一、引言
在21世紀對制造業影響最大的，在目前所能預見的將是網絡技術。隨著網絡的迅速發展，知識和信息資源的獲取將變得相對容易。這將給知識和信息資源相對稀缺的中國企業的發展帶來新的機遇。但如何從海量的、無序的知識和信息資源中找到人們所需要的知識和信息，這是當前企業所面臨的難題。
同時，21世紀的市場將具有更大的開放性和混沌性，中國企業將面臨更大的壓力和挑戰。企業及供應鏈的復雜度和非線性程度越來越大，其變化趨勢越來越難預測，控制難度也越來越大。
仿生設計和制造將是一種類似于生物系統的解決上述問題的方法和系統模式。在對產品設計和制造的知識和信息資源有序化的基礎上，采用自組織、自適應和分布化的設計和制造模式，使企業能及時、有效和充分地組合利用各種社會化資源，高速度、高質量和低成本地制造出用戶滿意的產品。
仿生設計和制造系統是基于由生物啟發得到的思想(例如自生長、自組織、分布化控制、自適應與自進化等)，所解決的是制造系統中大量的組合優化和非線性優化問題，所采用的是自治式分布結構模型和自組織、自適應控制模型。所有這一切將導致一種設計和制造的新概念和新方法。
仿生設計將支持產品從零件開始的自下而上的自組織設計過程。這些被稱為“基元(modelons)”的零件信息存放在“基元”庫中。設計者可根據要求從“基元”庫選取合適的基元。原則上，設計過程由基元自組織進行。各種基元將通過其仿生功能相互交換信息，從而決定各自的作用和相互間的聯系。
仿生制造系統要求每個生產環節有自發性、自律性和自相協調能力，出現問題就地解決，每個基層單位(也稱為“基元”)都有自主權和主動性，但又顧及整體，保證總體設計上相互協調一致。采用面向對象方法定義基元。基元上下級與平行級間通過消息板交換信息。消息板與專家系統中的黑板機制相類似，只是取消了集中的控制機構。一個基元啟動后，激活相關的基元，通過消息板對話，謀求問題的解決。這里強調的是自發驅動、自律決策、自由結合、可轉換性和柔性等。
仿生設計和仿生制造是高度相關的。其中設計基元和制造基元有著繼承和控制的關系。在設計階段，零件基元具有自確定的功能，同時也具有決定工藝過程、裝配過程等功能。這意味著當設計完成，工件送到工廠去后，它們將自己選擇加工和裝配機器，教機器所需的加工和裝配方法。
仿生設計和制造系統是21世紀的設計和制造系統。其概念最早由日本京都大學教授在1988年提出，后來并作為智能制造系統的一部分。美國科研局關于2020年制造挑戰的預測中的10項關鍵技術中包括了仿生制造。
二、成組技術是仿生設計和制造的基礎
1.成組技術幫助簡化產品信息和制造過程
制造的對象是產品，產品是由成千上萬個零件組成的，許多零件具有復雜的結構特征，需要經過多道工序的加工。正是產品和零件特征的復雜性使機械制造系統有較大的復雜性，并使機械制造系統的自動化和計算機化有較大的難度。
隨著產品數的增加，系統的信息量急劇增加。又由于現代制造系統所面對的市場越來越大，涉及到用戶數和供應商數也越來越多，這又導致系統的信息量的急劇增加。
圖1以國內某工業汽輪機廠的具體數字例子描述了制造系統的復雜性的原因。
圖1 制造系統的復雜性的原因
仿生設計和制造的目的是要克服這種復雜化所帶來的困難。成組技術理論和方法，可以成為仿生設計和制造的基礎技術之一，因為成組技術可以幫助簡化產品信息和制造過程。
成組技術可以幫助建立產品設計和制造中的模塊，如產品結構基因、標準零件模塊、單元制造模塊等。這些模塊是從一大類相似的產品結構和制造過程中通過成組分析(即相似性分析)得到的。其作用是減少了產品和過程的不必要的多樣化，使知識和信息資源條理化。
2.成組技術可以幫助建立模塊化企業
隨著制造的全球化和用戶需求的多樣化，企業不可能將所有業務完全由自己承擔，不可能在各個力一面都是最優。仿生設計和制造強調企業生態系統的協同進化，通過采用全球采購、廣泛合作的戰略，使企業獲得最佳效益。因此，業務關系緊密、經濟利益相連的企業生態系統將極大地增強合作者的競爭優勢。如：世界汽車主要生產企業的零部件自制率已降到了30%，而70%以上都在全世界范圍內最佳采購、這樣既降低了成本，也提高了產品的質量。
同樣為了適應這一趨勢，成組技術可以幫助建立模塊化企業，進行產品的零部件專業化分工。由于不同的產品間有許多零部件是相同的，因此對某一產品來講是單件生產的，但對零部件制造廠家來講可能就是批量生產。其意義可由圖2表示。
圖2 成組技術在模塊化企業中的作用
