Интеллект, изменивший нашу жизнь: генеративный дизайн

Специалисты так и не сошлись во мнении, что считать генеративным творчеством, а что нет. Некоторые относят к нему и детские калейдоскопы, порождающие неповторяющиеся узоры, и даже процесс гадания на картах. Но реальной эта технология стала только после появления современных мощных программ с алгоритмами на базе искусственного интеллекта и мощных 3D-принтеров.

Различают несколько направлений генеративного дизайна. Например, топологическая оптимизация существует почти четверть века. Смысл ее прост: у детали убирается лишний материал, не несущий нагрузки. Раньше детали оптимизировали, исходя из традиционных технологий изготовления – это литье, токарная и фрезерная обработка, поэтому конечный вариант выглядел ажурно, но вполне обычно. При топологической оптимизации под аддитивные производства формы получаются гораздо причудливее.

Еще одно из интересных направлений – трабекулярные структуры. Трабекула – небольшой, часто микроскопический элемент в виде маленького пучка, стойки или стержня, который выполняет какую-то механическую функцию. Хорошей иллюстрацией является человеческое тело, напичканное такими структурами, например костной тканью. Трабекулы гораздо эффективнее монолитных структур, и киборги будущего, скорее всего, будут непохожи на своих кинематографических «монолитных» персонажей.

Генеративный дизайн позволяет точно масштабировать и распределять крошечные поры по всем твердым материалам, а также придавать поверхности шероховатость, имитируя кости при создании медицинских имплантов. Гладкие монолитные привычные материалы не очень хорошо принимаются человеческим организмом, а вот трабекулярные структуры, напечатанные на 3D-принтере с учетом конкретной анатомии пациента, приживаются гораздо лучше.

Следующий шаг – синтез формы. Если при топологической оптимизации параметры и формы конечной конструкции изначально известны и само изделие в итоге оптимизируется на основе этих данных, то при синтезе форм дизайнеры задают на входе более общие требования, а система уже на основании этих запросов «выращивает» новый дизайн. И без искусственного интеллекта тут не обойтись.

«Внутри генеративного дизайна есть вариативность, – говорит Наталья Райкова из компании Autodesk. – Есть нейронные сети, а есть генетические алгоритмы. Если использовалась нейронная сеть, то с большой долей вероятности результат будет довольно предсказуемым. Мы сейчас склоняемся в сторону генетических алгоритмов, потому что они могут дать более интересные результаты, до которых человеку сложно додуматься самому».

Действительно, нейросети не дают причудливых форм, ведь нейросети обучаются людьми, поэтому их «фантазия» ограниченна. А системы на основе генетических алгоритмов используют для моделирования случайный подбор, комбинирование и вариации, аналогичные естественному отбору в природе. И точно так же, как природа, создают причудливые формы, далеко выходящие за пределы нашего воображения.

Взглянув на объекты, созданные с помощью генеративного дизайна, можно подумать, что это не такая уж и новая технология, что-то подобное вы уже видели. Достаточно вспомнить концепты Луиджи Колани или здания архитектурного бюро Захи Хадид. Но это внешнее сходство.

Тот же Колани вдохновлялся бионикой – наукой о применении в технических устройствах структур и свойств живой природы. А Заха Хадид занималась параметрическим дизайном, опирающимся на компьютерные алгоритмы на основе диаграммы Вороного. То есть источниками вдохновения были природа и математика. Точно так же можно черпать идеи, например, в античной культуре.

Главное отличие генеративного дизайна в том, что компьютер сам генерирует новые формы, а разработчикам необходимо лишь правильно поставить задачу и ввести корректные входные значения. Эта новейшая технология, появившаяся в США, стала известна в мире совсем недавно, говорит Наталья Райкова. Пилотные проекты в этой области создавались на основе специальной облачной платформы Dreamcatcher, которая эволюционировала в коммерческое ПО Autodesk Generative Design (эта опция стала доступна также в популярном пакете Autodesk Fusion 360).

