智能制造術(shù)語（編號847）

英文：Generative Design

中文：創(chuàng)成式設(shè)計(jì)

（本詞條由《智能制造術(shù)語》編寫組收錄，版權(quán)歸《知識自動(dòng)化》所有。歡迎業(yè)內(nèi)提出建議。）

“CAD是一個(gè)謊言”，AutoDesk高管曾經(jīng)如此調(diào)侃到，“創(chuàng)成式設(shè)計(jì)正在讓它變得真正名符其實(shí)”。

該技術(shù)狂人緊接著說，“除非能讓計(jì)算機(jī)明白你想要什么，怎樣去演繹，否則的話，計(jì)算機(jī)唯一能干的事，就是幫你寫文檔。”

智能制造術(shù)語定義

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)是一個(gè)人機(jī)交互、軟件自我創(chuàng)新的過程。軟件根據(jù)輸入者的設(shè)計(jì)意圖，根據(jù)“良性”的問題結(jié)構(gòu)以及外部約束，通過“創(chuàng)成式”系統(tǒng)，生成潛在的可行性設(shè)計(jì)方案幾何模型，然后進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)綜合，從而篩選出設(shè)計(jì)方案推送給設(shè)計(jì)者進(jìn)行最后的決策。

圖1 Dreamcatcher中的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)流程

炫酷的概念，卻是由來已久

意大利米蘭理工大學(xué)創(chuàng)成式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的索杜教授是這個(gè)概念的先驅(qū)。早在1980年代，就提出了以“Generative Design”冠名的藝術(shù)與建筑設(shè)計(jì)理念。在他的筆記中，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)被描述為“一種科學(xué)的藝術(shù)創(chuàng)作過程，這個(gè)過程能夠通過一種類似生物基因編碼的轉(zhuǎn)換最終形成一種人工的世界。這是一種設(shè)計(jì)活動(dòng)，目的不僅僅是要獲得一個(gè)結(jié)果，更要形成一種可以操作的編碼，在演化過程中可以產(chǎn)生無可窮盡的變形體?！?/span>

在澳大利亞莫納什大學(xué)喬-麥寇馬克等人的觀點(diǎn)中，“創(chuàng)成式設(shè)計(jì)”被當(dāng)作“設(shè)計(jì)研究”的一種范式。

“創(chuàng)成式設(shè)計(jì)”將產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的“系統(tǒng)之美”通過產(chǎn)品呈現(xiàn)，激發(fā)起受眾新型的美感體驗(yàn)?！皠?chuàng)成式設(shè)計(jì)”提供了一套世界觀和方法論，促使人們反思設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)品與操作這些中間產(chǎn)品的動(dòng)作是如何聯(lián)結(jié)形成設(shè)計(jì)過程的。在信息技術(shù)泛在的情況下，概念構(gòu)思的過程應(yīng)該從關(guān)注于設(shè)計(jì)對象本身轉(zhuǎn)移到組件、系統(tǒng)和流程三者之間的交互。他們發(fā)現(xiàn)，對“創(chuàng)成式設(shè)計(jì)”的研究大多與“綜合Synthesis”的概念聯(lián)系在一起。“綜合”的語義與自然和自然系統(tǒng)緊密相連。

在自然界中，廣義的“綜合”機(jī)理包括DNA結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)合成與生化機(jī)理。而地球生物展示出的多樣性與自適應(yīng)性，暗示了類似機(jī)理可能會(huì)在設(shè)計(jì)問題中發(fā)揮作用。利用相對簡單的單元能夠通過組合產(chǎn)生新穎、多樣的物種。

因此，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)對新型設(shè)計(jì)文化的形成，具有深遠(yuǎn)的意義。

在NASA Ames研究中心2001年發(fā)布的對模塊化仿生機(jī)器人項(xiàng)目的研究報(bào)告中，把創(chuàng)成式設(shè)計(jì)看作自動(dòng)化設(shè)計(jì)的一種實(shí)現(xiàn)方式。在“開放”的“進(jìn)化”系統(tǒng)支持下，通過對已有設(shè)計(jì)方案的編碼化、構(gòu)件化和重用，生成新的設(shè)計(jì)方案。

麻省理工學(xué)院2008年發(fā)布的一篇討論集成設(shè)計(jì)的論文中，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)被廣義的定義為“產(chǎn)生潛在設(shè)計(jì)方案的基于算法和規(guī)則的流程”。

