Генеративный дизайн что это
Решения, которые вызывают эмоции: что такое Generative Design и почему стоит им заняться
Рассказывают организаторы Всероссийского конкурса генеративного дизайна
Где применяется генеративный дизайн
Generative Design — технология, которая при помощи искусственного интеллекта и облачных вычислений помогает конструкторам, инженерам, архитекторам и промышленным дизайнерам исследовать, оценивать и находить оптимальные решения, адаптированные к целям и ограничениям каждого конкретного проекта. Программе задается ряд параметров, она их анализирует и выдает массу вариантов, где учтен широкий спектр различных параметров. Затем человек выбирает оптимальный, на основе которого строится 3D-модель.
Generative Design находит все больше поклонников. Технология уже используется в железнодорожном машиностроении, авиакосмической промышленности, производстве автомобилей. Быстро она распространяется и в других индустриях, например, архитектуре и даже маркетинге. «Причин тому множество. Одна из них — колоссальная экономия времени», — считает шеф-дизайнер Национального центра промышленного дизайна и инноваций «2050.Лаб» Алексей Шаршаков. Например, японская компания Daiwa House за счет Generative Design уменьшила время подготовки коммерческого предложения с пяти дней до суток.
В прошлом году Volkswagen представил новое прочтение Microbus 1962 года. Ряд деталей в нем был сделан при помощи Generative Design. Технология была использована в создании рулевого колеса, опорной конструкции для заднего сидения и креплений боковых зеркал.
По словам главного дизайнера Volkswagen Group Эрика Глейзера, рулевое колесо «не особо тяжелая деталь», но это основная точка соприкосновения водителя с автомобилем. Эта деталь была выбрана, поскольку среди целей проекта была наглядная демонстрация крепкости конструкций, которые выглядят невероятно изящно, сложно и красиво. Так же и с креплением зеркал — их видит каждый, кто находится рядом с автобусом.
Generative Design также полностью переосмыслил конструкцию колес. Они не только получились интересными визуально, но и стали на 18% легче стандартных. В том числе благодаря этому удалось превратить знаменитый Microbus в электромобиль, что соответствует самым последним мировым трендам автомобильной промышленности и заботы об окружающей среде.
Технология генеративного дизайна становится все более трендовой и популярной. Но в нашей стране пока не так много профессионалов, способных грамотно с ней работать.
Всероссийский конкурс генеративного дизайна
Для привлечения внимания к перспективной технологии, а также для помощи молодым талантливым дизайнерам проводятся различные инициативы. Одна из заметных в этом году — Всероссийский конкурс генеративного дизайна. Его организатор — Национальный центр промышленного дизайна и инноваций «2050.Лаб», генеральный партнер — ТМХ (один из крупнейших производителей подвижного состава РФ и СНГ), а профильный — Autodesk. Подробная информация и условия размещены на сайте конкурса.
Конкурс стартовал летом 2020 года, в нем приняли участие более 200 человек — дизайнеры разных возрастов, проживающие как в мегаполисах, так и в небольших городах и даже в поселках нашей страны.
На первом этапе конкурса претенденты разработали концептуальную модель одного из предлагаемых элементов конструкции подвижного состава ТМХ: стола с опорой на щиток или багажной полки. Проекты создавались с помощью технологии генеративного дизайна Fusion 360.
На основе работ, поданных на первом этапе конкурса, составлен шорт-лист номинантов на победу:
Генеративный дизайн — революция в 3D-печати?
Как вы думаете, захватят ли роботы мир? Уже сегодня и совсем рядом с вами создаются удивительные и абсолютно новые предметы, конструкции которых намного легче и эффективнее. И дело тут не в гениальности человеческого разума, а в гениальности искусственного интеллекта.
Что вы видите на этой фотографии? Как вы думаете, какой вес может выдержать эта конструкция? Не внушает доверия, правда?
Но погодите! Ваш мозг вас просто обманывает! И мы уверены в своих словах, ведь искусственный интеллект создал их все и провел испытания для каждой из конструкций.
Эта удивительная методология появилась еще в 1960-м году. На тот момент не существовало технологий, которые позволили бы снизить металлоемкость проектируемых изделий. Но наука не стоит на месте. И с приходом вычислительного моделирования, компьютерных технологий и методов конечных элементов ученые пришли к тому, что появился совершенно новый математический инструмент, который позволяет проанализировать напряженно деформированное состояние самих деталей.