Поскольку технология новая, производители только начинают экспериментировать с ней и не горят энтузиазмом делиться первыми прототипами и концептами. Но кое-что мы можем увидеть уже сейчас. Один из наиболее раскрученных проектов – кроссовки Under Armour с решетчатой подошвой, которые дают хорошее представление о том, чего можно достичь с помощью структурной оптимизации и технологии 3D-печати. Еще один свежий пример – проектирование облегченной перегородки в самолете Airbus A320, в которой несущие и прочностные элементы соединены между собой под нечетными углами. General Motors разработала кронштейн для ремня безопасности, который стал на 40% легче и на 20% надежнее своего предшественника, а BMW – пространственную раму прототипа мотоцикла.

Из этих примеров видно, что пока главная область применения данной технологии – значительное снижение веса при сохранении или даже увеличении прочности. Основное препятствие для внедрения новой технологии не программное обеспечение. Спроектировать можно, а как производить?

Формы почти всех предметов, которые нас окружают, продиктованы возможностями фрезерных и токарных станков, а также технологиями литья. Это комбинация из довольно простых форм. Подобные ограничения, кстати, можно задать и программам генеративного дизайна – правда, при этом решения будут не настолько эффективны.

Хороший пример вот такой смешанной технологии – межпланетный посадочный модуль, разработанный NASA совместно с Autоdesk. Здесь на 3D-принтере печатались только внутренние функциональные элементы. Внешний каркас корпуса изготовили литьем (песчаные формы выполнены аддитивным методом – это позволило создать сложную монолитную деталь), а «ноги» фрезеровали на трехкоординатном станке с ЧПУ.

Но все же массовое внедрение генеративного дизайна напрямую связывают с прогрессом в аддитивных технологиях. Сейчас, когда цена на хороший металлический принтер начинается с полумиллиона долларов, главные потребители технологии – предприятия аэрокосмической отрасли, где каждый килограмм сэкономленного веса идет почти по цене золота.

Пионер в области 3D-печати потребительских товаров, безусловно, Adidas со своими кроссовками Futurecraft 4D, подошва которых печатается полимерной смолой и фиксируется ультрафиолетом. Разработчик этой технологии, компания Carbon из Кремниевой долины, утверждает, что конечные материалы более прочные и гибкие, чем традиционная литьевая пластмасса. Пока счет таким кроссовкам идет на сотни и купить их в обычных магазинах почти невозможно. Но это первая ласточка.

Пока объекты, созданные с использованием генеративного дизайна, на нашей планете можно пересчитать по пальцам. Но скоро он в корне изменит не только окружающую среду, но и методы проектирования и производства, считает Александр Матвеев из дизайнерского консалтингового агентства Matveyev Samoylov Concept Development. Уже сейчас технология позволяет в десятки раз сократить как количество сотрудников, занятых проектом, так и сроки производства, не говоря уже о получении необычных форм.

Александр рассказывает о проекте, разработка и изготовление которого заняли полтора месяца вместо традиционных полутора лет. И работали над ним всего несколько специалистов из разных стран. И если инженеры Autodesk связывают развитие генеративного дизайна прежде всего с промышленным производством, то Александр – с архитектурой. Но все согласны с временными рамками: для внедрения новой технологии понадобится около десяти лет, пока промышленные принтеры не станут массовыми и доступными. Причем не только для производства деталей. В мире полным ходом идет работа над пилотными проектами строительных принтеров, печатающих целые дома, как, например, наш российский Apis. Генеративный дизайн в строительстве может использоваться уже сейчас: из-за больших форм здания, спроектированные таким методом, можно строить при помощи существующих технологий.

И только самим зданием это не ограничивается. Например, уже сегодня генеративный дизайн позволяет создать идеальную планировку помещений. Проектанты вводят такие характеристики, как количество солнечного света, температурные режимы, звуковое и визуальное загрязнение, взаимодействие отделов, и программа предлагает уже готовые варианты, которые обычным инженерам и в голову не приходили. Именно по такой технологии была сделана планировка нового офиса Autоdesk в Торонто.

Одним из самых важных преимуществ генеративного дизайна считается ускорение рабочих процессов. Внедрение таких инноваций экономит время. На данный момент это — одно из главных плюсов генеративного дизайна, ведь это влечет за собой увеличение дохода, а сэкономленное время специалисты могут потратить на другие задачи.

