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安世亞太：自動(dòng)化時(shí)代人工智能如何改變?cè)O(shè)計(jì)，3D打印的新未來、新發(fā)展、新可能性

2022-03-07

全球疫情加快數(shù)字化時(shí)代的到來，技術(shù)對(duì)企業(yè)的影響越來越大。呈指數(shù)級(jí)發(fā)展的新技術(shù)——人工智能 (AI)、自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、區(qū)塊鏈和第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)之間交匯融合，產(chǎn)生了重塑業(yè)務(wù)模式、運(yùn)營流程、工作方式的力量。新技術(shù)與專業(yè)技術(shù)融合產(chǎn)生的智能設(shè)計(jì)也是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要發(fā)展方向之一。安世亞太公司深耕數(shù)字化仿真、正向設(shè)計(jì)創(chuàng)新應(yīng)用多年，深刻認(rèn)同增材制造是制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的驅(qū)動(dòng)力，而數(shù)字化設(shè)計(jì)是轉(zhuǎn)型中不可或缺的方面，我們基于多年的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和思考沉淀，推出了“增材思維數(shù)智未來”系列文章。

本文是該系列文章的第三篇，接下來將陸續(xù)推出成本控制、多源技術(shù)融合、新能源應(yīng)用等方面的專欄文章，闡述增材制造的數(shù)字化未來。

△AI智能設(shè)計(jì)，會(huì)令工程獅失業(yè)嘛？

1、自動(dòng)化技術(shù)的影響和發(fā)展?jié)摿?/span>

每個(gè)人都能親身感受到技術(shù)進(jìn)步的加速——從喬布斯在2007年說“我們重新發(fā)明了手機(jī)”開始，短短幾年，手機(jī)就改變了每個(gè)人的生活方式，成為每個(gè)人離不開的智能助手，閱讀、娛樂、溝通、出行、購物都靠它；兩年前跟你通話所答非所問的語音機(jī)器人現(xiàn)在卻對(duì)答如流讓你越來越難分辨是真人還是機(jī)器人；一段時(shí)間沒去醫(yī)院，再一去發(fā)現(xiàn)就醫(yī)流程已經(jīng)全數(shù)字化了，藥品的分發(fā)已經(jīng)全自動(dòng)化了；技術(shù)進(jìn)步正在以我們能感覺得到的速度創(chuàng)造一個(gè)新的自動(dòng)化時(shí)代。我們親眼看到有些產(chǎn)品、有些職業(yè)逐漸消失，而更多的新產(chǎn)品和更多的新職業(yè)不斷出現(xiàn)。有些人可能會(huì)恐懼，但更多的人是接受和期待。

據(jù)麥肯錫的一項(xiàng)研究：大多數(shù)人對(duì)人工智能可能改善他們生活的方式持開放態(tài)度——只有 25% 的人認(rèn)為存在與人工智能相關(guān)的重大風(fēng)險(xiǎn)。這種開放性主要是由 AI 應(yīng)用程序提供的更高的舒適度和便利性推動(dòng)的。例如，75% 的消費(fèi)者表示他們對(duì)讓人工智能驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人做家務(wù)感興趣。

無論你愿意與否，智能化、自動(dòng)化的進(jìn)程都在加快，它在改善人們生活的同時(shí)，也在改變每個(gè)人的日常工作活動(dòng)，改變企業(yè)的生產(chǎn)力。機(jī)器人和計(jì)算機(jī)不僅能比人類更好、更廉價(jià)地完成一系列日常體力勞動(dòng)，而且還能越來越多地完成認(rèn)知能力等一度被認(rèn)為難以成功自動(dòng)化的活動(dòng)，例如開車。

麥肯錫全球研究所（MGI）關(guān)于技術(shù)對(duì)未來工作的影響的研究分析了800多個(gè)職業(yè)的2000多項(xiàng)工作活動(dòng)，估計(jì)出，人們?cè)谌蚪?jīng)濟(jì)中所從事的有償活動(dòng)中，有50% 有可能通過采用目前已證明的技術(shù)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。雖然只有不到5% 的職業(yè)可以完全自動(dòng)化，然而，幾乎每個(gè)職業(yè)都有部分自動(dòng)化的潛力，因?yàn)槠浠顒?dòng)的一部分可以自動(dòng)化，大約60% 的職業(yè)至少有30% 的活動(dòng)在技術(shù)上可以自動(dòng)化（參見圖1）。

