淺談衍生式設(shè)計的影響及其應(yīng)用

萬 月（武漢大學(xué)城市設(shè)計學(xué)院，湖北 武漢 430072）

一、衍生式設(shè)計的概述

傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計是設(shè)計師運用創(chuàng)意靈感，在紙上或是計算機上進行草圖繪制和定稿渲染，可以得出一個或幾個設(shè)計方案；而衍生式設(shè)計，則是計算機與設(shè)計師一同設(shè)計：在軟件中輸入設(shè)計目標和約束參數(shù)，軟件利用人工智能算法和云計算能力，生成符合參數(shù)條件的成百上千種設(shè)計方案供使用者挑選。衍生式設(shè)計是模仿自然的進化的設(shè)計方法。

衍生式設(shè)計的步驟：

①設(shè)計師輸入想要設(shè)計的產(chǎn)品，并且加上約束條件，如重量、成本、材質(zhì)、強度等。

②計算機使用算法和AI生產(chǎn)數(shù)千種設(shè)計，并同時對每種設(shè)計進行性能分析和推薦。

③設(shè)計師研究計算機給出的設(shè)計方案選項，并在需要時增減設(shè)計目標、修改參數(shù)。這使得設(shè)計師可以進入設(shè)計迭代環(huán)節(jié)，計算機使用AI來創(chuàng)建預(yù)先驗證的解決方案。

④導(dǎo)出文件，生成原型。設(shè)計師或工程師運用3D打印或其他方法進行產(chǎn)品制造，若對結(jié)果不滿意，或希望探索其他選項，可以根據(jù)需要重復(fù)第三步。

二、衍生式設(shè)計帶來的影響

隨著計算機技術(shù)的進步，AI、大數(shù)據(jù)、云計算、深度學(xué)習(xí)算法和應(yīng)用的發(fā)展，衍生式設(shè)計作為一個全新的、高科技的設(shè)計方法被應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域。衍生式設(shè)計在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域從提及到具體應(yīng)用大致有一年的時間。

通過輸入目標物品加以條件約束，便能生成數(shù)種設(shè)計方案供使用者挑選。生成的方案符合人體力學(xué)、物體受力、材料等關(guān)于物理化學(xué)生物等方面的應(yīng)用性，這使得使用者或者是設(shè)計師不必須在設(shè)計之前學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，大大降低工業(yè)設(shè)計師的門檻；也能解決一些設(shè)計師設(shè)計出來的產(chǎn)品只滿足于美觀效果而無法投入到實際應(yīng)用的問題；可以消除設(shè)計師或使用者由于自身或環(huán)境因素帶來的認知和設(shè)計的局限，計算機給出的方案大多是正常設(shè)計師難以想象出來的擁有不尋常的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的作品，并且在理性的審美下，作品也有著較強的美感。

相較于正常設(shè)計師，使用衍生式設(shè)計的設(shè)計師可以快速完成初稿乃至終稿的設(shè)計，幾乎不存在設(shè)計圖紙無法實現(xiàn)或應(yīng)用的問題，在工業(yè)項目的完成效率上占據(jù)了很大優(yōu)勢。甚至對于不涉及到較復(fù)雜工程的項目來說，設(shè)計師可以被審美能力較強的決策者代替。所以，對于使用原來設(shè)計方法的設(shè)計師來說，影響是比較大的。在不久的將來，熟練使用并在此基礎(chǔ)上探索與眾不同的設(shè)計方式對于他們來說將是必須的事情。

對于工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域，衍生式設(shè)計帶來了更多可能性，結(jié)合先進制造技術(shù)能完成之前難以完成的工業(yè)項目。當然在三四年甚至十幾年內(nèi)，衍生式設(shè)計基本上只會對涉及高新科技、國防軍工、航空航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域造成影響。而對于其他工業(yè)設(shè)計方向造成的影響幾乎可以忽略不計，但是可以在這些方向提前進行探索研究，搶占未來趨勢的先鋒。