По подсчетам специалистов, при помощи генеративного дизайна можно ускорить процессы примерно на 20%.

Дизайнерам важно иметь творческое воображение. Но если его можно развить, то вот человеческий фактор не получится убрать. Следовательно, возникают проблемы с предвзятостью, субъективным мышлением, влиянием прошлого опыта на будущие работы.

Генеративный дизайн позволяет дизайнерам изучать новые параметры и формы, до которых самостоятельно было бы сложно додуматься. Более того, нововведения могут оказаться эффективнее в решении конкретных задач.

В некоторых отраслях снижение веса на один процент — большой плюс. К таким областям относятся машиностроение, аэрокосмическая промышленность. Так, если изучить процесс конструирования новых болидов на «Формулу-1», можно понять, что даже сотня граммов является весомым преимуществом.

Генеративный дизайн позволяет облегчать конструкции. И делает он это так, как многие проектировщики бы не додумались.

Важное преимущество генеративного дизайна состоит в том, что он позволяет объединять элементы. Так, программное обеспечение может обрабатывать такие части, которые замещают сразу несколько деталей.

Таким образом, генеративный дизайн позволяет изготавливать сложные конструкции, сокращая количество используемых деталей. А это влечет за собой упрощение поставок и обслуживания конструкции, что, в свою очередь, снижает себестоимость продукта.

Генеративный дизайн позволяет снижать вес. Это значит, что материала используется меньше, чем могло быть потрачено на то же количество продукта на выходе.

При этом конструкция будет выполнять свою роль, соответствовать нужным параметрам, но вот количество продуктов, которые можно произвести из того же количества ресурсов, возрастет.

Генеративный дизайн позволяет выявлять слабые точки и перегруженные части. Такой подход позволяет программному обеспечению развиваться и становиться эффективнее.

На данный момент технология недостаточно развита. Несмотря на эффективность применения генеративного дизайна, дизайнерам и специалистам необходимы более качественные алгоритмы для работы.

Создаваемые решения должны работать без ручного вмешательства в процесс, на автоматическом уровне.

Генеративный дизайн дает множество возможностей для разработки моделей. Но для того, чтобы использовать программное обеспечение, нужно уметь им пользоваться. Специалистам необходимы обширные знания в области ПО и бэкенда программы.

Проектировщикам нужен опыт работы с MI и AI. Если навыки по работе с генеративным дизайном недостаточны, модели на выходе будут далеки от идеала.

Казалось бы, большое количество выбора должно быть плюсом. На деле же оказывается, что это может и помешать. Такой объем вариантов может перегрузить проектировщика, заставить его потратить силы и время на поиски идеального выбора.

Со временем данный недостаток может и исчезнуть, ведь программа постепенно обучается самостоятельно отсеивать варианты на основании предыдущих решений.

Один из самых больших минусов генеративного дизайна в перспективе. Многие специалисты переживают, что развитие этой технологии приведет к сокращению вакансий.

Но сторонники новых технологий считают, что важны именно новый опыт и знания , а если вы их приобретаете, то вы никогда не потеряете место. Так, генеративный дизайн остается лишь одним из доступных инструментов. Автоматизация процессов поможет быстрее конструировать подходящие модели и снижать затраты ресурсов.

Генеративный дизайн все больше начинает использоваться предприятиями. При том, что он помогает в решении многих задач, стоимость программ все еще высока.

На стоимость влияет количество работников, которые одновременно используют генеративный дизайн. Поэтому в небольших компаниях первоначальные вложения могут быть высокими, что заставит производителей отказаться от использования этого программного обеспечения.

Это программное обеспечение может пригодиться в техническом проектировании. Программа обладает широким функционалом, дает возможность для работы на основе изначальных настроек. Приложение может оставаться бесплатным в течение года, поэтому оно стало достаточно популярным среди проектировщиков и производителей.

Программа NX была разработана компанией Siemens. Она направлена на контроль жизненного цикла продукта, используется для управления работы над проектом и для организации производственных процессов. Здесь представлен большой набор инструментов, при этом она сложна и требует времени на освоение. Стоимость одного рабочего места очень высока, поэтому NX используют только предприятия.

