Алгоритм создает для НАСА невероятные «органические» конструкции, похожие на детали кораблей из «Чужих»
Стоимость космических запусков за последнее два десятилетия сократилась в разы, но доставлять разные вещи на орбиту по-прежнему недешево — самые выгодные предложения SpaceX по-прежнему намного превышают $1000 за килограмм. Таким образом, аэрокосмическая промышленность остается отраслью, где легкость может оправдать практически любые затраты.
В этом контексте немного странно, что НАСА потребовалось так много времени, чтобы начать использовать генеративный дизайн в своих разработках. Еще в 2017 году в программе Autodesk Fusion360 CAD появилась функция, позволяющая дизайнерам набросать проект детали, правильно выполнить все критические измерения, сообщить программе, какие нагрузки и напряжения должна выдерживать деталь и с каких направлений. После этого за дело берется алгоритм, который быстро и просто позволит подобрать конфигурацию, выполняющую возложенные задачи с максимальной эффективностью.
Чтобы достичь наилучшего результата, программа начинает повторяться, изменяя вещи понемногу, подобно тому, как случайные мутации пробуют новые комбинации ДНК животных и проверяют их на соответствие необходимым целевым показателям в реальном мире. На протяжении миллионов виртуальных «поколений» программное обеспечение добавляет, убирает и изменяет те или иные параметры, проверяя, стала ли деталь прочнее или слабее, легче или тяжелее своих предшественников.
За удивительно короткое время (пару часов, если получить доступ к мощной облачной обработке) ПО сгенерирует формы, которые вряд ли смог бы создать человек-дизайнер – по крайней мере, на это ушла бы прорва времени. Примечательно, что результаты подобной генерации поразительно похожи на творение природы; там, где приходится справляться с большим стрессом, они постепенно становятся толще. Там, где стресса меньше, деталь истончается. Вспомогательные конструкции исчезают там, где они не нужны, и, как правило, совпадают с траекторией нагрузки. В результате они начинают выглядеть пугающе органическими и напоминают интерьеры кораблей расы Инженеров из «Чужих».
Самое главное – этот метод работает. Инженер-исследователь НАСА Райан Макклелланд говорит, что эти «эволюционирующие структуры» часто выполняют свою работу намного лучше, чем гораздо более тяжелые детали, созданные человеком.
«Мы обнаружили, что такой подход на самом деле снижает риски и позволяет конструкции лучше выдерживать стрессовые нагрузки. Факторы стресса почти в 10 раз ниже, чем у деталей, изготовленных опытным человеком, а не алгоритмом».
Макклелланд был пионером и сторонником использования генеративного дизайна в НАСА, продемонстрировав его способность снижать вес отдельных структурных компонентов на целых две трети. Данный «эволюционный» метод искусственного интеллекта находит свое наиболее полное выражение в сочетании с аддитивным производством или процессами 3D-печати, которые позволяют создавать формы, которые невозможно изготовить традиционным способом. Сам процесс получения деталей намного, намного быстрее, чем в случае обычных разработок агентства. «Вы можете выполнить проектирование, анализ и изготовление прототипа детали и получить его в руки всего за одну неделю, — отметил Макклелланд. — Это может быть радикально быстрее по сравнению с тем, как мы привыкли работать».
«Органические» детали использовались в самых разных проектах, от миссии по возвращению образцов с Марса до космических телескопов, мониторов космической погоды, планетарных инструментов, обсерваторий на воздушных шарах и так далее. Приведенные выше крестообразные формы являются примером; это титановые опоры для задней части телескопа EXCITE, который планируется запустить в этом году: они соединяют пластину из углеродного волокна, поддерживающую главное зеркало, с ИК-приемником, размещенным внутри алюминиевой криогенной камеры.
«У нас есть пара областей с очень сложными требованиями к дизайну, — рассказал физик Питер Наглер, работающий над проектом EXCITE. — Были комбинации определенных интерфейсов и строгих спецификаций нагрузки, которые оказались сложной задачей для наших разработчиков ... Эти материалы имеют очень разные свойства теплового расширения. Нам нужно было создать интерфейс между ними, который не будет нагружать ни один из материалов».
В такой организации, как НАСА, где в проектах редко используются общие детали, гораздо больше можно получить от облегченных конструкций по индивидуальному заказу, чем от проектирования для массового и дешевого производства. Так что эта технология отлично подходит для решение самого широкого спектра задач и, не исключено, что в будущем именно она станет промышленным стандартом большинства индустрий.