不僅僅是低技能、低工資的工作可以被自動(dòng)化; 中等技能、高收入、高技能的職業(yè)也有一定程度的自動(dòng)化潛力?；顒?dòng)的自動(dòng)化可以使企業(yè)通過減少錯(cuò)誤、提高質(zhì)量和速度來提高業(yè)績，在某些情況下，還可以實(shí)現(xiàn)超出人類能力的成果。自動(dòng)化也有助于提高生產(chǎn)力，正如它在歷史上所做的那樣。在生產(chǎn)率增長乏力之際，這將為經(jīng)濟(jì)增長和繁榮提供必要的推動(dòng)力。它還將有助于抵消許多國家工作年齡人口比例下降的影響?；贛GI的場景建模，他們估計(jì)自動(dòng)化每年可以將全球生產(chǎn)力增長提高0.8% 到1.4% 。

2、當(dāng)前設(shè)計(jì)活動(dòng)的智能化和自動(dòng)化水平

相比制造和業(yè)務(wù)流程的數(shù)字化智能化，設(shè)計(jì)的智能化、自動(dòng)化發(fā)展相對(duì)緩慢，在很多領(lǐng)域，采用CAD繪圖式的低效設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)甚至成為整體產(chǎn)品開發(fā)或企業(yè)擴(kuò)產(chǎn)能的瓶頸，眾多的設(shè)計(jì)人員甚至可能成為企業(yè)最大成本支出。企業(yè)迫切需要提升研發(fā)效率，但對(duì)于設(shè)計(jì)研發(fā)活動(dòng)能否自動(dòng)化，很多人要么持懷疑態(tài)度，認(rèn)為AI還遠(yuǎn)不能替代工程師的工作；要么就盲目相信，認(rèn)為存在通用的智能化設(shè)計(jì)AI，可以解決所有設(shè)計(jì)問題。

那么，設(shè)計(jì)活動(dòng)到底能不能自動(dòng)化呢？如果能，是全自動(dòng)化還是部分自動(dòng)化？

同濟(jì)x特贊設(shè)計(jì)與人工智能實(shí)驗(yàn)室范凌的《人工智能與設(shè)計(jì)的未來——2017設(shè)計(jì)與人工智能報(bào)告》試圖回答設(shè)計(jì)本身能不能算法化、數(shù)據(jù)化的問題；他認(rèn)為人工智能與設(shè)計(jì)師的關(guān)系不是替代，而共同進(jìn)化，提出了“腦機(jī)比”的概念。他們調(diào)查分析了6個(gè)行業(yè)的1300位設(shè)計(jì)師，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)師在不同任務(wù)中的時(shí)間分配比例不同（大部分設(shè)計(jì)師自認(rèn)為的設(shè)計(jì)中的重復(fù)性體力勞動(dòng)低于實(shí)際比例），不同任務(wù)可被智能化的可能性不同，設(shè)計(jì)行業(yè)整體“腦機(jī)比”為1.55（參考圖2），換種說法，設(shè)計(jì)任務(wù)中有39.21%的工作可以用AI機(jī)器完成。

圖 2設(shè)計(jì)行業(yè)整體腦機(jī)比

既然設(shè)計(jì)活動(dòng)中有相當(dāng)?shù)谋壤梢詫?shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化，那么設(shè)計(jì)AI現(xiàn)在發(fā)展到什么程度了？我們分別從擁有相關(guān)技術(shù)的不同類型的行業(yè)來看看：

