将人类与人工智能融合在结构设计中
一个寻求人类专家反馈的过程比单独运行的自动化系统更有效地进行优化
现代制造工具如三维打印机可以制造出结构材料的形状，这些形状在传统工具下很难或不可能制造。同时，新的生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完全针对其目的进行优化的设计，例如在重量与强度之间提供最大的强度或最小化支撑给定负载所需的材料量。而完全手动的设计则需要耗费时间和人力。
现在，麻省理工学院的研究人员找到了一种同时实现这两种方法的最佳方式。他们使用了自动化设计系统，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进行微调或调整，然后让计算机恢复其设计过程。引入一些这样的迭代产生了比仅使用自动化系统设计的结果更好的结果，并且与完全手动的方法相比，该过程更快地完成。
这些结果本周在《结构与多学科优化》杂志上报告，在由麻省理工博士生Dat Ha和土木与环境工程助理教授Josephine Carstensen撰写的论文中介绍。
Carstensen解释说，这种基本方法可以应用于广泛的规模和应用程序，用于设计从生物医学设备到纳米材料到摩天大楼的结构支撑构件。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制造东西，如果我们能制造任何我们想要的东西，为什么不把它做得更好呢？”她问道。
“这是一种利用我们可以以比过去更复杂的方式制造物品的方式，”Ha说道，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工业，在这些行业中，减轻重量同时保持结构强度是一个关键需求。
“你可以从组件中卸下很多重量，在这两个行业中，一切都受重量驱动，”他说。在某些情况下，例如不可见的内部组件，外观是无关紧要的，但对于其他结构，美学也可能很重要。新系统使得可以为视觉和机械属性优化设计，在这样的决策中，人类的触感是必不可少的。
作为他们的过程演示，研究人员设计了许多结构承载梁，例如可能在建筑物或桥梁中使用的梁。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，因此他们选择了该特征，并要求程序解决它。然后，计算机系统相应地修改了设计，删除了突出的支撑杆并加强了其他支撑杆以进行补偿，并导致了改进的最终设计。
这个过程称为人为信息的拓扑优化，它从设置所需的规格开始，例如，梁需要这么长，在其末端支撑在两个点上，并且必须支撑这么多的载荷。“当我们看到结构在计算机屏幕上响应初始规格时，”Carstensen说，“我们中断设计并要求用户进行评估。用户可以选择，例如，“我不喜欢这个区域，我希望你加强或减少此功能大小要求。”然后算法考虑到用户的输入。”
虽然结果不像完全严格但明显较慢的设计算法所产生的结果那样理想，但她说，它可能比仅快速自动化设计系统生成的结果好得多。“你得不到完美的东西，但这不一定是目标。我们可以展示的是，我们可以用十分钟的时间得到比起点更好的结果，而不是使用几个小时来得到结果。”
该系统可以根据任何所需属性优化设计，而不仅仅是强度和重量。例如，它可以用于最小化断裂或屈曲，或通过软化角来减少材料中的应力。
Carstensen说：“我们不是要取代七小时的解决方案。如果您拥有所有时间和所有资源，显然您可以运行这些解决方案，它将为您提供最佳解决方案。”但是对于许多情况，例如在具有有限计算能力的战区或灾难救援区域中设计设备的替代零件，“然后这种直接满足您需求的解决方案将占主导地位。”
同样地，对于那些在本质上是“小本经营”企业中制造设备的小公司来说，这样一个简化的系统可能是最佳选择。卡斯滕森说，他们开发的新系统不仅在较小的计算机上运行简单高效，而且需要的培训也要少得多才能产生有用的结果。她表示，适用于设计基本梁和结构零件的基本二维软件版本现在可以在网上免费获得，而该团队继续开发完整的三维版本。
“卡斯滕森教授的研究和工具的潜在应用非常不同寻常，”伦敦帝国理工大学土木和环境工程教授克里斯蒂安·马拉加-乔基塔伊佩说道，他与这项工作无关。“通过这项工作，她的团队正在为实现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’）融入到严谨而计算高效的拓扑优化过程中，人类工程师有可能以前所未有的方式引导优化结构构造的创造，”他补充说。“她的发现有可能改变工程师处理‘日常’设计任务的方式。”