Программа Creo от компании PTC позволяет использовать функции генеративного дизайна. Автоматизированное проектирование в этом приложении доведено до высокого уровня. Это означает отсутствие несогласованных процессов. Более того, специалистам не приходится заново формировать данные.

Программа проста в использовании, отличается интерактивностью и расширенными возможностями для параметрического программирования. В приложении задействуются облачные технологии. Они дают возможность одновременно проводить анализ более сотни сценариев применения ресурсов и отбирать лучшие варианты для отдельных задач.

Программа от компании Ansys обеспечивает 3D моделирование, за что ответственны опции Ansys Mechanical и Ansys Fluent. Это дает возможность повышать эффективность процесса и работать с критическими вопросами уже при зарождении концепта.

Приложение работает в трех режимах: режим модели для создания и редактирования концептов, режим исследования для моделирования в реальном времени и режим уточнения для проверки концепта. Ansys Discovery позволяет проводить не только мультифизические симуляции, но и высокоточные симуляции созданных концептов в реальном времени. Более того, тут можно оценивать и оптимизировать механические, тепловые и электромагнитные свойства конструкций.

Программа от компании Dassault Systèmes является отличным выбором для оптимизации концептов. Присутствует ряд функций 3D-моделирования и симуляции. Из-за понятной и простой платформы пользователи могут проверять, анализировать и сравнивать свои собственные концепты.

CATIA позволяет с высокой эффективностью создавать дизайн для аддиктивного или традиционного производства, учитывая при этом разные этапы работы.

Этот сервис позволяет в несколько шагов создать собственный постер. Только вот стиль у данных постеров будет необычный, что важно учитывать при выборе платформы. В программе представлен небольшой набор инструментов и настроек. Есть необычная функция, позволяющая добавить мелодию, которая будет искажать изображение. Помимо прочего, Poster Generator позволяет выбрать форму, текстуру и оттенок.

Данный онлайн-сервис позволяет пользователю распознавать контуры рисунка и предлагать варианты завершения работы. Программой можно пользоваться бесплатно, но есть пакеты с платными функциями.

Paper Quilling Art Generator расположен на платформе GitHub. Сервис позволяет создать маску текста. В качестве маски можно использовать и фото. В программе много настраиваемых параметров: высота и толщина контуров, направление света, масштаб шума и многое другое.

Этот сервис поможет вам создать баннер для соцсети, афишу, постер, изображение. Можно сделать не только статичное изображение, но и анимацию. Программа позволяет выбирать готовый шаблон, изменить в нем текст и цвет, или же вовсе создать собственную работу с нуля.

Эта программа позволяет создавать собственные логотипы. Для начала пользователь выбирает визуальный стиль, после прописывает название фирмы, и программа выдает большое количество вариантов для выбора. При необходимости можно уточнить параметры, написав слоган, направленность. После выбора понравившегося результата логотип можно редактировать, меняя шрифты, расцветки, макеты и прочее.

Сдерживать новые формы будет не только малая доступность аддитивных технологий, но и инерционность мышления людей, считает Александр Матвеев. Маркетологи утверждают, что элемент новизны в новом продукте не должен превышать 15–20%: совсем уже революционные решения, как правило, не находят своего покупателя.

А вот к необычным формам зданий мы более благосклонны. Второй плацдарм генеративного дизайна будет наверняка связан с мебелью. В домах с нестандартной планировкой обычная мебель, практически вся состоящая из прямых углов, не особо будет востребована. Неслучайно большая часть примеров генеративного дизайна – столы и стулья. Ну а дальше подтянется все остальное.

Изменится и само производство: предметы станут персонализированными, поскольку аддитивные технологии и генеративный дизайн могут создавать вещи исключительно для вас с учетом ваших предпочтений и строения вашего тела.

К тому же их не надо будет везти из Китая: они будут печататься недалеко от потребителя. Но в доступности технологий таится и опасность: это может привести как к действительным шедеврам, так и к совершенному китчу, что наверняка потребует какого-то регулирования. В общем, нас ждет нечто невообразимое. Луиджи Колани и Антонио Гауди оно бы понравилось.