какие выделяют методы генеративного дизайна в built environment
Генеративный дизайн: на пороге новой эпохи проектирования
Представляем вашему вниманию информационную статью о новых технологиях проектирования от наших коллег из Siemens PLM Software.
Генеративный дизайн – принципиально новая технология проектирования. Основана она на применении программного обеспечения, способного самостоятельно, без участия конструктора, генерировать трехмерные модели, отвечающие заданным условиям. Фактически в системе «человек – машина» компьютеру передаются творческие функции, и он с ними отлично справляется.
UPD: Если вас заинтересовала технология, то 25 января в 14:00 по московскому времени компания Siemens PLM Software проведут вебинар с демонстрацией технологии генеративного дизайна. Приглашаем на регистрацию: cad-expert.ru/meropriyatiya/vebinary/generativnyy-dizayn/?utm_source=habr&utm_medium=article&utm_campaign=new_tech_web
Эта технология уже начинает применяться в качестве основного инструмента автоматизированного проектирования. Причиной тому рост вычислительных возможностей и чрезвычайно быстрое развитие 3D-печати – технологии, в полной мере способной к производству деталей и объектов, разработанных с помощью нового инструмента.
Сегодня стоимость 3D-печати и цена 3D-принтеров уже снизились до уровня, позволяющего говорить о промышленном производстве на их основе. Что касается возможностей тандема «генеративный дизайн – аддитивные технологии», то они таковы, что ряд аналитиков именует их применение не иначе как очередной промышленной революцией.
Взглянув хотя бы на несколько объектов, смоделированных с помощью генеративного дизайна и воплощенных посредством аддитивных технологий (рис. 1-3), в это совсем нетрудно поверить.
Рис. 1. Пешеходный мост через канал в Амстердаме. Проект компании MX3D 
Рис. 2. Кроссовки известного бренда. Распределение и форма пор рассчитаны по технологии генеративного моделирования
Рис. 3. Элемент конструкции швейной машины Bernina (красный цвет). Форма оптимизирована
Специализированное ПО для генеративного дизайна отличается высокой мощностью и может применяться в различных отраслях производства. У него много плюсов, но не менее перспективны и приложения, встроенные в функционал САПР. Такие решения позволят проектировщикам получать результаты быстро и на качественно новом уровне, но оставаясь при этом в своей системе моделирования. Свой вариант такого функционала предложила компания Siemens PLM Software.
Генеративное моделирование в Solid Edge ST10
Для машиностроения особый интерес представляет оптимизация топологии – она приносит мгновенный эффект в виде экономии материалов и энергоресурсов, а также увеличения производительности. Именно этот вид генеративного дизайна реализован в Solid Edge ST10.
Топологическая оптимизация представляет собой поиск оптимальной формы детали при заданных условиях закрепления и нагружения. Подчеркнем, что оптимальной в данном случае считается форма, обеспечивающая наименьший вес.
В Solid Edge ST10 при запуске генеративного проектирования конструктор указывает область, в пределах которой будет формироваться деталь. Для этого задается ее приблизительная форма. На ней фиксируется расположение элементов крепления; указываются области, которые не должны меняться, и нагрузка. Далее с помощью открывающегося диалогового окна конструктор задает процент снижения массы, коэффициент запаса по прочности.
Рис. 4. Топологическая оптимизация в Solid Edge ST10. С помощью генеративного моделирования создается деталь с минимальной массой, отвечающая исходным требованиям по прочности и схеме крепления
В этом же окне задается еще один важный параметр генеративного моделирования – время работы программы. От него зависит точность получаемой модели, поскольку именно он ограничивает количество итераций.
Решение, полученное в результате топологической оптимизации, имеет фасетный вид. Можно сразу же отправить его на 3D-печать, но функционал Solid Edge ST10 этим не ограничивается. В десятой версии впервые применяется технология объединенного моделирования (Convergent Modeling): BREP и фасетное представление объединяются в одной модели, что дает возможность редактировать продукт генеративного дизайна.
По завершении процесса оптимизации работа над деталью может быть продолжена. Никаких действий, связанных с «проблемным» переводом сетки в точное представление, не требуется. Конструктор может добавлять и убирать какие-то элементы, могут выполняться Булевы операции; если идет работа над сборкой, то возможно вычитание тела одной детали из другой и т.д. Сеточное представление при этом постоянно обновляется.
Таким образом, Solid Edge ST10 не просто обеспечивает применение качественно новой технологии генеративного моделирования, но еще и предлагает удобную возможность модификации результата.