1）互聯(lián)網(wǎng)基因的科技公司

眾所周知那些大科技公司在AI技術(shù)上是走在前面的，那么，我們看看他們?cè)谥悄茉O(shè)計(jì)上做了什么：

阿里巴巴智能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室有個(gè)最著名的項(xiàng)目叫鹿班，可以把鹿班理解為一個(gè)人工智能設(shè)計(jì)師，從2015年雙十一開始，已經(jīng)自動(dòng)為客戶設(shè)計(jì)生成了千人千面的廣告圖片幾十億張，他們還推出了馴鹿計(jì)劃，讓用戶可以訓(xùn)練自己獨(dú)特的小鹿班。

京東繼鹿班之后也出了一個(gè)AI設(shè)計(jì)神器——羚瓏，現(xiàn)在的羚瓏已經(jīng)涵蓋了包括圖片處理、廣告圖設(shè)計(jì)、視頻設(shè)計(jì)、頁面設(shè)計(jì)、SNS 互動(dòng)營銷以及小程序的設(shè)計(jì)等各方各面，解決商家及公司內(nèi)部關(guān)于設(shè)計(jì)、美、效果等問題，為京東節(jié)省了大量的設(shè)計(jì)成本。

Meta近日宣布首創(chuàng)了一種AI系統(tǒng)，可以在沒有任何人工指導(dǎo)的情況下，高成功率地自動(dòng)為兒童手繪人物和類人角色制作動(dòng)畫，幾分鐘就可以實(shí)現(xiàn)從一張靜態(tài)圖到動(dòng)畫的轉(zhuǎn)變。

圖 3 Meta AI

2021年10月，字節(jié)跳動(dòng)公司發(fā)表了利用單張圖片做三維重建的論文受到關(guān)注。

各大科技公司在3D自動(dòng)設(shè)計(jì)方面主要聚焦3D重建方向，應(yīng)用場景聚焦自動(dòng)駕駛，元宇宙等熱門方向。

從上述大科技公司的AI設(shè)計(jì)相關(guān)的實(shí)例我們可以看出，他們所作的智能化設(shè)計(jì)方向都未涉及工業(yè)領(lǐng)域、產(chǎn)品設(shè)計(jì)。分析其原因可能有：工業(yè)領(lǐng)域和產(chǎn)品設(shè)計(jì)不在他們聚焦的領(lǐng)域；工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品眾多，需求各異，無法用少量的AI算法覆蓋；人工智能技術(shù)與工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)屬于不同的技術(shù)領(lǐng)域，需要更多的學(xué)科交叉融合，而目前看，他們沒有工業(yè)領(lǐng)域的基因。

2）工業(yè)軟件領(lǐng)域

廣義的CAD是CAD/CAE/CAPP/CAM的高度集成工具，涵蓋從設(shè)計(jì)到制造的各個(gè)階段所用的工具。CAD不針對(duì)任何產(chǎn)品，而是面向各行業(yè)有設(shè)計(jì)需求的企業(yè)，提供產(chǎn)品研發(fā)所需的底層的通用功能。技術(shù)人員可以用CAD做自己能力所及的任何產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、仿真分析、工藝制定、CNC編程等工作。

從狹義上講，CAD指單純的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，主要以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)核心目標(biāo)(視覺交流)可以分解為三個(gè)基本任務(wù)：表示、交互、繪制，即如何在計(jì)算機(jī)中“交互”地“表示”、“繪制”出豐富多彩的圖形、模型。簡單地說，CAD就是給用戶提供了在電腦上交互式繪圖的工具，它們解決的是繪圖問題，而不是設(shè)計(jì)問題。

有部分面向特定行業(yè)的專用CAD中嵌入了專業(yè)知識(shí)和規(guī)則，如鈑金CAD、模具CAD、管路CAD等，給特定行業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的方便性。

近幾年，各大CAD廠家都開始了CAD和CAE的融合，做仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，最典型的是拓?fù)鋬?yōu)化算法用于設(shè)計(jì)。這是智能輕量化設(shè)計(jì)的方法，可以解決材料優(yōu)化分布類型的設(shè)計(jì)優(yōu)化問題。

