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.
Интеллект, изменивший нашу жизнь: генеративный дизайн
Судя по всему, ближайшее будущее будет выглядеть совсем не так, как мы привыкли видеть в фантастических фильмах. Потому что придумывать дизайн будущего станут не люди, а компьютеры.
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.
Медицина
Большие перспективы у генеративного дизайна в имплантологии. Эта технология позволяет не только делать легкие «запасные части» под конкретный организм, но и создавать структуру, которая хорошо приживается. На снимке: спинальные импланты, напечатанные из титана на 3D-принтере.
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.
Природа
Если повнимательнее посмотреть по сторонам, можно увидеть массу примеров генеративного дизайна. Природа сотни миллионов лет использует эту технологию.
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.
Параметрический дизайн
Параметрическое проектирование, которое легко можно спутать с генеративными технологиями, существует уже не одно десятилетие и даже породило новую эстетику. Один из самых визуально ярких способов использования параметрического дизайна основан на диаграмме Вороного.
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.
Главное отличие – в степени автоматизации. Используя параметрическое моделирование, инженер может выделить важные параметры конструкции и, меняя их, получать разные варианты. Но эта технология ограничивается возможностями самого инженера: нужно оценивать каждый вариант, исходя из собственных критериев.
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.
Генеративная технология полуавтономно исследует проектное пространство, а затем возвращается к инженеру с вариантами, которые считает перспективными для дальнейшего анализа. Поскольку компьютер может обрабатывать информацию намного быстрее человека, такой подход позволяет проводить гораздо более глубокие исследования и получать новые решения, которые не пришли в голову специалиста.
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).
Самый известный и один из первых реализованных проектов генеративного дизайна – подошва кроссовок Under Armour, напечатанная на 3D-принтере.
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.
Артефакт из будущего
Рычаг задней подвески автомобиля примерно показывает, какая техника появится в ближайшем будущем.
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.
Генеративный дизайн
Генеративный дизайн не всегда подразумевает причудливый внешний вид. Догадаться о необычной структуре переборок новейших самолетов Airbus или конструкции сверхлегкого скейтборда можно, разве что просветив их рентгеном.
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.
Одно из важных преимуществ новой технологии – скорость разработки, которая получила сленговое название «решение одним щелчком мыши». Новые генеративные модули вводятся почти во все существующие пакеты САПР и дают инженерам-проектировщикам недоступные ранее возможности. Генеративный дизайн оказался той самой технологией, которая позволяет полностью раскрыть потенциал новейших аддитивных технологий. Пора запомнить эти два новых слова.
Городская застройка
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.
Три уровня автоматического проектирования
Модель 1. Создана традиционными методами САПР. Инженер задает форму и материал, а система, исходя из этого, рассчитывает объект.
Вес: 10,3 кг. Модель 2. Инженер задает желаемое снижение по массе, указывает плоскость симметрии для выполнения вычитания материала, параметры структуры. ПО оптимизирует модель.
Вес: 4,1 кг. Модель 3. Тот же объект, выполненный по технологии генеративного дизайна, который не оптимизирует, а заново генерирует объект. Вес: 2,9 кг.
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.
Привыкнуть сложно
Принадлежащая Airbus Group немецкая компания APWorks отпечатала на 3D-принтере из сверхпрочного алюминия первый в мире электромотоцикл, вес которого составляет всего 35 кг. Пока это только демонстрант технологии, так как помимо дорогостоящего способа производства мотоцикл имеет непривычный внешний вид. Люди не готовы покупать настолько необычные товары.
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.
Печать на ноге
Большой прогресс наблюдается в области 3D-печати эластомерами. Практически все ведущие производители спортивных товаров выпустили мелкосерийные образцы с напечатанными подошвами – Adidas, Reebok и Under Armour. На фотографии – модель компании New Balance, осваивающей новую технологию в сотрудничестве с бостонской Formlabs, которая занимается 3D-печатью из эластомеров.
Невообразимое
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.