Компьютерная оптимизация топологии дает удивительные и совершенно необычные варианты геометрии. Она позволяет снизить вес изделий без ухудшения прочностных характеристик, оптимизировать расход материала, соответственно снижая стоимость изделия. Однако при всем этом сразу же возникает вопрос о технологичности продукта.
Действительно, даже беглого взгляда на оптимизированную модель (рис. 4) достаточно, чтобы убедиться в неприменимости здесь традиционных способов обработки металлов резанием и давлением. Единственное, на что можно рассчитывать, – это литье, технологию весьма энергоемкую и проблемную с точки зрения экологии. Есть ли смысл в такой оптимизации и в чем революционность Solid Edge ST10?
Уже сейчас можно сделать вполне обоснованный прогноз, что производство без лучших технологий цифрового моделирования и 3D-печати обречено на проигрыш в конкурентной борьбе. В таких обстоятельствах применение топологической оптимизации становится даже не преимуществом, а скорее условием выживания компаний.
Сказанное можно дополнить еще одним аргументом в пользу топологической оптимизации. Дело в том, что она дает наилучший по заданным условиям вариант, а такой вариант всегда интересен и полезен разработчику – даже в отсутствие возможностей его реализации. Пусть идеала достичь нельзя, но можно к нему приблизиться, создавая модели под традиционные технологии. Для этого Solid Edge ST10 располагает одним из самых эффективных в мире арсеналов проектирования.
Что мы знаем о Generative Design — самом перспективном тренде промдизайна
1. Широкий выбор
Суть технологии Generative Design в том, что промышленный дизайнер или инженер загружает в программу технические требования и параметры проекта, а компьютер обрабатывает полученные сведения и выдает сотни вариантов решений. Человек в силу своих физических возможностей просто не способен на такое. При этом алгоритм не оперирует принципиально новыми идеями. Он предлагает оптимальные варианты исходя из того, что уже придумано человеком. Из них дизайнеру или инженеру надо выбрать лучший.
2. Экономия сил и времени
«С помощью Generative Design мы можем сказать «нет» рутине», — подчеркивает директор дизайн-студии 2050.ЛАБ Максим Чащин. С ним согласен шеф-дизайнер Алексей Шаршаков. По его словам, применение новых технологий смещает акценты в работе. Меняется роль дизайнера или инженера: он все больше размышляет не над самой задачей, а над тем, как ее поставить перед машиной.
По словам Шаршакова, технология не заменит человеческий труд или интеллект. Компьютер лишь позволяет перебрать множество вариантов «на берегу». Не надо изготавливать деталь, нагружать ее, тратить на это массу материалов, сил и времени. «Элемент творчества остается на стороне человека», — добавляет Чащин. Причем времени на него становится больше.
3. Сближение инженеров и дизайнеров
Главная роль Generative Design — это объединение, сплав креативной работы дизайнеров и более практичного подхода инженеров для создания качественного промышленного продукта.
Раньше дизайнеры размышляли о качестве изделия, стараясь дать потребителю эстетику и эмоции. Бывало, выдвигались предложения, которые на практике сложно воплотить. Инженеры же всегда думали о том, как создать идеально работающий объект, но не всегда до конца осознавали, зачем нужны эмоции. Благодаря новой технологии появилась возможность сблизить позиции, объединить усилия в создании идеально работающего продукта с новыми эстетическими качествами.
Generative design дает возможность для обмена идеями, выбора оптимальных решений. Благодаря облачным технологиям профессии объединяются: инженеры становятся более креативными, у них появляется инструмент для эффективного сотрудничества с коллегами, которые в современных условиях могут находиться за сотни километров от них.
4. Новые технологии = новые качества
Технология Generative Design неразрывно связана с аддитивными технологиями, 3D-печатью, и этот вид производства также развивается сейчас довольно быстро. Дополнительным стимулом стали новые условия жизни, когда в 2020 году между государствами вновь выросли границы, а связи между производством комплектующих и сборкой, расположенными в разных странах, потеряли былую крепость.
Если еще несколько лет назад качество продукции, созданной при помощи послойного выращивания, оставляло желать лучшего, то сегодня 3D-печать становится массовым способом производства. Аддитивные технологии применяются в выпуске высокотехнологичной продукции, деталей, которые должны выдерживать большие нагрузки. Чтобы идти дальше, нужны новые технологии для проектирования конструкций нового поколения: легкие, прочные, надежные. И Generative Design подходит для этого.
