Το MIT συνδυάζει την ανατροφοδότηση από τον άνθρωπο και την τεχνητή νοημοσύνη με το Structural Design

Τα σύγχρονα εργαλεία κατασκευής, όπως οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές, μπορούν να φτιάξουν δομικά υλικά σε σχήματα που θα ήταν δύσκολο ή αδύνατο χρησιμοποιώντας συμβατικά εργαλεία. Εν τω μεταξύ, τα νέα συστήματα γενετικής σχεδίασης μπορούν να επωφεληθούν σε μεγάλο βαθμό από αυτήν την ευελιξία για να δημιουργήσουν καινοτόμα σχέδια για μέρη ενός νέου κτιρίου, αυτοκινήτου ή ουσιαστικά οποιασδήποτε άλλης συσκευής.

Αλλά τέτοια „μαύρο κουτί“ Τα αυτοματοποιημένα συστήματα συχνά δεν μπορούν να παράγουν σχέδια που είναι πλήρως βελτιστοποιημένα για το σκοπό τους, όπως η παροχή της μεγαλύτερης αντοχής σε αναλογία με το βάρος ή η ελαχιστοποίηση της ποσότητας υλικού που απαιτείται για την υποστήριξη ενός δεδομένου φορτίου. Η πλήρως χειροκίνητη σχεδίαση, από την άλλη πλευρά, είναι χρονοβόρα και εντατική.

Τώρα, οι ερευνητές στο MIT βρήκαν έναν τρόπο να επιτύχουν μερικά από τα καλύτερα και από τις δύο αυτές προσεγγίσεις. Χρησιμοποίησαν ένα αυτοματοποιημένο σύστημα σχεδίασης, αλλά σταματούσαν τη διαδικασία περιοδικά για να επιτρέψουν στους ανθρώπινους μηχανικούς να αξιολογήσουν την εργασία σε εξέλιξη και να κάνουν τροποποιήσεις ή προσαρμογές πριν αφήσουν τον υπολογιστή να συνεχίσει τη διαδικασία σχεδιασμού του. Η εισαγωγή μερικών από αυτές τις επαναλήψεις παρήγαγε αποτελέσματα που είχαν καλύτερη απόδοση από εκείνα που σχεδιάστηκαν μόνο από το αυτοματοποιημένο σύστημα και η διαδικασία ολοκληρώθηκε πιο γρήγορα σε σύγκριση με την πλήρως χειροκίνητη προσέγγιση.

Τα αποτελέσματα αναφέρονται αυτή την εβδομάδα στο περιοδικό Δομική και Διεπιστημονική Βελτιστοποίησησε ένα χαρτί από τον διδακτορικό φοιτητή του MIT Dat Ha και την επίκουρη καθηγήτρια πολιτικού και περιβαλλοντικού μηχανικού Josephine Carstensen.

Η βασική προσέγγιση μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα ευρύ φάσμα κλιμάκων και εφαρμογών, εξηγεί ο Carstensen, για το σχεδιασμό όλων, από βιοϊατρικές συσκευές έως υλικά νανοκλίμακας έως δομικά μέλη υποστήριξης ενός ουρανοξύστη. Ήδη, τα αυτοματοποιημένα συστήματα σχεδίασης έχουν βρει πολλές εφαρμογές. «Αν μπορούμε να κάνουμε τα πράγματα με καλύτερο τρόπο, αν μπορούμε να κάνουμε ό,τι θέλουμε, γιατί να μην το κάνουμε καλύτερο;» αυτη ρωταει.

«Είναι ένας τρόπος να εκμεταλλευτούμε πώς μπορούμε να κάνουμε πράγματα με πολύ πιο σύνθετους τρόπους από ό,τι στο παρελθόν». λέει ο Ha, προσθέτοντας ότι τα αυτοματοποιημένα συστήματα σχεδιασμού έχουν ήδη αρχίσει να χρησιμοποιούνται ευρέως την τελευταία δεκαετία στην αυτοκινητοβιομηχανία και την αεροδιαστημική βιομηχανία, όπου η μείωση του βάρους με τη διατήρηση της δομικής αντοχής είναι βασική ανάγκη.

„Μπορείτε να αφαιρέσετε πολύ βάρος από τα εξαρτήματα και σε αυτούς τους δύο κλάδους, τα πάντα καθοδηγούνται από το βάρος.“ αυτος λεει. Σε ορισμένες περιπτώσεις, όπως εσωτερικά στοιχεία που δεν είναι ορατά, η εμφάνιση είναι άσχετη, αλλά για άλλες κατασκευές η αισθητική μπορεί να είναι επίσης σημαντική. Το νέο σύστημα καθιστά δυνατή τη βελτιστοποίηση των σχεδίων για οπτικές καθώς και μηχανικές ιδιότητες, και σε τέτοιες αποφάσεις η ανθρώπινη επαφή είναι απαραίτητη.

Ως επίδειξη της διαδικασίας τους στη δράση, οι ερευνητές σχεδίασαν μια σειρά από δομικές φέρουσες δοκούς, όπως θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε ένα κτίριο ή μια γέφυρα. Στις επαναλήψεις τους, είδαν ότι ο σχεδιασμός έχει μια περιοχή που θα μπορούσε να αποτύχει πρόωρα, έτσι επέλεξαν αυτό το χαρακτηριστικό και ζήτησαν από το πρόγραμμα να το αντιμετωπίσει. Στη συνέχεια, το σύστημα υπολογιστή αναθεώρησε τη σχεδίαση ανάλογα, αφαιρώντας το επισημασμένο γόνατο και ενισχύοντας ορισμένα άλλα στηρίγματα για αντιστάθμιση, και οδηγώντας σε έναν βελτιωμένο τελικό σχεδιασμό.

