生成式设计是否预示着工程师的死亡?

法国索尼计算机科学实验室的工程师们开发了一台名为“DeepBach”的计算机，它可以学习并复制巴赫的赞美诗风格。这些编曲由四个和声部分组成，DeepBach能够生成与巴赫风格非常相似的新作品，以至于包括专业音乐家在内的测试小组在很多情况下无法将巴赫的作品与计算机生成的冒名顶替者区分开来。

同样，华威大学(University of Warwick)的研究人员最近创建了一种算法，可以将风景图像的美丽程度从1到10进行评分。美似乎不再存在于观察者的眼中——它有一个数字决定的位置。如果巴赫还活着，并依靠他的音乐才能获得合理的收入，他可能会担心数字篡位者会让他失去工作。

这些发展提出了一个令人不安的问题——同样天赋异禀的计算机现在是否已经不再需要工程师和设计师了?

这听起来有些宿命论，也不那么现实，但毫无疑问，从最广泛的意义上讲，计算机辅助设计软件已经突飞猛进。一屋子的绘图人员，每个人都在自己的部分工作，现在已经被少数CAD工程师所取代，他们通常对项目有更广泛的模型视角。

但是从绘图板到CAD工作站的转变最初是关于将过程数字化，然后添加计算机环境促进的速度和便利性的所有功能。仍然是工程师在做工程。

几十年前首次引入的拓扑优化是基于有限元分析(FEA)的。它本质上包括定义设计的包络——基本尺寸、材料、关键加载标准——并产生优化模型。由于它已经存在了一段时间，能力已经变得更加先进。例如，有更复杂的组件，多种加载属性和不同的制造方法。

GRM是一家公司，既是优化软件的提供商，也是作为工程咨询公司的用户。总经理Martin Gambling说，拓扑优化是公司业务的重要组成部分，但它并不总是答案:“我们的主要学习目标是教我们的咨询工程师知道什么时候应用优化，什么时候不应用。我们在一开始就使用拓扑和其他优化方法，也通过开发程序。具体来说，我们使用它来指导我们进行初始设计概念，为改进无法满足性能的设计提供见解，并消除FEA分析师工作中的劳动密集型迭代步骤。”

那么，既然这些工具在航空航天和汽车工业中广为人知，为什么不是每个人都在使用它们呢?部分原因是优化是最小化结构的理想选择——去掉重量。一架飞机或一辆汽车在一生中节省几克燃料是相当可观的，而在大多数其他行业，这不是一个问题。然而，博格斯将他的手指指向别处:“意识可能是主要原因。”

人们的意识即将改变，尽管是以一个新的名字。根据博格斯的说法，生成式设计与拓扑优化相同，但有一个更适合设计师的名字。他说:“这个新名字相当不错，因为‘优化’这个词经常让人们不去考虑技术。该技术的唯一扩展是，一些CAD供应商正在开发非常强大的工具，将优化结果转换为固体几何，然后在理论上可以直接制造。”

这项新技术是所有主要CAD供应商都在关注的，在某些情况下，它被过滤到他们软件的最新版本中。西门子NX全球营销主管保罗•布朗(Paul Brown)认为，这种变化更为戏剧性:“拓扑优化已经存在多年。问题是，最终的结果对工程师来说，充其量是一个很好的建议，但往往会出现一些奇怪和古怪的形状。

“我们现在看到的是一系列拓扑优化工具的出现，让你可以开始使用几何图形。这些算法的形状更具逻辑性和可用性。”

布朗承认，西门子在这项技术上的首次尝试并没有取得巨大的成功，但它确实开始显示出可以从设计中去除材料的领域。

部分问题在于，所有这些模型都是由小平面、小三角形组成的，在建立基础模型时，这些小三角形并不总是那么有用。

正如博格斯所说，西门子正在为其CAD软件包开发转换模型。Brown说:“转换建模允许您开始使用这些面数据以及常规的适当的固体数据，即CAD中数学上精确的表面。转换建模将这两者融合在一起，我们已经将其嵌入到NX和Solid Edge中，试图开始向整个生成式设计环境迈进。”

这种软件允许在设计过程的任何阶段进行干预，可能产生数千个优化设计。布朗继续说:“你可以决定，我喜欢这个，但另一个可能更符合标准，但它看起来很丑或看起来很愚蠢——这是一个完整的平衡行为。

“幸运的是，我们还没有达到完全自主设计的阶段，否则这个世界会变得很可怕。但我们现在可以帮助设计师进行许多不同的迭代。然后，他们可以决定采用哪一种，并开始使用常规CAD建模，以扩展系统返回的信息。”

CAD世界的另一个主要参与者Autodesk一直在开发自己的解决方案Dreamcatcher。它本身并不是一个产品;该应用程序正被引入到该公司的增材制造解决方案NetFabb设计中，并将随着时间的推移出现在其CAD环境Fusion 360、Inventor和AutoCAD中。

欧特克增材产品和制造平台总监本杰明•施劳文(Benjamin Schrauwen)认为:“这是工程设计的一种范式转变，就像CAD最初被引入时一样。”他声称拓扑优化在一般产品设计中还没有普及，因为你需要成为航空工程师或汽车工程师才能理解这种技术——它们太复杂了。

“你需要成为网格划分方面的专家，使用最先进的模拟来使用拓扑的复杂性。但现在生成式设计是一种设计范式的分化——它帮助工程师探索他们自己不会做的设计替代方案。”

