MIT研究人员在3D打印中整合人工智能，实现直接墨水书写的闭环控制

导读：随着增材制造技术的不断发展，与之相关的应用程序和技术也变得越来越复杂。即使是对于在增材制造领域有着丰富经验的工人，有时操作也很困难，特别是涉及到为3D打印调整参数的过程，这往往会需要大量人力资源和高昂的成本。3D打印的成功需要有合适的打印速度和相当的材料数量匹配，这些参数取决于技术和材料。

2022年8月11日，南极熊获悉，为了在未来更容易解决打印参数修正的挑战，麻省理工学院（MIT）的研究人员现在已经使用人工智能（AI）来简化这些问题。

研究人员开发的这种特殊人工智能是一个机器学习系统，目的是防止3D打印中材料加工内的潜在错误，并在必要时实时纠正它们，而且不需要人类的协助。首先，最重要的是，这个学习系统已经通过模拟学习了一个神经网络，以便它能够理解哪些参数是正确的打印参数。经过无数次的测试和试验，麻省理工学院的研究人员终于将他们的系统应用于一台3D打印机的实践中，结果令人惊讶：由于匹配了合适的参数，3D打印的零件比平时要精确得多。

△数据显示了打印过程中可能出现的不完美和问题。图片来源：麻省理工学院

为什么人工智能会被应用于3D打印？

由来自机械工程、电子工程和计算机科学等领域的成员组成的研究团队在研究中一直有一个明确的目标：简化3D打印，从而也使公司更容易将新材料整合到他们的3D打印过程中，并对不断变化的材料或环境条件作出完美反应，从而不再对过程产生任何影响。主要作者以及麻省理工学院电气工程和计算机科学教授、计算机科学和人工智能实验室（CSAIL）内的计算设计和制造小组（CDFG）负责人Wojciech Matusik补充说："这个项目确实是建立一个使用机器学习来学习复杂控制策略的制造系统的第一个示范。如果你有更智能的制造机器，它们可以实时适应工作场所不断变化的环境，以提高产量或系统的准确性。你可以从机器中汲取到更多有用的东西"。

麻省理工学院的研究人员现如今面临着一个特别大的挑战，即最佳的打印参数根据特定的情况而改变，这也意味着他们必须考虑材料在其他环境中的行为，与其他硬件的关系，甚至是否是新的批次。为了帮助他们了解3D打印机打印过程中的实时情况，本项目开发了一个机器视觉系统，该系统有两个摄像头，它们的焦点一直在打印机的喷嘴上，在打印时记录材料的特性。然后对所提供的图像进行处理，以调整和避免在其余过程中记录的缺陷。

通向成功的AI模拟之路

为了训练所开发的系统，研究人员使用 "试验和错误 "的原则进行了系统调试，其任务是让系统自己选择正确的压力参数。如果发生错误，通常是因为系统在打印时使用的材料过多或过少。研究人员还观察到，3D打印过程在人工智能中的帮助下，经过几次模拟打印，展示出了更准确的结果。

然而，现实世界不是模拟，这已不是什么秘密。为了同样解决这个问题，研究人员还创建了一个数字模型，将3D打印机的噪音等因素考虑在内，这样他们就可以将打印过程中出现的所有细节纳入他们的系统。一位研究人员评论说："我们发现的有趣的事情是，通过实施这个噪音模型，我们能够将纯粹在模拟中训练的控制策略转移到硬件上，而不需要用任何物理实验进行训练。之后我们不需要在实际设备上做任何微调。"