程，在计算机里"算"出来的。它破碎的形态、飞溅的轨迹、表面张力的作用，都与物理世界严丝合缝。看着那片虚拟的浪，有一位老工程师说了一句话，"我们终于把水搬进了电脑。"
把水搬进电脑这便是"水的虚拟孪生"最朴素的定义：在虚拟世界中，为真实的水、以及一切与水发生关系的产品和系统，建立一个可计算、可实验、可推演的科学对应物。
达索系统的使命，是为企业和人们提供 3DEXPERIENCE 虚拟宇宙，去想象可持续的创新。而水，恰恰是所有行业、所有学科、所有生命的共同语言之一。它是 CATIA 里的管路系统，是 SIMULIA 里的湍流结构，是 BIOVIA 里的氢键网络；它是船底翻涌的波，是大坝背后的静压力，是药物进入人体后的溶剂，也是非洲一座正在萎缩的大湖。
水是最日常的物质，也蕴含着最深的科学。达索系统如何让水在虚拟世界中存在，又如何借助这虚拟的水，去改善真实的未来。

如果让你选一种"最不适合仿真"的流体，很多人会毫不犹豫地选水。水明明无处不在，我们每天都在和它打交道。但正是这种日常，掩盖了它在物理上的极端复杂性。
水分子只有三个原子：两个氢，一个氧。但它能形成的氢键网络，赋予了水一系列反常的性质：4℃时密度最大，结冰反而膨胀；比热容在常见液体中最高，是天然的温度稳定器；其表面张力在常见液体中名列前茅，大得足以让水黾在湖面上行走。换句话说，水的"性格"，几乎全部写在氢键的细节里，而氢键的细节，需要量子化学和分子动力学才能看清。
再往宏观走，水的湍流是经典物理学最后几个未解难题之一。纳维-斯托克斯方程描述了流体的运动，但它的解的存在性与光滑性，至今仍是克雷数学研究所（CMI）百万美元悬赏的千禧年七大难题之一。水龙头里流出的水柱如何破碎成滴，船艏翻卷而出的浪花如何飞溅，山洪冲入城市时如何漫流成灾。这些多相、多尺度、带自由液面的流动，是工程仿真里公认的硬骨头。

水的虚拟孪生存在的意义：越是难以在真实世界中实验的对象，越需要虚拟世界中的孪生。冰山无法被重复拖运一百次去验证方案，大坝不可能建好之后再推倒重来，山洪更不可能在城市里重演一遍。但在虚拟世界里，这些实验可以运行成千上万次，零成本、零风险、零污染。
所以，我们不是简单地把水"画"出来，而是让它以科学的方式"活"在虚拟宇宙里。

在达索系统，水从来不属于某一个软件，它是横跨所有品牌的一条暗线。如果要用一句话概括，那就是：水可以是系统，可以是介质，也可以是分子。
把镜头从工程尺度拉到埃米尺度，水变成了另一副面孔：一个偶极矩为 1.85 德拜的极性分子，氢键的给体，也是受体。
在 BIOVIA 的世界里，水的虚拟孪生是分子层面的。
Discovery Studio 提供经过三十余年同行评审验证的分子建模与仿真工具，分子动力学模拟中，每一个水分子都被显式或隐式地建模，蛋白质的折叠、配体与受体的结合、药物在活性口袋中的姿态，无一不是在与水的对话中完成。研究者用它预测蛋白质的溶解度、优化抗体的人源化、设计更稳定的生物药制剂——而这些性质，本质上取决于分子表面"喜水"与"怕水"的分布格局。
亲水性与疏水性，是材料科学和药物设计共同的核心概念。一片缓释片的崩解速度、一种涂层对抗污损的能力、一块电池隔膜对电解液的浸润，都由表面与相应液体的亲和性决定。BIOVIA Materials Studio 让材料科学家在合成之前就能预测：这个高分子链段接触水后会怎样排布？这个表面是形成水化层还是排斥水膜？
BIOVIA旗下的溶液热力学性质预测软件 BIOVIA COSMOlogic（现已更名为BIOVIA Solvation Chemistry）中的COSMO-RS（COnductor like Screening MOdel for Real Solvents）理论是目前市面上最先进的能够处理此类含多种聚合物复杂体系的计算模拟方法。COSMO-RS是一种预测流体和液体混合物热力学平衡的方法，它使用基于量子化学计算结果的静态热力学方法。如果说分子动力学看的是"一个个水分子"，那么 COSMO-RS 看的是"整个溶液"。这套由原创团队持续发展的方法，将量子化学与统计热力学结合，预测液体相平衡.溶解度、活度系数、分配系数、溶剂化自由能。化学工程师不必反复做烧瓶实验，就能在计算机里筛选溶剂、优化配方、评估萃取效率。无论是药物结晶、电解液设计还是绿色溶剂替代，溶液中的水都是绕不开的主角。
系统之水、介质之水、分子之水，三重形态，三个尺度，共同构成达索系统平台上水的完整肖像。