在英國劍橋大學(xué)2008年一篇名為“微機(jī)電系統(tǒng)基于仿真的集成創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法”的論文中，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法被描述為“一種自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法，通過生成一系列經(jīng)過優(yōu)化和可行性判定的設(shè)計(jì)替代方案，促進(jìn)設(shè)計(jì)綜合，探索性能邊界，擴(kuò)展權(quán)衡空間，減少設(shè)計(jì)時(shí)間，尋求帕累托最優(yōu)的設(shè)計(jì)解。”

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)突破極限

產(chǎn)品技術(shù)的進(jìn)步使大多數(shù)產(chǎn)品尤其是消費(fèi)電子類產(chǎn)品，能夠做到功能與形式的分離。在功能表同質(zhì)化、性能提升逼近物理極限的情況下，在產(chǎn)品形式表達(dá)方面做文章，誘發(fā)消費(fèi)者的追求時(shí)尚、表達(dá)個(gè)性的需求逐漸成為提升產(chǎn)品附加值的重要選項(xiàng)。在產(chǎn)品生命周期日漸縮短的情況下，設(shè)計(jì)方案越來越像是設(shè)計(jì)師和消費(fèi)者之間的交互媒介。

增材制造技術(shù)的進(jìn)步和大范圍應(yīng)用，則意外地將各種美而復(fù)雜的設(shè)計(jì)方案從可制造性約束的束縛中解放出來。

只有想不到的設(shè)計(jì)，沒有造不出來的原型。

大規(guī)模定制需要設(shè)計(jì)師意圖與顧客意圖的強(qiáng)化表達(dá)，需要快速生成高質(zhì)量的設(shè)計(jì)方案，需要在接觸顧客前預(yù)先準(zhǔn)備好大量的設(shè)計(jì)選項(xiàng)。增材制造技術(shù)的發(fā)展也需要越來越多與其獨(dú)特能力相匹配的設(shè)計(jì)方案來消費(fèi)逐漸壯大的增材制造產(chǎn)能。

對于既能強(qiáng)化設(shè)計(jì)概念，又能通過算法運(yùn)用計(jì)算力生成大量設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)來說，工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域就像是為其量身定制的主場。在世界范圍內(nèi)關(guān)于創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的研究中，面向家具行業(yè)大規(guī)模定制的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)研究始終是一個(gè)很重要的主題。而在醫(yī)療和生物制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景更加令人興奮。結(jié)合微納制造、生物工程和增材制造技術(shù)，能夠制造出具有高保真仿生結(jié)構(gòu)的醫(yī)療器械和生物制品。例如仿生骨骼，將會(huì)為廣大骨科患者帶來福音。

圖2 創(chuàng)成式設(shè)計(jì)應(yīng)用案例

在機(jī)械工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法已經(jīng)被大量運(yùn)用。與建筑和家具設(shè)計(jì)不同，在機(jī)械工程領(lǐng)域應(yīng)用創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法時(shí)，會(huì)選擇一種已經(jīng)得到應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式作為初始的設(shè)計(jì)空間，在此基礎(chǔ)上去探索符合設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)意圖的環(huán)境約束。例如，在設(shè)計(jì)賽車底盤的過程中，就可以邀請世界頂級的賽車手駕駛安裝了大量傳感器的賽車在沙漠地形急速行駛，獲取了這種使用條件下的載荷信息，然后根據(jù)這樣的信息定義設(shè)計(jì)問題，從概念開始實(shí)施創(chuàng)成式設(shè)計(jì)流程。作為基本型的舊賽車更多充當(dāng)了設(shè)計(jì)師收集環(huán)境信息、理解設(shè)計(jì)問題的媒介，設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖通過對基型和運(yùn)行條件的選擇體現(xiàn)。

這一點(diǎn)是創(chuàng)成式設(shè)計(jì)與改型設(shè)計(jì)及“再”設(shè)計(jì)的重要區(qū)別。

在香港科技大學(xué)王煜教授2012年對下一代CAD工具的討論中，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)是一種功能驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，重心在于設(shè)計(jì)概念的生成，是CAD\CAE\OPT技術(shù)的三合一。在設(shè)計(jì)空間探索中，體現(xiàn)對正向設(shè)計(jì)（AB-INITIO Designs）和常規(guī)方法難以觸摸之設(shè)計(jì)（Difficult&Hard Design）的追求。在優(yōu)化中，尋求設(shè)計(jì)結(jié)果的高性能和輕量化。在設(shè)計(jì)重用中尋求與現(xiàn)有設(shè)計(jì)組件的結(jié)合，以及對現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案的修改和再設(shè)計(jì)。

