智能制造術(shù)語（編號847）

英文：Generative Design

中文：創(chuàng)成式設計

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

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

該技術(shù)狂人緊接著說，“除非能讓計算機明白你想要什么，怎樣去演繹，否則的話，計算機唯一能干的事，就是幫你寫文檔?！?/span>

智能制造術(shù)語定義

創(chuàng)成式設計是一個人機交互、軟件自我創(chuàng)新的過程。軟件根據(jù)輸入者的設計意圖，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計方案幾何模型，然后進行自動化設計綜合，從而篩選出設計方案推送給設計者進行最后的決策。

圖1 Dreamcatcher中的創(chuàng)成式設計流程

炫酷的概念，卻是由來已久

意大利米蘭理工大學創(chuàng)成式設計實驗室的索杜教授是這個概念的先驅(qū)。早在1980年代，就提出了以“Generative Design”冠名的藝術(shù)與建筑設計理念。在他的筆記中，創(chuàng)成式設計被描述為“一種科學的藝術(shù)創(chuàng)作過程，這個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。這是一種設計活動，目的不僅僅是要獲得一個結(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。”

在澳大利亞莫納什大學喬-麥寇馬克等人的觀點中，“創(chuàng)成式設計”被當作“設計研究”的一種范式。

“創(chuàng)成式設計”將產(chǎn)品設計過程中的“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?！皠?chuàng)成式設計”提供了一套世界觀和方法論，促使人們反思設計過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)品與操作這些中間產(chǎn)品的動作是如何聯(lián)結(jié)形成設計過程的。在信息技術(shù)泛在的情況下，概念構(gòu)思的過程應該從關(guān)注于設計對象本身轉(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)成式設計”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”機理包括DNA結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)合成與生化機理。而地球生物展示出的多樣性與自適應性，暗示了類似機理可能會在設計問題中發(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)成式設計對新型設計文化的形成，具有深遠的意義。

在NASA Ames研究中心2001年發(fā)布的對模塊化仿生機器人項目的研究報告中，把創(chuàng)成式設計看作自動化設計的一種實現(xiàn)方式。在“開放”的“進化”系統(tǒng)支持下，通過對已有設計方案的編碼化、構(gòu)件化和重用，生成新的設計方案。

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

在英國劍橋大學2008年一篇名為“微機電系統(tǒng)基于仿真的集成創(chuàng)成式設計方法”的論文中，創(chuàng)成式設計方法被描述為“一種自動化設計方法，通過生成一系列經(jīng)過優(yōu)化和可行性判定的設計替代方案，促進設計綜合，探索性能邊界，擴展權(quán)衡空間，減少設計時間，尋求帕累托最優(yōu)的設計解?！?/span>

創(chuàng)成式設計突破極限

產(chǎn)品技術(shù)的進步使大多數(shù)產(chǎn)品尤其是消費電子類產(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)品形式表達方面做文章，誘發(fā)消費者的追求時尚、表達個性的需求逐漸成為提升產(chǎn)品附加值的重要選項。在產(chǎn)品生命周期日漸縮短的情況下，設計方案越來越像是設計師和消費者之間的交互媒介。

增材制造技術(shù)的進步和大范圍應用，則意外地將各種美而復雜的設計方案從可制造性約束的束縛中解放出來。

只有想不到的設計，沒有造不出來的原型。

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

對于既能強化設計概念，又能通過算法運用計算力生成大量設計方案的創(chuàng)成式設計來說，工業(yè)設計領(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)成式設計的研究中，面向家具行業(yè)大規(guī)模定制的創(chuàng)成式設計研究始終是一個很重要的主題。而在醫(yī)療和生物制造領(lǐng)域的應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，將會為廣大骨科患者帶來福音。

圖2 創(chuàng)成式設計應用案例

在機械工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)件設計中，創(chuàng)成式設計方法已經(jīng)被大量運用。與建筑和家具設計不同，在機械工程領(lǐng)域應用創(chuàng)成式設計方法時，會選擇一種已經(jīng)得到應用的結(jié)構(gòu)形式作為初始的設計空間，在此基礎上去探索符合設計者設計意圖的環(huán)境約束。例如，在設計賽車底盤的過程中，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)這樣的信息定義設計問題，從概念開始實施創(chuàng)成式設計流程。作為基本型的舊賽車更多充當了設計師收集環(huán)境信息、理解設計問題的媒介，設計師的設計意圖通過對基型和運行條件的選擇體現(xiàn)。

這一點是創(chuàng)成式設計與改型設計及“再”設計的重要區(qū)別。

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

圖3 王煜教授提出的創(chuàng)成式設計技術(shù)概念

波音其實是老主顧

創(chuàng)成式設計領(lǐng)域的新秀FRUSIUM把創(chuàng)成式設計則另有描述：設計師創(chuàng)建的設計空間在應用場景、外力約束和設計師實時篩選三種因素共同作用下，這是一個縮減過程，設計師最終得到的設計方案是初始設計意圖的強化。

圖4 FRUSIUM的創(chuàng)成式設計原理圖

目前FRUSIUM的Generate創(chuàng)成式設計云平臺已經(jīng)被集成進西門子新一代NX產(chǎn)品。值得一提的是，這個成立三年多的創(chuàng)業(yè)公司，其創(chuàng)始人來自AutoDesk和空客合作的創(chuàng)成式設計團隊。

波音其實對創(chuàng)成式設計早有安排。波音家自用的Genesis創(chuàng)成式設計軟件，從90年代中期即用來支持波音客機設計的流程，已經(jīng)集成進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

設計波音767客機起落架傳動系統(tǒng)

終于可以閃亮走到幕前了。Genesis作為衍生式設計系統(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系統(tǒng)，提出了“使用創(chuàng)成式設計和自動化推理設計航空系統(tǒng)”的口號。在波音公司的定義中，創(chuàng)成式設計是以形狀文法和空間文法概念為基礎的交互式、自動化設計方法，支持自動化推理，能夠生成設計方案并探索設計空間。

圖6 波音“設計規(guī)則”是創(chuàng)成式設計的核心之一

在項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基于知識的集成設計基礎環(huán)境，并宣稱“創(chuàng)成式設計”和“基于知識的工程”是波音工程環(huán)境走向智能化時代的雙翼。

而在數(shù)字藝術(shù)、建筑設計和結(jié)構(gòu)設計領(lǐng)域，Generative Design常被翻譯成“衍生式設計”或“生成式設計”。有建筑領(lǐng)域的學者對“衍生式”和“生成式”的語義差異進行了辨析，認為“生成”的過程，是“形態(tài)衍生”和“性能表現(xiàn)”兩個因素主導的設計過程?！吧墒皆O計”是“衍生式設計”和“性能驅(qū)動式設計”的合成。在機械制造領(lǐng)域，Generative Design被譯作“創(chuàng)成式設計”，這一譯名來源于“創(chuàng)成式工藝過程設計”，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

其實還可以走的更遠。意大利衍生設計工作室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”定義設計。設計結(jié)果是不可想象的，這一點顛覆了人們對于CAD的全部認知。這就是創(chuàng)成式設計的巨大魅力。