Las herramientas de fabricación modernas, como las impresoras 3D, pueden fabricar materiales estructurales en formas que habrían sido difíciles o imposibles con herramientas convencionales. Mientras tanto, los nuevos sistemas de diseño generativo pueden aprovechar esta flexibilidad para crear diseños innovadores para partes de un nuevo edificio, automóvil o prácticamente cualquier otro dispositivo.
Pero tales sistemas automatizados de « caja negra » a menudo no logran producir diseños que estén completamente optimizados para su propósito, como proporcionar la mayor resistencia en proporción al peso o minimizar la cantidad de material necesario para soportar una carga determinada. El diseño completamente manual, por otro lado, requiere mucho tiempo y mano de obra.
Ahora, los investigadores del MIT han encontrado una manera de lograr lo mejor de estos dos enfoques. Utilizaron un sistema de diseño automatizado, pero detuvieron el proceso periódicamente para permitir que los ingenieros humanos evaluaran el trabajo en curso y realizaran modificaciones o ajustes antes de permitir que la computadora reanudara su proceso de diseño. La introducción de algunas de estas iteraciones produjo resultados que funcionaron mejor que los diseñados solo con el sistema automatizado, y el proceso se completó más rápidamente en comparación con el enfoque completamente manual.
Los resultados se informan esta semana en la revista Optimización estructural y multidisciplinaria, en un artículo del estudiante de doctorado del MIT Dat Ha y la profesora asistente de ingeniería civil y ambiental Josephine Carstensen.
El enfoque básico se puede aplicar a una amplia gama de escalas y aplicaciones, explica Carstensen, para el diseño de todo, desde dispositivos biomédicos hasta materiales a nanoescala y miembros de soporte estructural de un rascacielos. Los sistemas de diseño automatizado ya han encontrado muchas aplicaciones. « Si podemos hacer las cosas de una mejor manera, si podemos hacer lo que queramos, ¿por qué no hacerlo mejor? » ella pregunta.
« Es una forma de aprovechar la forma en que podemos hacer las cosas de formas mucho más complejas que en el pasado », dice Ha, y agrega que los sistemas de diseño automatizado ya comenzaron a usarse ampliamente durante la última década en las industrias automotriz y aeroespacial. donde reducir el peso manteniendo la resistencia estructural es una necesidad clave.
« Se puede quitar mucho peso a los componentes y, en estas dos industrias, todo depende del peso », dice. En algunos casos, como los componentes internos que no son visibles, la apariencia es irrelevante, pero para otras estructuras, la estética también puede ser importante. El nuevo sistema hace posible optimizar los diseños tanto en propiedades visuales como mecánicas, y en tales decisiones el toque humano es esencial.
Como demostración de su proceso en acción, los investigadores diseñaron una serie de vigas de carga estructural, como las que podrían usarse en un edificio o un puente. En sus iteraciones, vieron que el diseño tiene un área que podría fallar prematuramente, por lo que seleccionaron esa característica y solicitaron que el programa la abordara. Luego, el sistema informático revisó el diseño en consecuencia, eliminando el puntal resaltado y fortaleciendo algunos otros puntales para compensar, lo que llevó a un diseño final mejorado.
El proceso, al que llaman Optimización de topología informada por humanos, comienza estableciendo las especificaciones necesarias; por ejemplo, una viga debe tener esta longitud, apoyarse en dos puntos en sus extremos y debe soportar esta cantidad de carga. « A medida que vemos evolucionar la estructura » en la pantalla de la computadora en respuesta a la especificación inicial, dice Carstensen, « interrumpimos el diseño y le pedimos al usuario que lo juzgue. El usuario puede seleccionar, decir, ‘No soy un fan' ». de esta región, me gustaría que reforzara o redujera este requisito de tamaño de característica.’ Y luego el algoritmo tiene en cuenta la entrada del usuario ».
Si bien el resultado no es tan ideal como lo que podría producir un algoritmo de diseño totalmente riguroso pero significativamente más lento que considere la física subyacente, dice que puede ser mucho mejor que un resultado generado solo por un sistema de diseño automatizado rápido. « No obtienes algo tan bueno, pero ese no era necesariamente el objetivo. Lo que podemos demostrar es que, en lugar de usar varias horas para obtener algo, podemos usar 10 minutos y obtener algo mucho mejor de lo que comenzamos ».. »
El sistema se puede utilizar para optimizar un diseño en función de las propiedades deseadas, no solo de la resistencia y el peso. Por ejemplo, se puede usar para minimizar la fractura o el pandeo, o para reducir las tensiones en el material suavizando las esquinas.
Carstensen dice : « No buscamos reemplazar la solución de siete horas. Si tiene todo el tiempo y todos los recursos del mundo, obviamente puede ejecutarlos y obtendrá la mejor solución ». Pero para muchas situaciones, como el diseño de piezas de repuesto para equipos en una zona de guerra o un área de socorro en caso de desastre con potencia computacional limitada disponible, « entonces prevalecerá este tipo de solución que satisfaga directamente sus necesidades ».
« Al integrar la ‘intuición’ de ingeniería (o el ‘juicio’ de ingeniería) en un proceso de optimización de topología riguroso pero computacionalmente eficiente, se le ofrece al ingeniero humano la posibilidad de guiar la creación de configuraciones estructurales óptimas de una manera que no estaba disponible para nosotros antes, » él añade. « Sus hallazgos tienen el potencial de cambiar la forma en que los ingenieros abordan las tareas de diseño del ‘día a día' ».