Почему понять эти принципы так важно? Именно на этот математический аппарат опирается генеративный дизайн.
Довольно часто генеративный дизайн сравнивают с биологическим дизайном. Взгляните, это действительно похоже на какой-то совершенно удивительный скелет или переплетения ветвей деревьев.
Настоящая конкуренция с природой!
Такие решения чаще используют в сферах, где важно сэкономить каждый грамм: космические аппараты, авиастроение, инновационное машиностроение. Другая смежная задача — экономия дорогих материалов (сложные сплавы, редкие металлы). Генеративный подход в проектировании позволяет некоторым компаниям тратить на 30-50% меньше материала.
Компьютер – не человек, он не требует прихода вдохновения. Он просто делает. И тем он лучше нас.
Само программное обеспечение можно регулировать, задавая определенные параметры для создаваемой конструкции. Например, инженер может поставить задачу создать легкий, надежный и недорогой вариант. В свою очередь компьютер создаст десятки тысяч вариантов, из которых выберет единственный – соответствующий всем критериям.
Когда инженерам Airbus потребовалось снизить расходы топлива для лайнеров, они решили снизить вес самолетов, облегчив внутренние перегородки. Генеративный алгоритм предложил вариант конструкции перегородки, который выглядел как набор случайных осей. Однако такая конструкция соответствовала всем требованиям: снижала вес отдельных модулей самолёта до 45%, сохраняя прочность всей системы.
Даже NASA участвует в этом, делая легче свой аппарат для миссий на Юпитер и Сатурн. При помощи генеративного дизайна Autodesk смогла уменьшить вес ног посадочного модуля на 35%.
Чем глубже погружаешься в тему, тем сильнее генеративный дизайн захватывает!
Поэтому мы решили создать свой вариант синтеза генеративного дизайна и аддитивных технологий.
Мы напечатали (угадайте чтоооо?) стойку антикрыла автомобиля.
Эти стойки напечатаны из углеродонаполненного ABS, и мы установим их на автомобиль, прикрепим антикрыло и будем разгоняться, пока не отвалится! В лучших традициях Импринты)
Что из этого получилось, можно посмотреть в нашем видео:
Что мы знаем о Generative Design — самом перспективном тренде промдизайна
1. Широкий выбор
Суть технологии Generative Design в том, что промышленный дизайнер или инженер загружает в программу технические требования и параметры проекта, а компьютер обрабатывает полученные сведения и выдает сотни вариантов решений. Человек в силу своих физических возможностей просто не способен на такое. При этом алгоритм не оперирует принципиально новыми идеями. Он предлагает оптимальные варианты исходя из того, что уже придумано человеком. Из них дизайнеру или инженеру надо выбрать лучший.
2. Экономия сил и времени
«С помощью Generative Design мы можем сказать «нет» рутине», — подчеркивает директор дизайн-студии 2050.ЛАБ Максим Чащин. С ним согласен шеф-дизайнер Алексей Шаршаков. По его словам, применение новых технологий смещает акценты в работе. Меняется роль дизайнера или инженера: он все больше размышляет не над самой задачей, а над тем, как ее поставить перед машиной.
По словам Шаршакова, технология не заменит человеческий труд или интеллект. Компьютер лишь позволяет перебрать множество вариантов «на берегу». Не надо изготавливать деталь, нагружать ее, тратить на это массу материалов, сил и времени. «Элемент творчества остается на стороне человека», — добавляет Чащин. Причем времени на него становится больше.
3. Сближение инженеров и дизайнеров
Главная роль Generative Design — это объединение, сплав креативной работы дизайнеров и более практичного подхода инженеров для создания качественного промышленного продукта.
Раньше дизайнеры размышляли о качестве изделия, стараясь дать потребителю эстетику и эмоции. Бывало, выдвигались предложения, которые на практике сложно воплотить. Инженеры же всегда думали о том, как создать идеально работающий объект, но не всегда до конца осознавали, зачем нужны эмоции. Благодаря новой технологии появилась возможность сблизить позиции, объединить усилия в создании идеально работающего продукта с новыми эстетическими качествами.
Generative design дает возможность для обмена идеями, выбора оптимальных решений. Благодаря облачным технологиям профессии объединяются: инженеры становятся более креативными, у них появляется инструмент для эффективного сотрудничества с коллегами, которые в современных условиях могут находиться за сотни километров от них.
