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在近几十年的全球化进程中，品牌商通过非常通用的产品设计，提供满足尽可能多的全球消费者需求的商品。（比如宜家家居的家具或H&M的服装。）
然而，定制制造的产品，甚至是我们亲手制作的产品，往往被赋予更高的感知价值。（想象一下你或你的孩子多年后仍然珍爱的手工制作的杯子。）
如果我们可以将定制和批量生产结合起来怎么办？使用人工智能和算法软件，可以大规模实现个性化的概念。让我们看一个例子：
△这个展示项目是使用人工智能提示制作的，从气泡的概念开始（来源：Nik Lee）
泡泡鞋概念
孩子们喜欢吹泡泡和穿有趣的鞋子。想象一下，让客户能够在线设计和订购一双独特的定制合脚泡泡图案鞋（如上图所示）是多么有吸引力。
首先，他们会使用简单的智能手机应用程序扫描脚部，以便将鞋子制成正确的尺寸。随后，孩子用一根吸管对着电脑的麦克风吹气，在鞋子的表面形成独特的气泡设计。当吹出的噪音被记录下来时，气泡就会长大并四处移动。一旦孩子对设计感到满意，鞋子设计模型就会被发送到大规模 3D 打印过程。
计算设计软件将使这一概念成为可能。让我们来看看这项技术到底是什么。
什么是计算设计？
△计算机生成的形状与自然界中发现的形状惊人地相似（来源：Nik Lee）
计算设计是一种计算机辅助设计（CAD）方法，它使用算法和参数的组合来自动计算产品的结构。它不是人工智能 (AI)，因为软件不会做出选择或学习，但计算设计可以利用人工智能技术和工具，例如生成算法、进化优化和机器学习，来增强设计过程并创造更高效的产品、创新和定制的解决方案。
通过计算设计，通过将数值添加到预定义参数来生成模型。设计师不绘制或应用形状。与传统的静态设计不同，计算设计是流动的和动态的，这意味着它可以通过输入新数据不断改变。每个新数据都可以通过在参数之间建立各种关系来影响所有其他数据。
我们已经在实践中看到了这一点。再看看3D 打印矫形支架公司 ActiveArmor：该公司通过使用计算设计和软件公司 Twikit 的平台，输入患者数据，包括解剖尺寸、损伤类型和医生规定的运动限制，以生成完全定制的支架设计，比为个人手工设计要快得多的过程。
△ActiveArmor 为医疗保健专业人员提供了一种订购适合每位患者生物识别数据和治疗计划的定制 3D 打印支架的方法（来源：ActiveArmor）
计算设计是一个涵盖多个设计过程的总称，包括参数化设计、算法设计、生成设计和拓扑优化。尽管计算设计中的方法相互融合，但它们可以分为三个主要类别： - 参数化设计是指将参数链接在一起形成组或节点。当一个值改变时，它会自动改变其他相关值。这样，可以在预定义的边界内快速计算设计，例如保持制造所需的尺寸。
- 算法设计比这更进一步。施加约束，然后使用复杂的软件算法来生成设计。想象一下，您正在改变建筑物的形状，当您改变形状时，算法将自动更改建筑物立面上的面板设计和布局。
- 生成式设计比人工智能设计更进一步。在这种情况下，您首先定义边界，例如自行车车轮的外缘，然后定义内部边界，在本例中是车轴。然后，您定义负载要求和预期的材料类型。生成软件将在这两个领域之间架起桥梁，提供一系列可能的设计结果，供用户根据最坚固的形状和使用最少量的材料进行选择。
- 拓扑优化与生成设计属于同一类别，但并不相同。通过地形优化，您还可以定义体积。然后，软件计算可以从此体积中移除的材料。两种方法都可以以不同的方式进行控制，但是，实际结构由软件算法决定。
用于计算设计实现的技术可以产生非常复杂的形式，通常模仿自然界中发现的试错过程。