生成式设计目前只适用于单个组件。进一步发展，它将能够处理更复杂的组件和整个组件。它能设计出一个完整的引擎或汽车吗?Schrauwen说:“这真的是太遥远了，无法预测，但我可以肯定地看到它被用于塑造底盘和优化车身部分。”

这里的关键是，它将适应典型工程师的线性设计工作流程——不是取代工程功能，只是加快它的速度。Schrauwen补充道:“整个设计过程可以更短、更高效，这可以成为当今最大限度缩短上市时间的真正推动力。”

就生成式设计而言，有几个因素属于“使能技术”的范畴。首先是云计算。通过模拟和迭代的过程，生成式设计所需的计算机处理能力将超过一般的工作站。使用云的无限资源可以开放生成式设计，即使进一步的CAD工作从云中取出并返回到地面。

其次，增材制造技术和材料的快速发展使其成为生成式设计的完美生产合作伙伴。以前，从拓扑优化过程中得到的模型的问题是，从工程角度来看，它们可能是理想的承重部件，但如果它们不能被制造出来，那就没什么用处了。高迪风格的作品通常很难用传统的机器或成型工艺制造。

这种限制不适用于增材制造——它几乎可以制造任何东西，无论形状多么奇怪和美妙。由于增材制造仍然是一个相对缓慢的过程，而且它并不打算将制造转移到另一种工艺，只要生产运行时间不会太长，增材制造就给了产品设计师更多的灵活性，可以摆脱制造方法施加的限制。

增材制造本身并不是一成不变的。领先的供应商正在开发可以在一次运行中打印具有多种颜色和材料特性的模型的机器。惠普甚至演示了如何使用其Multi Jet Fusion平台打印嵌入应变计的链环。

布朗说:“如果你能打印出具有多种属性、多种行为的部件，那就为设计开辟了一个全新的世界。”“事实上，它打开了一个全新的世界，能够以不同的方式制作机电部件，在这种情况下，生成可以跨越所有学科。我认为，随着一些支持性技术的出现，比如增材技术，这将为生成设计提供更多的功能，人们将开始探索使用它的新途径。”

如果软件的工作是优化，那么这是否意味着所有使用生成设计软件的设计都开始看起来一样——香草效应?

Schrauwen说:“是的，我认为首先可能是这样。“当我们在AutoCAD中引入新的建筑功能时，这很有趣;你可以根据某些建筑的特征来判断它们是什么时候设计的。我认为，当人们可以使用生成式设计来做一个完整的设计时，很可能会有一段时间的相似之处，但当设计师对软件更加熟悉，当然在更复杂的设计中，尤其是当产品的美学很重要时，这种情况就会改变。”

布朗同意人类仍将是创造性关键的观点:“任何东西都必须是美学的，因为你如何教一些东西欣赏美学?我们在教会设计师什么是赏心悦目的，什么不是上有很多问题。”

华威大学(University of Warwick)的研究团队正在用风景欣赏算法解决这一问题，但将有吸引力的设计转化为适合所有产品的工作要困难得多。Brown对生成式设计发展的一个方向给出了深刻的见解。“我认为每个关注生成式设计的供应商目前都在研究机器学习相关的东西。我不会告诉你我们现在已经有了NX或Solid Edge的机器学习解决方案，但这是我们愿景的一部分。

“当我们进行设计时，你提出了一个你认为是好的想法，那么系统应该理解你所经历的决策过程，从中学习并实际应用它。我们有很多关于机器学习的研究项目正在进行中。它的分析不仅仅局限于几何和拓扑，它还涉及成本、材料选择、美学等主题，而且随着我们的发展，它也会学习，变得更加智能。”

有一些功能日益强大的早期设计包正被引入市场，这得益于触屏的本能特性。想法可以在平板电脑上勾勒出来，这些概念可以转化为可行的CAD模型，供工程师开发。但是，如果生成设计被用于从概念图中创建模型呢?然后，一个想法就变成了一个完成的、优化的产品，而无需工程师亲自动手。这现实吗?

“是啊!Schrauwen说。“但我们离实现这一目标还有很长的路要走，即使到那时，也只可能实现更简单的产品。”

博弈论还有进一步的担忧，年轻的工程师可能会依赖这些工具，而不考虑为什么结构是从生成设计进化而来的。对工程基础知识的缺乏理解可以通过使用这些新设计工具的功能来掩盖。“我们试图教会我们的工程师思考呈现给他们的结果。开发这些工具的人几乎有责任教育他们帮助优秀的工程师，而不是取代他们，尽管这将是一个困难的话题，”Gambling评论道。

尽管人们担心生成式设计可能会取代一些工程师的知识，但它取代工程师的危险似乎不大。Brown总结道:“生成式设计是工程的下一步，但它的好坏取决于你给它的约束条件。工程师总是有一席之地的——尤其是复杂和高精度的零件。

“在计算机软件取代工程师的技能集之前，还有很长的路要走，但生成设计是一个让工程师的生活更轻松的伟大工具。”

案例研究:生成式设计的应用

空中客车客舱隔板

空客(Airbus)使用Autodesk的生成式设计设计了一种机舱隔板，该隔板将从明年起出现在其A320飞机上。

(1)通过使用基于哺乳动物骨骼生长的算法得出的设计。

(2)与现有分区相比的压力测试。

(3)正在清理3d打印部件。

(4)由此产生的隔断，比现有的面板轻45%。