Intégrer les humains à l’IA dans la conception structurelle

Les outils de fabrication modernes tels que les imprimantes 3D peuvent fabriquer des matériaux structurels dans des formes qui auraient été difficiles ou impossibles avec des outils conventionnels. Pendant ce temps, les nouveaux systèmes de conception générative peuvent tirer parti de cette flexibilité pour créer des conceptions innovantes pour les parties d’un nouveau bâtiment, d’une voiture ou de pratiquement tout autre appareil.

Mais ces systèmes automatisés « boîte noire » ne parviennent souvent pas à produire des conceptions entièrement optimisées pour leur objectif, comme fournir la plus grande résistance proportionnelle au poids ou minimiser la quantité de matériau nécessaire pour supporter une charge donnée. La conception entièrement manuelle, en revanche, prend du temps et demande beaucoup de main-d’œuvre.

Aujourd’hui, des chercheurs du MIT ont trouvé un moyen d’obtenir le meilleur de ces deux approches. Ils ont utilisé un système de conception automatisé mais ont arrêté le processus périodiquement pour permettre aux ingénieurs humains d’évaluer le travail en cours et d’apporter des modifications ou des ajustements avant de laisser l’ordinateur reprendre son processus de conception. L’introduction de quelques-unes de ces itérations a produit des résultats plus performants que ceux conçus par le système automatisé seul, et le processus a été achevé plus rapidement par rapport à l’approche entièrement manuelle.

Les résultats sont publiés cette semaine dans le journal Optimisation structurelle et pluridisciplinairedans un article de la doctorante au MIT Dat Ha et de la professeure adjointe de génie civil et environnemental Josephine Carstensen.

L’approche de base peut être appliquée à un large éventail d’échelles et d’applications, explique Carstensen, pour la conception de tout, des dispositifs biomédicaux aux matériaux à l’échelle nanométrique en passant par les éléments de support structurel d’un gratte-ciel. Déjà, les systèmes de conception automatisés ont trouvé de nombreuses applications. « Si nous pouvons faire les choses mieux, si nous pouvons faire ce que nous voulons, pourquoi ne pas faire mieux? » elle demande.

« C’est une façon de tirer parti de la façon dont nous pouvons fabriquer des choses de manière beaucoup plus complexe que par le passé », déclare Ha, ajoutant que les systèmes de conception automatisés ont déjà commencé à être largement utilisés au cours de la dernière décennie dans les industries automobile et aérospatiale. , où la réduction du poids tout en maintenant la résistance structurelle est un besoin clé.

« Vous pouvez retirer beaucoup de poids des composants, et dans ces deux industries, tout est déterminé par le poids », dit-il. Dans certains cas, comme les composants internes qui ne sont pas visibles, l’apparence n’est pas pertinente, mais pour d’autres structures, l’esthétique peut également être importante. Le nouveau système permet d’optimiser les conceptions pour les propriétés visuelles et mécaniques, et dans de telles décisions, la touche humaine est essentielle.

Pour démontrer leur processus en action, les chercheurs ont conçu un certain nombre de poutres porteuses structurelles, comme celles qui pourraient être utilisées dans un bâtiment ou un pont. Au cours de leurs itérations, ils ont constaté que la conception comportait une zone susceptible d’échouer prématurément. Ils ont donc sélectionné cette fonctionnalité et demandé au programme de la traiter. Le système informatique a ensuite révisé la conception en conséquence, supprimant l’entretoise en surbrillance et renforçant certaines autres entretoises pour compenser, et conduisant à une conception finale améliorée.

Le processus, qu’ils appellent Human-Informed Topology Optimization, commence par définir les spécifications nécessaires. Par exemple, une poutre doit être de cette longueur, soutenue sur deux points à ses extrémités, et doit supporter cette charge. « Alors que nous voyons la structure évoluer sur l’écran de l’ordinateur en réponse aux spécifications initiales », explique Carstensen, « nous interrompons la conception et demandons à l’utilisateur de la juger. L’utilisateur peut sélectionner, par exemple, « Je ne suis pas fan de cette région, j’aimerais que vous renforciez ou réduisiez cette exigence de taille de fonctionnalité. » Et puis l’algorithme prend en compte l’entrée de l’utilisateur. »

Bien que le résultat ne soit pas aussi idéal que ce qui pourrait être produit par un algorithme de conception entièrement rigoureux mais nettement plus lent qui tient compte de la physique sous-jacente, elle dit qu’il peut être bien meilleur qu’un résultat généré par un système de conception automatisé rapide seul. « Vous n’obtenez pas quelque chose d’aussi bon, mais ce n’était pas nécessairement le but. Ce que nous pouvons montrer, c’est qu’au lieu d’utiliser plusieurs heures pour obtenir quelque chose, nous pouvons utiliser 10 minutes et obtenir quelque chose de bien meilleur que là où nous avons commencé. . »

Le système peut être utilisé pour optimiser une conception basée sur toutes les propriétés souhaitées, pas seulement sur la résistance et le poids. Par exemple, il peut être utilisé pour minimiser la fracture ou le flambage, ou pour réduire les contraintes dans le matériau en adoucissant les coins.

Carstensen déclare : « Nous ne cherchons pas à remplacer la solution en sept heures. Si vous disposez de tout le temps et de toutes les ressources du monde, vous pouvez évidemment les exécuter et cela vous donnera la meilleure solution. Mais dans de nombreuses situations, telles que la conception de pièces de rechange pour des équipements dans une zone de guerre ou une zone de secours en cas de catastrophe avec une puissance de calcul disponible limitée, « alors ce type de solution répondant directement à vos besoins prévaudrait ».

De même, pour les petites entreprises fabriquant des équipements dans des entreprises essentiellement « maman et pop », un tel système simplifié pourrait être juste le ticket. Le nouveau système qu’ils ont développé est non seulement simple et efficace à exécuter sur des ordinateurs plus petits, mais il nécessite également beaucoup moins de formation pour produire des résultats utiles, explique Carstensen. Une version de base en deux dimensions du logiciel, adaptée à la conception de poutres de base et de pièces structurelles, est maintenant disponible gratuitement en ligne, dit-elle, alors que l’équipe continue de développer une version 3D complète.

« Les applications potentielles des recherches et des outils du professeur Carstensen sont assez extraordinaires », déclare Christian Málaga-Chuquitaype, professeur de génie civil et environnemental à l’Imperial College de Londres, qui n’était pas associé à ces travaux. « Avec ce travail, son groupe ouvre la voie à une interaction de conception homme-machine véritablement synergique. »

« En intégrant » l’intuition « de l’ingénierie (ou le » jugement « de l’ingénierie) dans un processus d’optimisation de la topologie rigoureux mais efficace sur le plan informatique, l’ingénieur humain se voit offrir la possibilité de guider la création de configurations structurelles optimales d’une manière qui ne nous était pas disponible auparavant,  » il ajoute. « Ses découvertes ont le potentiel de changer la façon dont les ingénieurs s’attaquent aux tâches de conception » quotidiennes « . »