圖3 王煜教授提出的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)技術(shù)概念

波音其實(shí)是老主顧

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)領(lǐng)域的新秀FRUSIUM把創(chuàng)成式設(shè)計(jì)則另有描述：設(shè)計(jì)師創(chuàng)建的設(shè)計(jì)空間在應(yīng)用場景、外力約束和設(shè)計(jì)師實(shí)時(shí)篩選三種因素共同作用下，這是一個(gè)縮減過程，設(shè)計(jì)師最終得到的設(shè)計(jì)方案是初始設(shè)計(jì)意圖的強(qiáng)化。

圖4 FRUSIUM的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)原理圖

目前FRUSIUM的Generate創(chuàng)成式設(shè)計(jì)云平臺已經(jīng)被集成進(jìn)西門子新一代NX產(chǎn)品。值得一提的是，這個(gè)成立三年多的創(chuàng)業(yè)公司，其創(chuàng)始人來自AutoDesk和空客合作的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。

波音其實(shí)對創(chuàng)成式設(shè)計(jì)早有安排。波音家自用的Genesis創(chuàng)成式設(shè)計(jì)軟件，從90年代中期即用來支持波音客機(jī)設(shè)計(jì)的流程，已經(jīng)集成進(jìn)波音公司基于知識的統(tǒng)一工程環(huán)境。

圖5 波音公司使用Genesis/KIRIS軟件

設(shè)計(jì)波音767客機(jī)起落架傳動(dòng)系統(tǒng)

終于可以閃亮走到幕前了。Genesis作為衍生式設(shè)計(jì)系統(tǒng)，出現(xiàn)在Jeff的論文里，1992年就有了。但是，波音在2015年才正式對外公布它這個(gè)系統(tǒng)，提出了“使用創(chuàng)成式設(shè)計(jì)和自動(dòng)化推理設(shè)計(jì)航空系統(tǒng)”的口號。在波音公司的定義中，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)是以形狀文法和空間文法概念為基礎(chǔ)的交互式、自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法，支持自動(dòng)化推理，能夠生成設(shè)計(jì)方案并探索設(shè)計(jì)空間。

圖6 波音“設(shè)計(jì)規(guī)則”是創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的核心之一

在項(xiàng)目開始的二十三年之后，波音公司終于正式向外界公布了Genesis/KIRIS基于知識的集成設(shè)計(jì)基礎(chǔ)環(huán)境，并宣稱“創(chuàng)成式設(shè)計(jì)”和“基于知識的工程”是波音工程環(huán)境走向智能化時(shí)代的雙翼。

而在數(shù)字藝術(shù)、建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，Generative Design常被翻譯成“衍生式設(shè)計(jì)”或“生成式設(shè)計(jì)”。有建筑領(lǐng)域的學(xué)者對“衍生式”和“生成式”的語義差異進(jìn)行了辨析，認(rèn)為“生成”的過程，是“形態(tài)衍生”和“性能表現(xiàn)”兩個(gè)因素主導(dǎo)的設(shè)計(jì)過程?！吧墒皆O(shè)計(jì)”是“衍生式設(shè)計(jì)”和“性能驅(qū)動(dòng)式設(shè)計(jì)”的合成。在機(jī)械制造領(lǐng)域，Generative Design被譯作“創(chuàng)成式設(shè)計(jì)”，這一譯名來源于“創(chuàng)成式工藝過程設(shè)計(jì)”，從1980年代開始沿用至今，這里面包括Bentley、大犀牛、甚至還有不出名的Form-Z這些公司。

后記：億人億面

其實(shí)還可以走的更遠(yuǎn)。意大利衍生設(shè)計(jì)工作室MHOX根據(jù)顧客體表特征定制的面甲和裝飾殼，提出了“為70億人定制70億種產(chǎn)品”的響亮口號。

技術(shù)知識豐富了軟件的想象力，而軟件“自行”定義設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果是不可想象的，這一點(diǎn)顛覆了人們對于CAD的全部認(rèn)知。這就是創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的巨大魅力。