Создание новых материалов ускорит развитие производств, где используются новые технологии. Проректор по науке и инновациям НИТУ «МИСиС» Михаил Филонов на круглом столе в рамках подведения итогов Всероссийского конкурса генеративного дизайна, организованного 2050.ЛАБ, отметил, что в вузе активно развивают направление цифрового материаловедения. Студенты не просто учатся синтезировать новые материалы, придумывать их формулы. Прежде всего, они учатся дизайн-мышлению, которое помогает находить зачастую необычные, но эффективные решения даже сложных задач.
5. Красота и практичность
Детали и узлы, созданные при помощи технологии generative gesign, легко узнать по внешнему виду. Большинство из них довольно футуристичной формы, выглядят необычно. Кроме того, новая технология позволяет делать детали прочнее, но материала на их изготовление расходуется, как правило, меньше, чем при использовании традиционных технологий производства.
Мировая экспансия
Генеративный дизайн активно развивается в наукоемких и сложных производствах. По словам Павла Медведева, «евангелиста» Autodesk Fusion 360, одного из инструментов генеративного дизайна, целый ряд практических кейсов применения Generative Design связан с транспортом в самом широком смысле слова. Например, недавно компания «Декатлон» представила велосипед, рама которого подгоняется под пользователя с помощью 3D-печати.
Подписывайтесь также на Telegram-канал РБК Тренды и будьте в курсе актуальных тенденций и прогнозов о будущем технологий, эко-номики, образования и инноваций.
Генеративное искусство: с чего начать
Вместо вступления
Генеративное искусство, как и любая тема из мира технологий, может быть пугающей, если вы никогда не пробовали её использовать в деле. Но я думаю, что каждый может оценить концепцию произведений искусства, которые буквально создают сами себя.
«Парящие линии в глубоком космосе». Генеративное произведение искусства Мигеля Нето и Родриго Карвальо.
Что такое генеративное искусство?
Генеративное искусство относится к любой художественной практике, где программист-художник создает процесс, например, процедурное устройство, которое затем запускается в действие с определенным уровнем автономии, и в итоге создает произведение искусства.
Таким образом, мы можем сказать, что это искусство, созданное с помощью кода с одной отличительной чертой: оно в той или иной мере включает в себя саморегулируемую или автономную систему.
Автономная система независимо определяет особенности произведения искусства.
Источник: https://www.instagram.com/generative.hut/
Случайность
Случайность — один из видов автономной системы.
Добавляя случайные события в код-арт, вы получаете разные, совершенно уникальные произведения искусства каждый раз, когда запускаете скрипт.
Существуют и более упорядоченные автономные системы. Например, фрактал Мандельброта, полученный из обманчиво простого уравнения.
Множество Мандельброта — это математическая формула, которая обладает потрясающими эстетическими свойствами при визуализации.
Хаос и порядок
Произведение искусства становится совместной работой компьютера и художника.
При использовании автономной системы художник отказывается от контроля над творчеством, и компьютер делает это за него. Но при этом художник будет вовлечен в настройку системы для получения более желаемых результатов.
Процесс включает в себя эксперименты и счастливые случайности, что в корне меняет роль как программиста, так и художника.
Почему стоит попробовать?
Не все pet-проекты равноценны, и генеративное искусство может быть не тем, на что вы склонны тратить время. Но если вы решитесь, можете рассчитывать на бенефиты:
Опыт. Это крутая возможность отточить старые навыки и приобрести новые. В этот список входят алгоритмы, структуры данных и новые языки.
Эффектные проекты. Думаю, у всех был опыт объяснения своего pet-проекта, когда ты добавляешь большую эмоциональную окраску словам, чтобы просто донести усилия и результаты проекта. Генеративное искусство говорит само за себя. Большинство людей будут сражены вашим творением, даже если не смогут полностью понять методы.
С чего начать?
Сперва — идея, затем технологии. Что это будет за объект? Графика, музыка или даже видео? Когда у вас есть идея объекта, переходите к технологиям.
Что сейчас используют художники?
Processing. Среда программирования, основанная на Java. Художникам нравится Processing, потому что он позволяет легко вносить изменения в свой «эскиз» или программу и видеть, что происходит. Processing также обладает большими возможностями программирования и ориентирован на создание визуального искусства.