此外，很多CAD軟件都提供了編程語言和編程工具，可以用來開發(fā)智能化的設(shè)計(jì)程序。只要你是編程高手，就可以通過編寫算法做設(shè)計(jì)。但對(duì)于大多數(shù)設(shè)計(jì)工程師來說，編程是應(yīng)用難點(diǎn)。即會(huì)設(shè)計(jì)又會(huì)編程的人才極少，致使CAD中的編程工具利用率極低。低代碼編程設(shè)計(jì)平臺(tái)將是未來的方向。

PART community在線三維零部件模型庫提供國內(nèi)外廠商的零部件產(chǎn)品模型。他們沒有在模型設(shè)計(jì)生成上使用智能算法，而是加持智能AI“猜你喜歡”、模型智能比較等推薦、選型助手功能幫用戶選型。

nTopology 是目前CAD市場上比較智能化的軟件，它背后有很多算法，可以簡化用戶的建模過程，同時(shí)還可以用表格形式把多個(gè)算法串起來定義自己的設(shè)計(jì)工作流，供后續(xù)反復(fù)使用，以實(shí)現(xiàn)相同設(shè)計(jì)任務(wù)的自動(dòng)化。

3）企業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)智能化應(yīng)用

寶馬公司在其BMW VISION NEXT 100概念車中通過智能設(shè)計(jì)算法開發(fā)了汽車動(dòng)態(tài)功能性外表皮和內(nèi)飾，并配合4D打印方式進(jìn)行制造，實(shí)現(xiàn)了超高性能。設(shè)計(jì)工程師們可以想象，如果這樣的動(dòng)態(tài)表皮結(jié)構(gòu)用CAD來建模，難度將會(huì)是多大，又會(huì)耗費(fèi)多少時(shí)間。而用智能算法輔助設(shè)計(jì)，不僅能批量處理所有單元，并引入變化，還可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬。

圖 4 寶馬公司智能算法設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)表皮

機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)例：在很多產(chǎn)品設(shè)計(jì)中都需要做機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，理想的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方式應(yīng)該是動(dòng)態(tài)的。例如機(jī)器人手臂開發(fā)中需要的連桿曲線設(shè)計(jì)，用傳統(tǒng)CAD繪圖設(shè)計(jì)的方法做連桿曲線設(shè)計(jì)比較難，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)更難，需要大量的繪圖工作，而通過按照規(guī)則編寫的算法輔助設(shè)計(jì)就可以免去繪圖，輕松實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)（雙擊圖5觀看動(dòng)圖）。

圖 5 智能連桿曲線設(shè)計(jì)

模具隨形水路智能化自動(dòng)設(shè)計(jì)：隨形水路是增材制造模具獨(dú)有的冷卻結(jié)構(gòu)，它可以顯著提升模具成型零件的質(zhì)量。隨形水路形狀不規(guī)則，每種零件的模具的隨形水路形狀都不同，用傳統(tǒng)CAD繪圖方法設(shè)計(jì)隨形水路非常費(fèi)力耗時(shí)。安世亞太智能化隨形水路自動(dòng)設(shè)計(jì)算法完全免去了手工繪圖，設(shè)計(jì)效率可提升20~100倍。

圖 6 智能化隨形水路自動(dòng)設(shè)計(jì)

大規(guī)模定制鞋自動(dòng)設(shè)計(jì)：當(dāng)前市場上定制鞋還處于手工作坊階段，只能為少數(shù)人服務(wù)。但實(shí)際上每個(gè)人都有定制鞋的潛需求。3D打印等數(shù)字化制造技術(shù)已經(jīng)為定制鞋做好的制造的準(zhǔn)備，現(xiàn)在定制的瓶頸在于設(shè)計(jì)。以制鞋必須的鞋楦為例，現(xiàn)在定制鞋楦主要靠選型方式，特殊腳形的則由鞋楦師手工制作，根本無法滿足大量的定制需求和樣式需求。安世亞太開發(fā)的定制鞋楦自動(dòng)生成算法，只需幾分鐘就可以生成一雙鞋的定制鞋楦模型。這種提升可以使定制鞋業(yè)務(wù)從手工時(shí)代一下子飛躍到自動(dòng)化時(shí)代，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的效率提升幾百倍。

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