Η διαδικασία, την οποία ονομάζουν Human-Informed Topology Optimization, ξεκινά με τον καθορισμό των απαραίτητων προδιαγραφών – για παράδειγμα, μια δέσμη πρέπει να έχει αυτό το μήκος, να υποστηρίζεται σε δύο σημεία στα άκρα της και να υποστηρίζει τόσο μεγάλο φορτίο. „Καθώς βλέπουμε τη δομή να εξελίσσεται στην οθόνη του υπολογιστή ως απόκριση στις αρχικές προδιαγραφές.“ Ο Carstensen λέει, «Διακόπτουμε το σχέδιο και ζητάμε από τον χρήστη να το κρίνει. Ο χρήστης μπορεί να επιλέξει, ας πούμε, „Δεν είμαι λάτρης αυτής της περιοχής, θα ήθελα να αυξήσετε ή να μειώσετε αυτήν την απαίτηση μεγέθους χαρακτηριστικών.“ Και μετά ο αλγόριθμος λαμβάνει υπόψη την είσοδο του χρήστη.“

Αν και το αποτέλεσμα δεν είναι τόσο ιδανικό όσο αυτό που θα μπορούσε να παραχθεί από έναν πλήρως αυστηρό αλλά πολύ πιο αργό αλγόριθμο σχεδίασης που λαμβάνει υπόψη την υποκείμενη φυσική, λέει ότι μπορεί να είναι πολύ καλύτερο από ένα αποτέλεσμα που δημιουργείται μόνο από ένα γρήγορο αυτοματοποιημένο σύστημα σχεδίασης. «Δεν παίρνεις κάτι τόσο καλό, αλλά δεν ήταν απαραίτητα αυτός ο στόχος. Αυτό που μπορούμε να δείξουμε είναι ότι αντί να χρησιμοποιούμε πολλές ώρες για να πάρουμε κάτι, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε 10 λεπτά και να πάρουμε κάτι πολύ καλύτερο από αυτό που ξεκινήσαμε».

Το σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτιστοποίηση ενός σχεδίου που βασίζεται σε οποιεσδήποτε επιθυμητές ιδιότητες, όχι μόνο στη δύναμη και το βάρος. Για παράδειγμα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ελαχιστοποίηση του σπασίματος ή του λυγισμού, ή για τη μείωση των τάσεων στο υλικό μαλακώνοντας τις γωνίες.

Ο/Η Carstensen λέει: «Δεν ψάχνουμε να αντικαταστήσουμε τη λύση των επτά ωρών. Εάν έχετε όλο τον χρόνο και όλους τους πόρους στον κόσμο, προφανώς μπορείτε να τα εκτελέσετε και θα σας δώσει την καλύτερη λύση». Αλλά για πολλές περιπτώσεις, όπως ο σχεδιασμός ανταλλακτικών για εξοπλισμό σε εμπόλεμη ζώνη ή περιοχή αντιμετώπισης καταστροφών με περιορισμένη διαθέσιμη υπολογιστική ισχύ, «Τότε θα επικρατούσε αυτού του είδους η λύση που ανταποκρίνεται άμεσα στις ανάγκες σας».

Ομοίως, για μικρότερες εταιρείες που κατασκευάζουν εξοπλισμό ουσιαστικά „η μαμά και ο μπαμπάς“ επιχειρήσεις, ένα τέτοιο απλοποιημένο σύστημα μπορεί να είναι απλώς το εισιτήριο. Το νέο σύστημα που ανέπτυξαν δεν είναι μόνο απλό και αποτελεσματικό για να τρέχει σε μικρότερους υπολογιστές, αλλά απαιτεί επίσης πολύ λιγότερη εκπαίδευση για να παράγει χρήσιμα αποτελέσματα, λέει ο Carstensen. Μια βασική δισδιάστατη έκδοση του λογισμικού, κατάλληλη για το σχεδιασμό βασικών δοκών και δομικών μερών, διατίθεται δωρεάν τώρα onlineλέει, καθώς η ομάδα συνεχίζει να αναπτύσσει μια πλήρη 3D έκδοση.

«Οι πιθανές εφαρμογές της έρευνας και των εργαλείων του καθηγητή Carstensen είναι πολύ εξαιρετικές». λέει ο Christian Málaga-Chuquitaype, καθηγητής Πολιτικής και Περιβαλλοντικής Μηχανικής στο Imperial College του Λονδίνου, ο οποίος δεν είχε σχέση με αυτό το έργο. «Με αυτή τη δουλειά, η ομάδα της ανοίγει το δρόμο προς μια πραγματικά συνεργιστική αλληλεπίδραση σχεδιασμού ανθρώπου-μηχανής».

«Με την ενσωμάτωση της μηχανικής «διαίσθησης» (ή της μηχανικής «κρίσης») σε μια αυστηρή αλλά υπολογιστικά αποδοτική διαδικασία βελτιστοποίησης τοπολογίας, προσφέρεται στον ανθρώπινο μηχανικό η δυνατότητα να καθοδηγήσει τη δημιουργία βέλτιστων δομικών διαμορφώσεων με τρόπο που δεν ήταν διαθέσιμος πριν. ” αυτός προσθέτει. «Τα ευρήματά της έχουν τη δυνατότητα να αλλάξουν τον τρόπο με τον οποίο οι μηχανικοί αντιμετωπίζουν τις «καθημερινές» εργασίες σχεδιασμού».