在结构设计中将人类与人工智能相结合

3D打印机等现代制造工具可以制造出使用传统工具难以或不可能的形状的结构材料。同时，新的创成式设计系统可以充分利用这种灵活性，为新建筑、汽车或几乎任何其他设备的部件创建创新设计。

但是，这种“黑匣子”自动化系统通常无法产生针对其目的进行完全优化的设计，例如提供与重量成比例的最大强度或最大限度地减少支撑给定负载所需的材料量。另一方面，全手工设计既费时又费力。

现在，麻省理工学院的研究人员已经找到了一种方法来实现这两种方法中最好的一些。他们使用自动化设计系统，但定期停止该过程，以便人类工程师评估正在进行的工作，并在让计算机恢复其设计过程之前进行调整或调整。引入其中一些迭代所产生的结果比单独由自动化系统设计的结果更好，并且与完全手动方法相比，该过程完成得更快。

研究结果本周发表在《结构与多学科优化》杂志上，由麻省理工学院博士生Dat Ha和土木与环境工程助理教授Josephine Carstensen撰写。

Carstensen解释说，基本方法可以应用于广泛的规模和应用，用于从生物医学设备到纳米级材料再到摩天大楼的结构支撑构件的所有设计。自动化设计系统已经发现了许多应用。“如果我们能以更好的方式做事，如果我们能做任何我们想要的东西，为什么不让它变得更好呢?”她问道。

“这是一种利用我们如何以比过去更复杂的方式制造事物的方法，”Ha说，并补充说，自动化设计系统在过去十年中已经开始广泛用于汽车和航空航天行业，在保持结构强度的同时减轻重量是一个关键需求。

“你可以减轻组件的重量，在这两个行业中，一切都是由重量驱动的，”他说。在某些情况下，例如不可见的内部组件，外观无关紧要，但对于其他结构，美学也可能很重要。新系统可以优化视觉和机械性能的设计，在此类决策中，人性化至关重要。

为了演示他们的实际过程，研究人员设计了许多结构承重梁，例如可能用于建筑物或桥梁。在他们的迭代中，他们发现设计有一个可能过早失败的区域，因此他们选择了该功能并要求程序解决它。然后，计算机系统相应地修改了设计，移除了突出显示的支柱并加强了其他一些支柱以进行补偿，并导致改进的最终设计。

这个过程被称为人类知情拓扑优化，首先要列出所需的规格——例如，梁需要有这个长度，在其末端的两个点上支撑，并且必须支撑这么多的负载。“当我们看到结构在计算机屏幕上响应初始规范而演变时，”Carstensen说，“我们中断设计并要求用户判断它。用户可以选择，说，“我不是这个地区的粉丝，我希望你加强或加强这个功能大小要求。然后算法会考虑用户输入。

虽然结果并不像考虑基础物理的完全严格但明显较慢的设计算法可能产生的结果那样理想，但她说，这可能比仅由快速自动化设计系统生成的结果要好得多。“你不会得到同样好的东西，但这不一定是目标。我们可以证明的是，与其用几个小时来得到一些东西，我们可以用10分钟来得到比我们开始时更好的东西。

该系统可用于根据任何所需的属性优化设计，而不仅仅是强度和重量。例如，它可用于最大限度地减少断裂或屈曲，或通过软化边角来减少材料中的应力。

Carstensen说：“我们不打算取代七小时解决方案。如果你拥有世界上所有的时间和所有资源，显然你可以运行这些，它会给你最好的解决方案。但对于许多情况，例如在战区或救灾区为可用计算能力有限的设备设计替换零件，“那么这种直接满足您需求的解决方案将占上风。

同样，对于在本质上是“妈妈和流行”业务中制造设备的小型公司来说，这种简化的系统可能只是门票。Carstensen说，他们开发的新系统不仅在较小的计算机上运行简单高效，而且需要更少的培训才能产生有用的结果。她说，该软件的基本二维版本适用于设计基本梁和结构部件，现在可以在线免费获得，因为该团队继续开发完整的3D版本。

“Carstensen教授的研究和工具的潜在应用非常非凡，”伦敦帝国理工学院土木与环境工程教授Christian Málaga-Chuquitaype说，他与这项工作无关。“通过这项工作，她的团队正在为真正协同的人机设计交互铺平道路。

“通过将工程'直觉'(或工程'判断')集成到严格但计算高效的拓扑优化过程中，人类工程师有可能以我们以前无法获得的方式指导创建最佳结构配置，”他补充道。“她的发现有可能改变工程师处理'日常'设计任务的方式。

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