迭代一代:设计的新时代

拉斯维加斯是展示未来的理想之地。整个城市都有一种不太可能的气氛，在干旱的内华达沙漠中央点缀着奢华和随意的绿洲。当你看到过山车在摩天大楼的屋顶边缘摇摇欲坠，或者威尼斯圣马可广场的复制品看起来与原作非常接近，直到你走近看才发现大教堂不见了，总督宫的形状错了，天空中的云从不移动，你可能更有可能相信你在展览地板上看到的任何东西。

因此，它是举办技术展览和会议的最佳地点，去年11月，它举办了一年一度的欧特克大学活动，展示了这家制造技术和软件公司的最新创新成果。在这样的环境下，人们看到一只巨大的银蜘蛛蹲在展台上，自然的反应不是“我一定是看到了什么”，而是“我想知道那个有趣的东西是怎么来的”。

大多数工程师现在都熟悉使用增材制造(AM)或3D打印生产的物体的特征外观。由于几何优化设计程序分析了组件的机械应力模式，并确保材料只在需要承受将施加在它们身上的力的地方建造，它们往往看起来有机和骨架，传统机械加工项目的直线轴和角度被横扫曲线、锥形柱和黄蜂腰构件所取代。

尽管增材制造的成本正在快速下降，但它仍然超出了许多(如果不是大多数)制造业公司的能力范围。其他公司不愿意完全重新设计他们的工艺来适应新技术，而对一些公司来说，尤其是航空航天公司，材料性能的认证仍然是一个问题。然而，正如制造技术和软件专家欧特克在拉斯维加斯透露的那样，传统的制造和加工仍然可以提供与新技术相关的一些优势。

该公司表示，实现这一目标的关键是一个被称为生成式设计的过程。它是由计算机化设计的一个基本的——几乎是基本的——属性所驱动的:迭代的能力，将一个设计近似地接近于实现一个功能所需的东西，并一遍又一遍地重复产生它的计算来完善这个设计，使它更接近于一个“理想”的形式。首席执行官安德鲁·阿纳格诺斯特(Andrew Anagnost)解释说，这样一来，它就类似于自然选择理论所解释的进化过程，即每一代后代都使物种更有利于适应其环境利基。

“我们相信生成式设计将成为工程师工具箱中越来越重要的一部分，”Anagnost告诉记者。“它与从设计到制造的数字化工作流程完美契合，我们看到这种工作流程在汽车、航空航天、建筑和我们参与的许多其他行业都占据了主导地位。”

驱动这种设计的基本算法与用于增材制造的几何优化的算法相同，将材料放置在结构中需要承受最大力的点上。然而，生成式设计只是将其视为对最终组件形式的约束。

要制造一件物品的机器的能力被视为附加的限制。设计系统考虑了诸如磨头等工具不会到达的地方。然后，软件迭代其约束条件，包括应力分布和加工能力，通过每组计算改进设计，最终达到优化形状。虽然这种形式可以通过五轴加工、铸造、数控弯曲或制造商选择的任何成形和成型方法来制造，但这些项目往往类似于增材制造部件的鸟骨形式。

这就把我们带回了那只银蜘蛛。它的四条腿由曲线美的阶梯状部分组成，在“膝盖”和“脚踝”处铰接，末端是有机的衬垫。在蜘蛛的胸腔所在的地方，悬挂着一个四四方方的结构，其墙壁类似于头骨的部分。这是一个概念着陆器，用于探索太阳系气态巨行星的岩石和冰冷卫星，由美国宇航局帕萨迪纳喷气推进实验室(JPL)与欧特克合作制造，使用生成设计原理作为数字工作流程的一部分，为传统金属成型设备提供动力。

这是喷气推进实验室首次尝试生成式设计，着陆器比传统着陆器轻三分之一，同时不牺牲任何机械性能，也不需要在有效载荷的功能上做出任何妥协。有效载荷质量一直是空间探索任务中一个重要的考虑因素。每增加一克，就会使有效载荷脱离地球引力并弹射到太阳系内行星以外的地方变得更加困难。

在着陆器结构元件上节省的每一克都可以用于传感器和其他科学仪器。木星和土星的卫星有着复杂的大气，富含有机化学物质，表面覆盖着海洋，它们的环境令人着迷，据信与早期地球的环境相似。行星科学家非常渴望探索它们，寻找生命前兆的迹象。但要实现这一目标，着陆器的设计需要取得重大进展，因此喷气推进实验室与欧特克公司合作，研究其技术是否能有所帮助。

