衍生式设计:未来设计制造的中级尝试

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当设计与科技结合时，都会擦出火花。今天，需要天赋与灵性的设计艺术，将在与科技的融合中发生改变。随着人机关系的不断发展，设计也开始成为一项人机协作的团队运动。这种新的工作模式将以一种惊艳的方式来改变设计，提高我们创造并塑造世界的可能性。

传统的设计是“一个人的创意灵感+一台计算机渲染=图纸中的设计方案”，而全新的设计方式则是计算机和设计师一同创造，即“一个人数据录入+人工智能算法+无限的云计算能力=数据库中数以千计的设计方案”。

在最近的欧特克行业软件暨2017新产品媒体沟通会上，欧特克大中华区技术总监李和良博士正式向大中华区介绍了“衍生式设计”这一概念。

人机协作的设计方式

衍生式设计主要是通过一组构成规则或一种算法，根据参数的变化而生成不同的输出结果。衍生式方法根植于系统动力学建模，其本身的性质意味着它们十分适用于那些重复性的过程，即通过大量设计操作和迭代而获得的解决方案。

欧特克公司大中华区总经理李邵建表示，衍生式设计是一种新概念，代表着新的人机交互的方式，它将人工智能融入到设计软件里，极大降低了设计的门槛，设计人员可能不再需要特别专业的结构类知识，或者材料科学知识，而要输入他对所要设计的作品，或者产品的一些限制性的条件，就可以让计算机帮他完成剩下的专业化设计。

假如要需要创造一把仅用塑料制成且最大负重为300磅的椅子，设计者只需在计算机中设定条件“一把椅子，承载重量300磅”，以及其他一些工作条件，并输入有多少材料，周边的空间有什么约束。计算机就可以生成上千个满足要求的解决方案，最后由设计者和客户来判断哪种设计方案是自己最喜欢的。只需几秒，就可以向您呈现大量符合要求的设计选项。

如果想设计一架四轴飞行器，对于这种轻量型无人机的外形，我们通常认为是固定不变的，但衍生式设计工具没有任何先入之见。它可以探索出所有符合要求的解决方案，并得出我们可能想都想不到的设计选择――比如形似飞鼠骨骼状的无人机机身。

在这种新的合作机制中，衍生式设计是增进人机关系最有效的工具之一。这项技术能让设计者将各种设计标准和约束条件输入到计算机内，再利用云计算的能力快速生成上百份符合标准的设计选择。

李和良表示，随着计算机技术的发展，人工智能技术的发展，人的作用将更专注到一些提高生产能力，更有创造性的活动当中去。 随着人机关系的不断发展，设计必将成为一项人机协作的团队运动。

机器人技术+物联网+人工智能

如果说衍生式设计是提供想出设计方案的工具，那么机器人技术则是提供制造设计方案的新方法。早在数十年前，机器人已经成为制造工厂和其他工业设施的中坚力量。但通过将机器人、衍生式设计与增材制造等技术结合使用，我们渐渐发现可以增强机器人实用性的方法。

艺术家Joris Laarman及其MX3D团队借助衍生式设计和机器人技术，通过3D打印完成的世界上首座不受人工干预、由机器人自主制造的不锈钢材质桥梁。运用算法反馈系统，机器人会自主地在半空中打印出钢桥的实体结构，该桥梁将横跨阿姆斯特丹的一条运河。

基于机器学习的衍生式设计还会影响传感器和物联网的发展进程。物联网这种无处不在的互联传感器今天已经开始发挥神经系统的作用，能够即时收集产品周边的数据，并将数据反馈到系统中。随着产品嵌入式的传感器种类越来越复杂多样，设计者能更好地理解产品如何在现实世界中运作，以及可以如何改进产品的设计。