三、衍生式設(shè)計的應(yīng)用分析

1.通用公司與Autodesk合作

2018年，通用汽車公司與Autodesk進行合作，目標是以衍生式設(shè)計和增材制造為核心技術(shù)開發(fā)未來的乘用車和貨車，并且包括開發(fā)更高效、更輕盈的電動驅(qū)動系統(tǒng)和零排放車型。①

在最初的概念驗證項目中，工程師們利用衍生式設(shè)計技術(shù)重新構(gòu)思了一個微小但十分重要的汽車部件--用于固定安全帶的座椅托架。根據(jù)工程師們設(shè)定的約束參數(shù)（例如需要的連接點、部件的強度和質(zhì)量），軟件經(jīng)過云計算生成了150多種可行的備選設(shè)計方案。設(shè)計出這些極其復(fù)雜的有機結(jié)構(gòu)，是人類能力難以做到的。與此同時，衍生式設(shè)計還顯示出了它的另一項優(yōu)勢——部件整合，即新部件將原本為8個不同的部件整合成了一個一體化的零件，這會大幅縮短產(chǎn)品開發(fā)流程。再通過3D打印出的該一體化零件，實現(xiàn)零部件的重量減輕40%的同時零部件的強度增加了20%。

圖1 固定安全帶的座椅支架

按照通用汽車公司對未來的設(shè)想，汽車及其他車型將實現(xiàn)減重減材，這樣不僅能節(jié)省燃油、減少尾氣排放、為車主省錢，還能增加電動汽車的續(xù)航里程，并為車主提供更加寬敞的車內(nèi)空間。

2.空中客車公司與Autodesk合作

早在2015年，航空巨頭空中客車公司與Autodesk合作，為其空客A320飛機開發(fā)了一個大尺寸的“仿生”機艙隔離結(jié)構(gòu)。它是用一種被稱為Scalmalloy的新型超強且輕質(zhì)合金材料，使用直接金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)3D打印而成的。與之前的隔離結(jié)構(gòu)相比，新型的仿生隔離結(jié)構(gòu)由幾個不同的部件組成，不僅強度更大、質(zhì)量是原來的一半，而且每塊隔板所需材料減少了95%。據(jù)估算一年可節(jié)約燃油3180 kg，每架空客 A320一年可減少碳排放166噸。②

但是由于制造方面的各種變數(shù)以及材料的要求，制造新的隔板需要改變整體制造的流程。隨著歐特克衍生式設(shè)計技術(shù)的成熟，空中客車可以使用衍生式設(shè)計為隔板創(chuàng)建一個3D打印的塑料模型，然后將零件鑄造成可用于飛行的合金。第二代仿生隔板與第一代的設(shè)計一樣堅固和輕巧，并且更加適合批量生產(chǎn)。

“修改后的設(shè)計大幅提升了仿生隔板的生產(chǎn)可行性。目前，第一個原型已經(jīng)投入生產(chǎn)，我們希望能在今年年底之前完成這項工作。”一直負責(zé)領(lǐng)導(dǎo)與歐特克合作的空中客車設(shè)計師Bastian Schaefer表示，“當下，工藝和技術(shù)的發(fā)展，讓我們到了可以更低的成本制造多個單元的階段。”

目前，空中客車正在使用衍生式設(shè)計來重新考慮構(gòu)建飛機的其他結(jié)構(gòu)部件，包括A320垂直尾翼（VTP）的前緣。VTP的功能是提供方向穩(wěn)定性，并減少由側(cè)向移動引起的空氣動力學(xué)低效的情況。

由于衍生式設(shè)計對于飛機結(jié)構(gòu)部件的改進起到了積極的作用，空中客車開始探索其對其他業(yè)務(wù)的影響。2019年年初，空中客車的團隊開始考慮如何將衍生式設(shè)計應(yīng)用于其工廠的建筑設(shè)計、環(huán)境布局和工作流程。

