浅谈衍生式设计的影响及其应用

万 月（武汉大学城市设计学院，湖北 武汉 430072）

一、衍生式设计的概述

传统的工业设计是设计师运用创意灵感，在纸上或是计算机上进行草图绘制和定稿渲染，可以得出一个或几个设计方案；而衍生式设计，则是计算机与设计师一同设计：在软件中输入设计目标和约束参数，软件利用人工智能算法和云计算能力，生成符合参数条件的成百上千种设计方案供使用者挑选。衍生式设计是模仿自然的进化的设计方法。

衍生式设计的步骤：

①设计师输入想要设计的产品，并且加上约束条件，如重量、成本、材质、强度等。

②计算机使用算法和AI生产数千种设计，并同时对每种设计进行性能分析和推荐。

③设计师研究计算机给出的设计方案选项，并在需要时增减设计目标、修改参数。这使得设计师可以进入设计迭代环节，计算机使用AI来创建预先验证的解决方案。

④导出文件，生成原型。设计师或工程师运用3D打印或其他方法进行产品制造，若对结果不满意，或希望探索其他选项，可以根据需要重复第三步。

二、衍生式设计带来的影响

随着计算机技术的进步，AI、大数据、云计算、深度学习算法和应用的发展，衍生式设计作为一个全新的、高科技的设计方法被应用于工业设计领域。衍生式设计在工业设计领域从提及到具体应用大致有一年的时间。

通过输入目标物品加以条件约束，便能生成数种设计方案供使用者挑选。生成的方案符合人体力学、物体受力、材料等关于物理化学生物等方面的应用性，这使得使用者或者是设计师不必须在设计之前学习相关内容，大大降低工业设计师的门槛；也能解决一些设计师设计出来的产品只满足于美观效果而无法投入到实际应用的问题；可以消除设计师或使用者由于自身或环境因素带来的认知和设计的局限，计算机给出的方案大多是正常设计师难以想象出来的拥有不寻常的复杂几何结构的作品，并且在理性的审美下，作品也有着较强的美感。

相较于正常设计师，使用衍生式设计的设计师可以快速完成初稿乃至终稿的设计，几乎不存在设计图纸无法实现或应用的问题，在工业项目的完成效率上占据了很大优势。甚至对于不涉及到较复杂工程的项目来说，设计师可以被审美能力较强的决策者代替。所以，对于使用原来设计方法的设计师来说，影响是比较大的。在不久的将来，熟练使用并在此基础上探索与众不同的设计方式对于他们来说将是必须的事情。

对于工业设计领域，衍生式设计带来了更多可能性，结合先进制造技术能完成之前难以完成的工业项目。当然在三四年甚至十几年内，衍生式设计基本上只会对涉及高新科技、国防军工、航空航天、汽车等工业领域造成影响。而对于其他工业设计方向造成的影响几乎可以忽略不计，但是可以在这些方向提前进行探索研究，抢占未来趋势的先锋。

三、衍生式设计的应用分析

1.通用公司与Autodesk合作

2018年，通用汽车公司与Autodesk进行合作，目标是以衍生式设计和增材制造为核心技术开发未来的乘用车和货车，并且包括开发更高效、更轻盈的电动驱动系统和零排放车型。①

在最初的概念验证项目中，工程师们利用衍生式设计技术重新构思了一个微小但十分重要的汽车部件--用于固定安全带的座椅托架。根据工程师们设定的约束参数（例如需要的连接点、部件的强度和质量），软件经过云计算生成了150多种可行的备选设计方案。设计出这些极其复杂的有机结构，是人类能力难以做到的。与此同时，衍生式设计还显示出了它的另一项优势——部件整合，即新部件将原本为8个不同的部件整合成了一个一体化的零件，这会大幅缩短产品开发流程。再通过3D打印出的该一体化零件，实现零部件的重量减轻40%的同时零部件的强度增加了20%。

图1 固定安全带的座椅支架

按照通用汽车公司对未来的设想，汽车及其他车型将实现减重减材，这样不仅能节省燃油、减少尾气排放、为车主省钱，还能增加电动汽车的续航里程，并为车主提供更加宽敞的车内空间。

2.空中客车公司与Autodesk合作

早在2015年，航空巨头空中客车公司与Autodesk合作，为其空客A320飞机开发了一个大尺寸的“仿生”机舱隔离结构。它是用一种被称为Scalmalloy的新型超强且轻质合金材料，使用直接金属激光烧结成型技术3D打印而成的。与之前的隔离结构相比，新型的仿生隔离结构由几个不同的部件组成，不仅强度更大、质量是原来的一半，而且每块隔板所需材料减少了95%。据估算一年可节约燃油3180 kg，每架空客 A320一年可减少碳排放166吨。②