△大众汽车集团重新设计的 1962 Microbus（来源：大众汽车）
从历史上看，由于传统制造技术的限制，这些设计很难或不可能生产。但随着增材制造的进步，现在可以大规模生产具有高质量表面光洁度的复杂而独特的结构。它为消费品（例如消费电子产品、时尚、家居用品和家具）的计算产品设计开辟了巨大的空间和新的机会。
从历史上看，由于传统制造技术的限制，这些设计很难或不可能生产。但随着增材制造的进步，现在可以大规模生产具有高质量表面光洁度的复杂而独特的结构。它为消费品（例如消费电子产品、时尚、家居用品和家具）的计算产品设计开辟了巨大的空间和新的机会。
计算设计的常见用途
△Ocado 的杂货拣货机器人中超过一半的部件都针对 3D 打印进行了拓扑优化，使其整体更轻，从而消耗更少的能源并降低总体成本。3D 打印还使得在全球范围内生产它们变得更加容易（来源：Ocado Group）
如今，计算设计技术广泛应用于制造和许多消费品中。这些产品受益于参数化建模、生成设计、模拟和其他计算工具的功能。
在机器人、汽车和航空航天应用中，计算设计可用于减少零件数量、提高强度重量比、提高导热性等。较轻的部件可减少能耗，因此使用时更便宜。
在体育用品中，头盔等设备是使用计算工具设计的，通过根据运动优化冲击吸收并根据运动员的头部形状和尺寸定制来提高性能。
计算设计在医学应用中有很多用途。例如，可以用于内部的骨骼替代品和外部的假肢以及骨折治疗。在所有这些情况下，当身体部位的大小和形状可以驱动设计时，这是非常有益的。
△采用晶格结构的 3D 打印自行车组件降低了整体重量（来源：Nik Lee）
专注于增材制造消费品计算设计的DesignFAM公司目前正在进行的一个项目使用精密工程算法来生产自行车部件。没有使用固体金属部件，而是使用轻质网格结构来减轻重量。根据特定区域所需的应力要求，使用软件增加或减少晶格结构的厚度。
自行车设计是功能驱动的机械产品的一个很好的例子，其中视觉设计也很重要。许多场驱动的晶格结构为产品设计提供了新颖且极具视觉吸引力的外观。
△这项研究探讨了如果让计算机使用地形优化来定义形状，家具会是什么样子（来源：Nik Lee）
DesignFAM与 3D 打印机制造商 BigRep 合作的另一个项目是一项概念研究（如上图所示），目的是看看如果我们让计算机定义形状，家具会是什么样子。通过使用nTop的地形优化软件输入参数，例如家具需要承受的重量，以找到使用最少材料的优化形状。通过使用这种工程方法，可以创建独特且不寻常的形式，这些形式既具有视觉吸引力，又具有准确的功能。
理论上，自行车车架的设计可以满足个人的需求。它将使用最少的材料来满足用户产生的最大力。因此，专为较轻骑手设计的自行车将需要更少的材料，从而以更低的成本、更少的浪费制造出更轻的自行车。
我们在新的Posedla 自行车鞍座中看到了类似的东西。顾客坐在Smiling臀部套件中，拍摄印记照片并将其上传至在线配置器。然后，算法使用扫描数据和客户数据来设计鞍座刚度、形状和压力区域。
△GO 是一款定制的 3D 打印消费轮椅，旨在满足各种残疾人和生活方式的个人需求（来源：Layer）
形式、功能和质地
下图显示了一项研究，研究算法如何通过对软件进行编程来模拟随时间的增长而创建独特的图案和纹理。这些模拟创建了自然界中发现的模式的数字复制。这种方法所生成的每种产品都可能略有不同，类似于皮革或木材的微妙独特性。
△使用模拟有机生长的设计算法设置生成的纹理示例可应用于定制产品，例如灯具或家具（来源：Nik Lee）
