Lidští konstruktéři si dnes nechávají od počítače pomáhat zcela běžně. Specializovaný software dokáže relativně snadno a rychle zvládnout úkoly, se kterými by si člověk poradil jen obtížně. Například upravit návrh konstrukce tak, aby výrobek byl co nejlehčí a přitom splňoval dané požadavky na pevnost či v dalších parametrech. Díky modelování se šetří čas, ale také je možné vyrábět méně prototypů.
Metoda má svá omezení daná do značné míry výkonem počítačů. Může se tak využít třeba k důkladné kontrole nějakého menšího komponentu, či naopak méně důkladné kontrole celé konstrukce. Ale s tím, jak výkon počítačů roste, bude se tato hranice posouvat a „umělá inteligence“ (tento termín ovšem používáme velmi volně) reálně dokáže navrhovat celé složité objekty či stroje.
Co to bude znamenat? Přinese to něco nového? Můžeme se těšit na nové, nečekané a na pohled odvážné návrhy „z pera“ počítače? Odpověď na tyto otázky se pokusila naznačit skupina dánských odborníků v posledním čísle časopisu Nature (práce je zde).
Simulovaná evoluce bez zbytečného odpadu
Niels Aage s kolegy z Technické univerzity u Kodaně si zajistili výpočetní čas superpočítače Curie v Bruyères-le-Châtel poblíž Paříže, aby jim od základu vymodeloval celé 27 metrů dlouhé křídlo Boeingu 777. Tým začal s obrysem budoucího křídla optimalizovaným pro maximální vztlak a minimální tah a rozdělil jej na 1,1 miliardy 3D pixelů čili „voxelů“. Dnes se podle autorů v praxi obvykle pracuje s návrhy řádově v milionech voxelů (či méně, samozřejmě) a jde tedy výrazný skok vpřed.
Každý simulovaný „voxel“ měl velikost řádově v desetinách milimetru (ne všechny byly stejně veliké). Počítač nesměl hýbat s pevnou svrchní vrstvou křídla, které bylo navrženo aerodynamicky optimálně pro daný účel, s vnitřními prvky si mohl „hrát“ podle libosti. Algoritmus nejprve simuloval rozložení sil v komponentu při různé zátěži a tuto analýzu bez lidského zásahu několiksetkrát opakoval. Při každém opakování návrh vylepšoval, takže jde o proces, který hodně připomíná evoluci - jen díky tomu, že jednotlivé mezistupně se nemusí fyzicky vyrábět, jde o proces velmi výrazně rychlejší.
Porovnání počítačem vytvořeného návrhu se strukturou v zobáku zoborožce.
Výsledná podoba návrhu se od dnes běžně vyráběných křídel liší již na pohled - tedy pokud nahlédnete dovnitř. Uvidíte složité, organicky působící tvary, které připomínají snad křídelní kosti ptáků či pletivo rostlin. Nosné konstrukce na náběžné hraně křídla zase vypadají jako vnitřní struktura zobáku. Křídlo má stejnou tuhost jako křídlo běžné „777ky“, ale podle údajně opatrného odhadu autorů je má o 2-5 % menší hmotnost. V praxi by to byla váhová úspora v řádech stovek kilogramů, která s sebou nese zase úsporu desítek a možná i několika stovek tun paliva za rok. Což není na pohled mnoho, ale jde pouze o křídla, navíc v průmyslu s tak nízkými maržemi, jako je letecká doprava, by to pro dopravce byla zajímavá čísla.
Generativní návrh je v začátcích
Postup se navíc samozřejmě může použít také u jiných komplexních návrhů a výsledky v některých případech mohou být třeba ještě zajímavější. Aage pro časopis Nature navrhuje například kontrolu konstrukce budov v zemětřesných zónách.
Ale kdo ví, podobně podrobné simulace jsou opravdu novou „hračkou“ a zatím jsou kvůli své výpočetní náročnosti notně nedokonalé. Dánský tým ve své simulaci tak zanedbal některé aspekty, které by se musely u skutečně praktického návrhu ověřovat. Ale existuje celá řada metod, jak běh softwaru optimalizovat, výkon počítačů nejspíše také nadále poroste, a tak je těžké dnes určit, kam tento obor dospěje.
Firma Airbus například v roce 2015 ve spolupráci s firmou Autodesk předvedl, jak konkrétně může generativní design pomoci při řešení zcela konkrétního problému. V tomto případě počítač hledal, jak vytvořit přepážku v letadle Airbus, která musela splňovat konkrétní požadavky: být výrazně lehčí, než současné řešení, být dostatečně silná, aby k ní mohly být připevněny dvě sedačky pro personál (tzv. jump seat), být tenká a být ke konstrukci letadla upevněna na čtyřech místech.
Ukázka zrychleného průběhu generativního designu včetně průběžných simulací
Počítačový progam prošel desetitisícem generací a vyprodukoval tisíce návrhů. Konstruktéři je pak manuálně prošli, porovnali jejich parametry a simulované výsledky a následně tuto přepážku vytiskli na 3D tiskárně.
Boeing se nepochybně na výrobu nových typů křídel podle počítačem vytvořeného návrhu určitě nevrhne, na to je příliš složitý. Pomohla by obří 3D tiskárna, ale autoři neví o tom, že by v potřebných rozměrech dnes někde existovala. Ale co není, může být. Navíc v podobných případech nejde o praktickou použitelnost, ale o inspiraci pro konstruktéry, ať už stávající, či budoucí.
Aktualizace: Do článku jsme doplnili další příklady generativního designu.