JavaScript, p5.js. Библиотека p5.js делает упор на доступность программирования для художников, дизайнеров и новичков. p5.js представляет собой обертку для API Canvas и упрощает многие математические вычисления. Библиотека ориентирована на визуальное искусство, но вы также можете использовать ее для работы со звуком или видео.
Любой другой язык, который вам нравится, с дополнительными библиотеками-модулями для определенного типа объектов искусства.
Где искать вдохновение?
DevArt — торжество искусства, созданного с помощью кода.
Glitch — среда разработки, которая живет в вашем браузере и деплоит код по мере ввода.
p5 demos — примеры использования p5.js для генеративного искусства, графики и дизайна.
Сообщество сreative-dev в Slack.
Ресурсы
Неважно, новичок вы или профессионал в области искусства/инженерии, который просто заинтригован завораживающими узорами генеративного искусства, вот несколько способов научиться чему-то новому
Будущее инженерии: что такое генеративный дизайн и как его использовать
Инженер-механик в Alpha Tek Automation
В современной механике без генеративного дизайна никуда: он помогает находить решения, которые очень сложно или даже невозможно придумать, упрощает оптимизацию существующих конструкций и значительно экономит ваше время.
Что такое генеративный дизайн, где его применяют, и как он связан с 3D-печатью — рассказывает инженер-механик Alpha Tek Automation Давид Айвазян.
Что такое генеративный дизайн?
Генеративный дизайн (Generative design) — это командная работа человека и компьютера. Обычно программы используются только как инструменты, но в генеративном дизайне они — полноценные участники творческого процесса.
Это не значит, что программа может обойтись без участия человека — над проектом все равно должен работать опытный инженер.
Создание решения с помощью генеративного дизайна происходит так:
Генеративный дизайн — пример синергии человека и компьютерной программы. Тем, кто боится развития технологий из-за возможного восстания машин с искусственным интеллектом, рекомендую присмотреться к этому методу.
Здесь программы не соревнуются с людьми за работу, а помогают формулировать промежуточные решения. Формулировать техническое задание, придумывать изначальную идею проекта и доводить его до идеала — привилегия человека.
Решения, сделанные при помощи генеративного дизайна, напоминают природные формы, но доработанные и завершенные.
Пользователям результат такого подхода, часто кажется причудливым на вид. Несмотря на это, генеративный дизайн дает преимущества исполнителю проекта и создает новую эстетику.
Чем так хорош генеративный дизайн
С помощью генеративного дизайна проектируют оптимизированные объекты. Он позволяет без временных потерь учитывать свойства материалов, нагрузки на изделие и другие параметры.
Расскажи, как цифровая трансформация изменила твой бизнес
При помощи генеративного дизайна получаются такие решения, до которых человек вряд ли бы додумался самостоятельно.
Генеративный дизайн дает инженеру гарантию, что на основе виртуального прототипа детали можно сразу отправлять в производство.
В других подходах, чтобы быть уверенным в валидности прототипа, его нужно отдельно протестировать (Stress–strain analysis). Так генеративный дизайн сохраняет время проектировщика и деньги компании.
С помощью генеративного дизайна можно создать новый проект или оптимизировать уже существующий.
Благодаря генеративному дизайну, свойства материалов учитываются уже на этапе создания проекта. Подходящий прототип создается безошибочно, с первого раза, также программа подсказывает, как уменьшить вес или объемы изделия, без потери его свойств.
Если полученный результат требует изменений, проектировщик просто вносит в программу новые ограничения. Каждый представленный программой вариант в любом случае будет на 100% соответствовать заданию, которое внесли изначально.
С помощью генеративного дизайна, инженер выходит за рамки привычного восприятия и работает с решениями, которые ранее не создавались.
Каждый проект, который создали с помощью такого подхода, уникален. У программы нет шаблонов, стереотипов или готовых решений — только ограничения, которые проектировщик задает на первом этапе работы.
Топологическая оптимизация и генеративный дизайн: в чем разница?
Генеративный дизайн использует топологическую оптимизацию (проще говоря, совершенствование конструкции с помощью специального алгоритма), но не каждый проект, созданный с учетом оптимизации топологии, пример генеративного дизайна.
До промышленного использования generative design принципы топологической оптимизации применялись для создания теоретически максимально удачного проекта.
Вот только на практике реализовать такой вариант в некоторых случаях было невозможно.
Каждый проект, который создали с помощью генеративного дизайна, оптимизирован на 100% и идеален с точки зрения соответствия ограничениям.