人造材料如塑料制成的产品之一的问题在于它们看起来非常普通。人们倾向于与独特的事物建立更紧密的联系。这是天然材料看起来和感觉如此出色的部分原因。像大理石这样的材料具有巨大的不规则性 - 每个部分都有一个原始的图案，因此是独一无二的 - 这被视为使用该材料的价值。
当用算法设计一个3D打印物体时，每个部分都可以不同，那么为什么不进一步让纹理也不同呢？
使用什么软件进行计算设计？
实际上，很难衡量究竟哪一款软件是最流行的计算实现设计软件。广泛了解所有参数化和程序化软件至关重要，从Fusion 360等机械设计平台到用于动画和游戏设计的软件Houdini 。这里推荐 Blender 作为一个很好的起点，因为它是开源的，是一个很好的全能程序，并且可以免费下载。
计算设计与增材制造
△使用生成人工智能程序 Midjourney 进行计算设计灯罩的研究（来源：Nik Lee）
增材制造自上世纪80年代引入计算机辅助设计（CAD）以来，引发了设计领域最大的变革。它为设计师提供了重新思考设计方法的机会。与围绕生产和材料限制展开设计不同，我们现在可以专注于设计能够与我们的身体和周围环境完美融合的产品。这将持续导致产品的外观和触感发生巨大变化。
计算机实现的物理产品设计与3D打印紧密相连。这是为了大规模生产以快速高效的方式设计独特个体产品的唯一途径。3D打印机可以直接从数字文件打印数十甚至数百个独特零件，无需模具或工具，这是其他任何制造技术都无法做到的。
计算机辅助设计技术能够生成非常复杂的零件。传统制造技术，如注塑、铸造和数控铣削，在制造复杂的内部通道方面极为有限。在大多数情况下，你的数字设计必须分成几个较小的实体进行传统制造，然后再进行组装，或者你将不得不修改设计，使其适用于加工等技术。
计算设计的未来是什么？
将计算机辅助设计用于消费品的未来充满了令人兴奋的可能性。通过利用数据，我们有机会在大规模范围内设计个性化定制的产品。
借助互联网，可以从多个来源实时收集数据。我们的需求、习惯和偏好，这些定义了我们个性的因素，都可以被捕捉并用来定义产品。甚至在产品的整个生命周期中，显示其使用情况的数据也可以被提取出来，然后用于改进未来的版本。
身体的扫描测量将继续在可穿戴产品的设计中发挥重要作用，尤其是随着扫描技术的改进。
随着新的原型成为可能，精美图案的产品可以完美地贴合身体，可以是珠宝，甚至是3D纹身。
来自环境的数据可以用来指导设计。例如，来自特定位置的天气、噪音和交通数据可以用来帮助设计可持续的住宅。在3D打印房屋时，空气流通管道可以正确地布置，以实现夏季的自然空调，墙壁厚度可以配置以减轻噪音，屋顶形状可以优化以适应太阳能电池板和雨水收集。
在未来，也许产品可以自动设计，以适应您不断变化的生活方式和习惯。鞋子可以每双打印出来，适应您不同的需求。
在未来，也许产品可以根据你不断变化的生活方式和习惯进行自动化设计。鞋子可以根据当天的天气、你将步行的地形、活动水平、日程安排以及你的情感状态，在每个早晨进行打印制作。
最后的想法可能有些牵强，但通过使用数据和算法来计算设计，不管我们是否想要推进到那么远的程度，这种程度的定制都是可能的。
计算机辅助设计在设计过程中提供了一个巨大的转变。除了功能上的优势外，它还将导致全新且有趣的形式，这些形式是独特的消费者特有的。这是一个远离极简主义、通用设计的机会，朝着更符合你的个性的产品迈进。从而实现更紧密的连接——类似于20世纪之前制作的精美手工产品——同时仍然在制造商经济可行的范围内。
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