4. Новые технологии = новые качества
Технология Generative Design неразрывно связана с аддитивными технологиями, 3D-печатью, и этот вид производства также развивается сейчас довольно быстро. Дополнительным стимулом стали новые условия жизни, когда в 2020 году между государствами вновь выросли границы, а связи между производством комплектующих и сборкой, расположенными в разных странах, потеряли былую крепость.
Если еще несколько лет назад качество продукции, созданной при помощи послойного выращивания, оставляло желать лучшего, то сегодня 3D-печать становится массовым способом производства. Аддитивные технологии применяются в выпуске высокотехнологичной продукции, деталей, которые должны выдерживать большие нагрузки. Чтобы идти дальше, нужны новые технологии для проектирования конструкций нового поколения: легкие, прочные, надежные. И Generative Design подходит для этого.
Создание новых материалов ускорит развитие производств, где используются новые технологии. Проректор по науке и инновациям НИТУ «МИСиС» Михаил Филонов на круглом столе в рамках подведения итогов Всероссийского конкурса генеративного дизайна, организованного 2050.ЛАБ, отметил, что в вузе активно развивают направление цифрового материаловедения. Студенты не просто учатся синтезировать новые материалы, придумывать их формулы. Прежде всего, они учатся дизайн-мышлению, которое помогает находить зачастую необычные, но эффективные решения даже сложных задач.
5. Красота и практичность
Детали и узлы, созданные при помощи технологии generative gesign, легко узнать по внешнему виду. Большинство из них довольно футуристичной формы, выглядят необычно. Кроме того, новая технология позволяет делать детали прочнее, но материала на их изготовление расходуется, как правило, меньше, чем при использовании традиционных технологий производства.
Мировая экспансия
Генеративный дизайн активно развивается в наукоемких и сложных производствах. По словам Павла Медведева, «евангелиста» Autodesk Fusion 360, одного из инструментов генеративного дизайна, целый ряд практических кейсов применения Generative Design связан с транспортом в самом широком смысле слова. Например, недавно компания «Декатлон» представила велосипед, рама которого подгоняется под пользователя с помощью 3D-печати.
Подписывайтесь также на Telegram-канал РБК Тренды и будьте в курсе актуальных тенденций и прогнозов о будущем технологий, эко-номики, образования и инноваций.
Генеративный дизайн: на пороге новой эпохи проектирования
Представляем вашему вниманию информационную статью о новых технологиях проектирования от наших коллег из Siemens PLM Software.
Генеративный дизайн – принципиально новая технология проектирования. Основана она на применении программного обеспечения, способного самостоятельно, без участия конструктора, генерировать трехмерные модели, отвечающие заданным условиям. Фактически в системе «человек – машина» компьютеру передаются творческие функции, и он с ними отлично справляется.
UPD: Если вас заинтересовала технология, то 25 января в 14:00 по московскому времени компания Siemens PLM Software проведут вебинар с демонстрацией технологии генеративного дизайна. Приглашаем на регистрацию: cad-expert.ru/meropriyatiya/vebinary/generativnyy-dizayn/?utm_source=habr&utm_medium=article&utm_campaign=new_tech_web
Эта технология уже начинает применяться в качестве основного инструмента автоматизированного проектирования. Причиной тому рост вычислительных возможностей и чрезвычайно быстрое развитие 3D-печати – технологии, в полной мере способной к производству деталей и объектов, разработанных с помощью нового инструмента.
Сегодня стоимость 3D-печати и цена 3D-принтеров уже снизились до уровня, позволяющего говорить о промышленном производстве на их основе. Что касается возможностей тандема «генеративный дизайн – аддитивные технологии», то они таковы, что ряд аналитиков именует их применение не иначе как очередной промышленной революцией.
Взглянув хотя бы на несколько объектов, смоделированных с помощью генеративного дизайна и воплощенных посредством аддитивных технологий (рис. 1-3), в это совсем нетрудно поверить.
Рис. 1. Пешеходный мост через канал в Амстердаме. Проект компании MX3D 
Рис. 2. Кроссовки известного бренда. Распределение и форма пор рассчитаны по технологии генеративного моделирования
Рис. 3. Элемент конструкции швейной машины Bernina (красный цвет). Форма оптимизирована
Специализированное ПО для генеративного дизайна отличается высокой мощностью и может применяться в различных отраслях производства. У него много плюсов, но не менее перспективны и приложения, встроенные в функционал САПР. Такие решения позволят проектировщикам получать результаты быстро и на качественно новом уровне, но оставаясь при этом в своей системе моделирования. Свой вариант такого функционала предложила компания Siemens PLM Software.