Это технологический прорыв. Теперь инженерия не должна выбирать между функциональностью и экономичностью.
Кроме того, топологическая оптимизация требует наличия готовой 3D-модели.
Чтобы оптимизировать прототип, проектировщик вводит в программу необходимые условия, и она просчитывает варианты оптимизации изделия внутри этих ограничений.
Затем инженер возвращается к проекту, вносит изменения, которые рекомендовала программа, и проверяет, чтобы в результате этих изменений физические свойства объекта не отклонились от нужных значений.
При топологической оптимизации изменяется только внешний вид конструкции, а материалы и «идея» остаются такими же.
Генеративный дизайн не требует готовой 3D-модели. Программа создает прототип с нуля по ограничениям, заданным проектировщиком.
Генеративный дизайн позволяет заменить узел из нескольких деталей, на узел из одной детали, который будет работать как минимум не хуже, а то и лучше.
Топологическая оптимизация предлагает единственный вариант оптимизации одной модели, а генеративный дизайн предлагает до десяти вариантов изделия — на выбор.
Какие программы использовать?
Fusion 360
Программа работает просто:
Creo Generative Design
Программа работает по тому же принципу, что и Fusion 360.
Ее особенность — облачный модуль GDX, с помощью которого можно параллельно создавать несколько конструкций из разных материалов и с использованием разных сценариев производства.
Также Creo предлагает специальный модуль для топологической оптимизации — Creo Topology Optimization.
nTop Platform
Эта платформа была разработана компанией nTopology в 2017 году. Она подходит для коллаборации команды инженеров в одной среде.
Ее можно использовать не только для генеративного дизайна, но и для топологической оптимизации. Программа постоянно получает обновления и дополняется новыми функциями.
Siemens NX
В NX можно работать как с 2D, так и с 3D моделями, она позволяет без потерь переносить информацию из других CAD-систем.
Генеративный дизайн и 3D печать
3D-печать открывает новые возможности для генеративного дизайна, она воплощает в жизнь решения, которые до этого невозможно было реализовать из-за особенностей оборудования.
3D-печать совершила прорыв в изготовлении изделий из металла или полимеров.
Прежние технологии литья и механической обработки не справлялись с созданием геометрических форм, созданных с помощью генеративного дизайна.
Теперь эти формы делают из пластика, сплава или металла на 3D-принтерах. У полимерных принтеров даже есть возможность менять материалы в процессе печати, чтобы деталь функционировала еще лучше.
Еще 10 лет назад многие современные решения в разных сферах, от строительства до медицины, казались невозможными.
Модели, которые создают с помощью генеративного дизайна и 3D-печати эффективны, а в некоторых случаях и сравнительно дешевы по сравнению с традиционными методами производства.
Пример синергии 3D печати и генеративного дизайна в японском электромобиле WHILL: был уменьшен вес емкости для батареи — самого тяжелого участка в портативной автономной коляске для инвалидов.
В 2015 году New Balance и студия дизайна Nervous System разработали новый материал, максимально оптимизированный для бегунов. Из него сделали кроссовки, а подошвы для них напечатали на 3D-принтере.
Кому нужен генеративный дизайн?
В стоматологии и в протезировании генеративный дизайн позволяет создавать легкие, почти неощутимые, но функциональные конструкции.
В перспективе он поможет в разработке искусственных внутренних органов и точного воссоздания тканей. Возможно, эта технология поможет и протезированию сосудов.
Решения генеративного дизайна для конечных потребителей очень функциональны, и привлекают внимание за счет необычного внешнего вида.
Им почти не нужен маркетинг, а их срок эксплуатации выше в сравнении со стандартно изготовленными изделиями.
Генеративное проектирование позволяет создать идеальную планировку помещений, сократить количество сотрудников, занятых проектом и оптимизировать затраты.
Генеративный дизайн позволяет воплощать оптимальные целевые решения: например, построить оперный театр с лучшей акустикой в мире.
Я считаю, за генеративным дизайном будущее. Он позволяет выйти за рамки стандартных подходов и при этом получить оптимизированный результат благодаря взаимодействию человека и программы.
Человечеству пора привыкнуть к необычным формам результатов генеративного дизайна. В них есть своя эстетика, хотя ее пока нельзя считать базовой для потребителя.
Но если генеративный дизайн продолжит показывать отличные результаты, применять его станут еще чаще, так что образ продукта генеративного дизайна рано или поздно прочно войдет в массовое сознание.