一直負責(zé)領(lǐng)導(dǎo)與歐特克合作的空中客車設(shè)計師Bastian Schaefer表示：“衍生式設(shè)計正在幫助我們創(chuàng)建更可持續(xù)的建筑設(shè)計，讓我們可以更好地考慮關(guān)鍵的人為因素和工作條件。通過克服先入為主的觀念和盲點，它還擴展了我們的思維方式和設(shè)計方法。我們知道，無論我們選擇哪種設(shè)計，這座工廠都將會更有效地運作，并且建造成本也將會得到降低?！?/p>

圖2 “仿生”機艙隔離結(jié)構(gòu)——Autodesk

圖3 基于衍生式設(shè)計的 3D打印垂直尾翼

3. NASA登陸倉

在好奇號之后，NASA研究團著手于研究可以一直飛往土星和木星的衛(wèi)星的登陸器，如何將登陸器輕量化成為了十分重要的問題。NASA派出研究團隊與歐特克研究團隊進行研發(fā)工作，應(yīng)用了衍生式設(shè)計，并使用 CNC銑削和消失模等多種非3 D打印的加工方式（航天領(lǐng)域不允許3D打印部件），在保證強度的基礎(chǔ)上減重了35%。2018年11月，第一版登陸器的登陸倉樣機在美國AU現(xiàn)場發(fā)布。③

圖4 第一版登陸器的登陸倉樣機

結(jié)語

雖然在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域“衍生式設(shè)計”是一個較新的名詞，但是其在視覺傳達設(shè)計、建筑設(shè)計、環(huán)境設(shè)計等領(lǐng)域已存在二十多年。由于技術(shù)及環(huán)境所限，衍生式設(shè)計在這些領(lǐng)域的研究較為緩慢，直至近幾年才有所提升。借鑒其在這些領(lǐng)域的發(fā)展過程或許可以加速在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域的普及速度。

衍生式設(shè)計對于工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域具有一定沖擊力，在和新型制造技術(shù)結(jié)合后，對于一些工業(yè)設(shè)計方向的影響就比較大了，這是未來的工業(yè)制造趨勢。隨著制造技術(shù)和計算機技術(shù)的提升，衍生式設(shè)計會更加普及化、大眾化；設(shè)計師或工程師的入門門檻會在某些方面上大幅降低。在未來，衍生式設(shè)計的消費品也許可以以定制化的形式出現(xiàn)在大眾面前。

目前而言，衍生式設(shè)計在國內(nèi)外高校、企業(yè)和政府研究機構(gòu)中進行小范圍的實驗和應(yīng)用。能夠進行衍生式設(shè)計技術(shù)的軟件對于高校學(xué)生有免費試用的不多名額，不能進行商業(yè)使用。對于有著商業(yè)用途的人或公司，目前無法在官網(wǎng)下載正版軟件。因為衍生式設(shè)計技術(shù)涉及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)及軍工產(chǎn)業(yè)，所以目前國內(nèi)在此技術(shù)的應(yīng)用僅限于高校研究。所以對于傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計師而言，在衍生式設(shè)計未普及之前想好如何進行“轉(zhuǎn)型”，運用設(shè)計師作為兼顧理性和感性的人的無法被計算機取代的獨特優(yōu)勢來走另一條涉及但別于衍生式設(shè)計的路是目前需要做的事情。例如用獨特的造型象征特定的文化的設(shè)計，使產(chǎn)品的使用目的不只在于輕量化等方面，而是使產(chǎn)品在一定的成本范圍內(nèi)有著具有象征意義的但對于計算機算法而言“多余”的組成部分，并且這些組成部分對于整個產(chǎn)品的理念而言是必須的。這就要依靠設(shè)計師天馬行空的想象能力了。這也是目前而言計算機及其他技術(shù)無法做到的事情。

注釋：

① http：//www.chinacar.com.cn/newsview199679.html.

② http：//www.dsti.net/Information/News/98161.

③ https：//www.sohu.com/a/328352388_99895555.