Генеративное моделирование в Solid Edge ST10
Для машиностроения особый интерес представляет оптимизация топологии – она приносит мгновенный эффект в виде экономии материалов и энергоресурсов, а также увеличения производительности. Именно этот вид генеративного дизайна реализован в Solid Edge ST10.
Топологическая оптимизация представляет собой поиск оптимальной формы детали при заданных условиях закрепления и нагружения. Подчеркнем, что оптимальной в данном случае считается форма, обеспечивающая наименьший вес.
В Solid Edge ST10 при запуске генеративного проектирования конструктор указывает область, в пределах которой будет формироваться деталь. Для этого задается ее приблизительная форма. На ней фиксируется расположение элементов крепления; указываются области, которые не должны меняться, и нагрузка. Далее с помощью открывающегося диалогового окна конструктор задает процент снижения массы, коэффициент запаса по прочности.
Рис. 4. Топологическая оптимизация в Solid Edge ST10. С помощью генеративного моделирования создается деталь с минимальной массой, отвечающая исходным требованиям по прочности и схеме крепления
В этом же окне задается еще один важный параметр генеративного моделирования – время работы программы. От него зависит точность получаемой модели, поскольку именно он ограничивает количество итераций.
Решение, полученное в результате топологической оптимизации, имеет фасетный вид. Можно сразу же отправить его на 3D-печать, но функционал Solid Edge ST10 этим не ограничивается. В десятой версии впервые применяется технология объединенного моделирования (Convergent Modeling): BREP и фасетное представление объединяются в одной модели, что дает возможность редактировать продукт генеративного дизайна.
По завершении процесса оптимизации работа над деталью может быть продолжена. Никаких действий, связанных с «проблемным» переводом сетки в точное представление, не требуется. Конструктор может добавлять и убирать какие-то элементы, могут выполняться Булевы операции; если идет работа над сборкой, то возможно вычитание тела одной детали из другой и т.д. Сеточное представление при этом постоянно обновляется.
Таким образом, Solid Edge ST10 не просто обеспечивает применение качественно новой технологии генеративного моделирования, но еще и предлагает удобную возможность модификации результата.
Компьютерная оптимизация топологии дает удивительные и совершенно необычные варианты геометрии. Она позволяет снизить вес изделий без ухудшения прочностных характеристик, оптимизировать расход материала, соответственно снижая стоимость изделия. Однако при всем этом сразу же возникает вопрос о технологичности продукта.
Действительно, даже беглого взгляда на оптимизированную модель (рис. 4) достаточно, чтобы убедиться в неприменимости здесь традиционных способов обработки металлов резанием и давлением. Единственное, на что можно рассчитывать, – это литье, технологию весьма энергоемкую и проблемную с точки зрения экологии. Есть ли смысл в такой оптимизации и в чем революционность Solid Edge ST10?
Уже сейчас можно сделать вполне обоснованный прогноз, что производство без лучших технологий цифрового моделирования и 3D-печати обречено на проигрыш в конкурентной борьбе. В таких обстоятельствах применение топологической оптимизации становится даже не преимуществом, а скорее условием выживания компаний.
Сказанное можно дополнить еще одним аргументом в пользу топологической оптимизации. Дело в том, что она дает наилучший по заданным условиям вариант, а такой вариант всегда интересен и полезен разработчику – даже в отсутствие возможностей его реализации. Пусть идеала достичь нельзя, но можно к нему приблизиться, создавая модели под традиционные технологии. Для этого Solid Edge ST10 располагает одним из самых эффективных в мире арсеналов проектирования.
Интеллект, изменивший нашу жизнь: генеративный дизайн
Одно из самых модных направлений среди дизайнеров и инженеров в последнее время – генеративный дизайн. Главная идея этой технологии – инженер или дизайнер не проектирует продукт, а задает нужные параметры и ограничения, после чего программа предлагает готовые оптимизированные решения. В итоге получаются удивительные вещи, более напоминающие природные объекты, нежели творения человека.
Недетские забавы
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.
Не додуматься
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.
Близкие родственники
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).
Первые ласточки
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?
Первопечатники
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.