仿生設計和制造系統中的組織模塊具有很大的自主性、獨立性，具有開放性和封閉性統一的特點。模塊內的控制主要是自主控制，有充分的自由度并與它們所組成的系統具有自相似性的特點，在系統自我認同的目的性的基礎上實現控制，把控制目的化為系統自身的目的性行為，如同生物的細胞。
3.成組技術能提供高質量的產品信息基因
由于競爭日趨激烈，市場環境多變，用戶需求個性化，越來越多的企業面臨這樣一種局而：用戶定制的新產品的設計任務急劇增加，修改定單的要求與日俱增，以至于傳統的設計方法幾乎不能滿足要求，需要改變設計方法。
仿生設計和制造中通過充分利用產品信息基因的遺傳和控制作用，較好地滿足企業的需求。如圖3所示，產品信息基因模型的基本特征是：
(1)產品信息的繼承性：產品信息基因能最充分地利用已經過生產實踐考驗的產品信息。新產品的開發只需對其中很少一部分零部件進行重新設計和制造，而絕大部分零部件都將繼承以往產品的信息。這不僅大大縮短產品生產周期，還提高了產品的一次成熟性。
(2)模塊化：產品信息基因是這樣一些模塊，它們能夠分別由不同的廠家進行設計和制造，并容易地被集成。
(3)自組織性：要求產品信息模型有較強的自組織性，能夠通過快速重構，得到一種全新的產品。
(4)對產品成長過程的控制：利用產品信息基因能夠容易地在產品生命周期的不同環節(從概念設計、結構設計、詳細設計到工藝設計和數控編程)間進行產品信息的轉換。
圖3 產品信息基因模型的基本特征
無疑，成組技術在建立產品信息基因模型方面能發揮關鍵性的作用，如利用成組技術可以發現和利用產品信息中的相似性，幫助產品信息的模塊化，可以幫助產品信息基因的檢索和重構等。
三、仿生設計和制造的思想對成組技術的發展有重要意義
1.拓展成組技術的內容和深度
由于機電一體化是制造系統的發展方向，成組技術應將模塊化的對象從機械擴展到機械、電子和信息的一體化系統，使這些模塊有很強的自適應和自組織能力。只有這樣才能使成組技術的效益得到充分發揮。這種機電一體化模塊具有自治、易集成等特點。
例如，如果用當前流行的方法來設計一個具有3個臂的新機器人，設在圖庫已存在一個具有2個臂的機器人，通過CAD系統對該兩臂機器人進行改型來增加一個臂，這時就要求每個臂的控制系統又要被重新設計。另一方面，若一個機器人具有與生物組件相似的、自治的和分布的控制功能的手臂時，當它在被重新設計為有3個、4個或更多個手臂時就不需要重新設計手臂的控制系統。
2.解決成組技術中的組合優化問題
成組技術中許多問題是NP完全類問題，如：作業排序、成組分析等。
例如：根據排列組合原理將零件各種可能的排序統統列出，并且計算每種排序方案的指定的系統性能指標參數，然后從中選擇指定的某種或幾種性能指標組合最佳的排序方案作為“最優解”，對于Flow-Shop問題，q=nm；對于置換型Flow-Shop問題，q=n!。例n=24，q=24!=7.3×1023。若一個作業排序方案的計算機產生時間為1μs，則7.23×1023μs=7.3×1017s=20×109年。其工作量之大十分驚人。
仿生優化算法(如演化算法)對于解決這類組合優化問題有較好的效果。
3.將成組技術從企業內擴展到企業間
我國的人力資源(專業人員資源)和物力資源按人口比例是十分有限的，當我國的經濟發展到一定的規模情況下，要想繼續保持已經達到的發展速度，就必須充分考慮到這種限制。我國制造企業在產品創新設計方面需要有一種充分利用現有資源的能力。
仿生設計和制造將采用產品信息基因和網絡支持產品創新設計和協同設計，使龐大的設計信息、市場信息和制造信息共享，使分散在全國各地的企業迅速知道某種產品誰在設計和生產，從而避免產品的重復開發設計。同樣成組技術的應用也應從企業內擴展到企業間，這樣可以取得更大的效果。
四、結論
仿生設計和制造將是一種通過學習生物系統而得到的先進的設計和制造系統模式。成組技術是仿生設計和制造的基礎技術之一，它有效地幫助簡化產品信息和制造過程，幫助建立高質量的模塊化產品結構和模塊化企業，實現產品設計和制造的知識和信息資源有序化，從而在此基礎上，可以采用自組織、自適應和分布化的設計和制造模式，使企業能及時、有效和充分地組合利用各種社會化資源，高速度、高質量和低成本地制造出用戶滿意的產品。另一方面，仿生設計和制造中的一些思想和方法將對成組技術的發展起重要作用，將拓展成組技術的內容和深度；解決成組技術中的組合優化問題，如：成組分析、作業排序等；將成組技術從企業內擴展到企業間。
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