不幸的是，自从联合项目开始以来，预算限制和优先事项的变化导致登陆这些卫星的任务被搁置，但这仍然是美国宇航局未来的目标。这样一项任务的要求是极端的:木星距离地球3.85亿英里，土星距离地球3.81亿英里。它们的卫星表面温度通常是零下数百度，辐射水平是地球的数千倍。

该概念着陆器采用数控加工、增材制造和铸造(用于中心车身部分，唯一的标志是其磨砂表面与高度抛光的机械腿元素相比)，被认为是有史以来使用生成设计制造的最复杂的项目。它宽2.5米，高1米，绝对是最大的企鹅之一。欧特克找到喷气推进实验室来推销这个项目，发现它是一个要求很高的潜在合作伙伴。

“他们很清楚，他们对增量收益不感兴趣:如果他们只能将性能提高10%，他们基本上就不感兴趣了，”行业研究高级主管马克•戴维斯(Mark Davies)表示。戴维斯是最早接触喷气推进实验室的团队之一。“如果我们能够提供软件工具来帮助他们实现30%或更多的性能改进，那么我们就会引起他们的注意。该项目表明，欧特克技术可以在这个层面上实现大规模节约。”

探索新技术是JPL的第二天性。

“他们所做的是小心翼翼地将新技术注入到他们的流程中，”欧特克的技术主管卡尔·威利斯(Karl Willis)说。“他们知道，他们必须探索新的做事方式，同时将风险降到最低。”

在着陆器项目中，喷气推进实验室利用了欧特克之前在其他需要高性能的领域的经验。“我们已经为高性能赛车运动开发了一个定制版本的软件，使我们能够帮助客户一次解决多个限制。然后我们将其应用于JPL需要考虑的问题，”戴维斯说。

“我们采用了为帮助客户解决一级方程式赛车系统级悬架问题而开发的系统，并应用了对空间探索至关重要的结构约束的新要求。这让我们有机会进一步提升软件的功能，帮助我们的客户解决更大、更复杂的问题。”

与物联网(IoT)/工业4.0旗帜下的一些技术相结合，生成设计也被应用于汽车领域。定制汽车制造商Hack Rod是由Felix Holst(前玩具制造商创意副总裁)和Mike“Mouse”McCoy(电影导演和前摩托车赛车手)创立的，对于在项目中使用先进技术和新想法并不陌生。

霍尔斯特和麦考伊决定与欧特克合作，看看它的设计技术是否可以用来创造视觉上引人注目的高性能新车。第一阶段是优化现有设计之一。Hack Rod团队与Autodesk研究员Mickey McManus合作，对一个设计经过验证的现有底盘进行了3D扫描，并将其上传到云端。

然后，他们在底盘上安装了几十个无线传感器，并把它交给一名特技驾驶员，让他在莫哈韦沙漠周围兜风，由一架无人机观察，并捕捉到驾驶景观的3D模型。这产生了一个关于汽车结构和所有作用于它的力的庞大数据集。这些信息随后被发送到欧特克基于云的CAD系统。该系统被称为捕梦网项目，它结合了用户的设计目标、项目的材料类型和可用的制造方法，以及所需的性能标准和成本限制。Dreamcatcher是一个生成式设计系统，它围绕已定义的约束进行迭代，并为用户提供一系列设计选择。

霍尔斯特说:“与云处理一起运行的生成设计的力量超过了人类思维团队所能想到的任何东西。”

与许多生成式设计项目一样，最终的结构看起来很骨架;但不像地球上进化的任何骨骼。该团队使用传统的焊接技术将铬钼钢的底盘组装在一起，最终的结构尺寸为3.6米x 2.1米x 1.2米，重136公斤。围绕底盘的皮肤也是数字化设计的。然而，该项目的全部结果尚未公布。

麦克马纳斯、麦考伊和霍尔斯特通过在莫哈韦沙漠的额外运行，继续完善他们的设计，为捕梦公司提供更多的数据，以改进汽车。尽管这个项目的本质是不断发展的，但该团队相信，它可以形成汽车制造新理念的基础，利用联网传感器的物联网功能和基于云的解决方案来改进设计，并最终推动制造。

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