为了探索出更加先进的物联网，欧特克与设计和制造研究集团Hack Rod以及Bandito Brothers团队合作，打造了一辆具有神经系统的疯狂赛车。合作团队在一辆传统赛车上配备了几十个传感器，然后让一名世界级赛车手在沙漠中驾驶这辆赛车，直至赛车各项性能达到极限。这些传感器可以收集赛车在竞赛状态下的数十亿个数据点。通过接收驾驶过程中的所有数据，并将这些数据导入衍生式设计工具Project Dreamcatcher。Bandito Brothers团队可以为赛车量身打造底盘，让赛车在它所经历过的竞赛环境下发挥出最佳水平。

如果说衍生式设计、机器人技术和物联网改变了人机合作的设计方式，那么人工智能便是加速扩大上述三种技术影响的“火箭燃料”。人工智能让工具有了学习能力，使得这些工具能不断提高自身的工作能力。这意味着衍生式设计工具可以了解我们喜欢和不喜欢的设计类型，并留意我们的偏好；机器人不再依赖硬编程到操作系统的明确指令来完成任务；利用人工智能，物联网不仅可以感知现实世界，还可以智能地对现实世界做出回应。这些附加的智能技术能够让工具解决问题的能力更具创意性。

这样的结果就是，计算机将越来越擅长原本只有人类才具有的能力，比如运用直觉和实现创意飞跃。当前世界正面临着一系列的设计挑战，这些创造性的附加资源是备受欢迎且将会积极发展的。

衍生式设计+3D打印

据了解，欧特克衍生式设计解决方案在国外已经开始商用。例如，美国知名运动品牌Under Armour推出利用欧特克Autodesk Within设计软件3D打印而成的限量版跑鞋Architect。Under Armour这款3D打印跑鞋可在运动过程中随时贴合运动员脚部，独特设计的网格结构中底能为运动员提供稳定的脚跟支撑结构和并满足高强度训练所需的缓冲能力。

除了跑鞋设计，航空巨头空中客车与欧特克The Living设计工作室合作，为其空客A320飞机开发了一个大尺寸的“仿生”机舱隔离结构。这种结构是用一种被称为Scalmalloy的新型超强且轻质合金材料使用直接金属激光烧结成型技术3D打印而成的。虽然如今在空客的飞机上3D打印的金属零部件已不鲜见，但这是首次将金属3D打印部件用机机舱设计。与现有的隔离结构相比，新型的仿生隔离结构由几个不同的部件组成，不仅强度更高，而且将其总量减轻了45%。如果应用到整个机舱，空客估计，新的设计方法每年可以减少465，000公吨的二氧化碳排放，相当于一年减少约96，000辆乘用车上路的排放量。

这项新技术基于云计算大数据平台支持的同时，更重要的是应用了机器学习等人工智能技术，也就是说机器学习促进了衍生式设计发展，设计变得更加聪明更加智能也更加高效。以四轴飞行器的设计为例：设计师希望飞行器有良好的飞行表现，同时还能承受有效载荷，也就是说，要减轻飞机底盘的重量、减少飞行器的空气阻力。把这些限制条件输入计算机之后，计算机就会去探索每一种可能的解决方案，并得出设计者意想不到的一些设计想法。计算机无需具备人类的绘图能力就可以完全自主地创造这些想法。

在中国，目前衍生式设计商用还处于探索阶段，这一技术实际是大数据技术和人工智能技术在工程领域的一个典型的应用。除了基础的物联网、云计算技术之外，还需要功能强大的交互式的设计系统、大数据和传感器数据分析系统。强性能的计算机平台将是这一技术得到应用的前提。

李邵建表示，期待未来这项新技术应用在越来越多的中国企业的产品设计当中，希望为汽车、医疗植入物、航空航天和工业设备市场提供更多样的设计方式。李邵建说，“我们认为这是一个未来设计制造在未来时代的一个中级尝试。设计师和工程师不应继续把工具看成是受他们操纵或接收明确指令的机器。反之，应该把工具当成能帮助他们解决问题的忠实合作伙伴，共同去解决那些只靠人力无法解决的问题。”