但是由于制造方面的各种变数以及材料的要求，制造新的隔板需要改变整体制造的流程。随着欧特克衍生式设计技术的成熟，空中客车可以使用衍生式设计为隔板创建一个3D打印的塑料模型，然后将零件铸造成可用于飞行的合金。第二代仿生隔板与第一代的设计一样坚固和轻巧，并且更加适合批量生产。

“修改后的设计大幅提升了仿生隔板的生产可行性。目前，第一个原型已经投入生产，我们希望能在今年年底之前完成这项工作。”一直负责领导与欧特克合作的空中客车设计师Bastian Schaefer表示，“当下，工艺和技术的发展，让我们到了可以更低的成本制造多个单元的阶段。”

目前，空中客车正在使用衍生式设计来重新考虑构建飞机的其他结构部件，包括A320垂直尾翼（VTP）的前缘。VTP的功能是提供方向稳定性，并减少由侧向移动引起的空气动力学低效的情况。

由于衍生式设计对于飞机结构部件的改进起到了积极的作用，空中客车开始探索其对其他业务的影响。2019年年初，空中客车的团队开始考虑如何将衍生式设计应用于其工厂的建筑设计、环境布局和工作流程。

一直负责领导与欧特克合作的空中客车设计师Bastian Schaefer表示：“衍生式设计正在帮助我们创建更可持续的建筑设计，让我们可以更好地考虑关键的人为因素和工作条件。通过克服先入为主的观念和盲点，它还扩展了我们的思维方式和设计方法。我们知道，无论我们选择哪种设计，这座工厂都将会更有效地运作，并且建造成本也将会得到降低。”

图2 “仿生”机舱隔离结构——Autodesk

图3 基于衍生式设计的 3D打印垂直尾翼

3. NASA登陆仓

在好奇号之后，NASA研究团着手于研究可以一直飞往土星和木星的卫星的登陆器，如何将登陆器轻量化成为了十分重要的问题。NASA派出研究团队与欧特克研究团队进行研发工作，应用了衍生式设计，并使用 CNC铣削和消失模等多种非3 D打印的加工方式（航天领域不允许3D打印部件），在保证强度的基础上减重了35%。2018年11月，第一版登陆器的登陆仓样机在美国AU现场发布。③

图4 第一版登陆器的登陆仓样机

结语

虽然在工业设计领域“衍生式设计”是一个较新的名词，但是其在视觉传达设计、建筑设计、环境设计等领域已存在二十多年。由于技术及环境所限，衍生式设计在这些领域的研究较为缓慢，直至近几年才有所提升。借鉴其在这些领域的发展过程或许可以加速在工业设计领域的普及速度。

衍生式设计对于工业设计领域具有一定冲击力，在和新型制造技术结合后，对于一些工业设计方向的影响就比较大了，这是未来的工业制造趋势。随着制造技术和计算机技术的提升，衍生式设计会更加普及化、大众化；设计师或工程师的入门门槛会在某些方面上大幅降低。在未来，衍生式设计的消费品也许可以以定制化的形式出现在大众面前。

目前而言，衍生式设计在国内外高校、企业和政府研究机构中进行小范围的实验和应用。能够进行衍生式设计技术的软件对于高校学生有免费试用的不多名额，不能进行商业使用。对于有着商业用途的人或公司，目前无法在官网下载正版软件。因为衍生式设计技术涉及高新技术产业及军工产业，所以目前国内在此技术的应用仅限于高校研究。所以对于传统工业设计师而言，在衍生式设计未普及之前想好如何进行“转型”，运用设计师作为兼顾理性和感性的人的无法被计算机取代的独特优势来走另一条涉及但别于衍生式设计的路是目前需要做的事情。例如用独特的造型象征特定的文化的设计，使产品的使用目的不只在于轻量化等方面，而是使产品在一定的成本范围内有着具有象征意义的但对于计算机算法而言“多余”的组成部分，并且这些组成部分对于整个产品的理念而言是必须的。这就要依靠设计师天马行空的想象能力了。这也是目前而言计算机及其他技术无法做到的事情。

注释：

① http：//www.chinacar.com.cn/newsview199679.html.

② http：//www.dsti.net/Information/News/98161.

③ https：//www.sohu.com/a/328352388_99895555.