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3D打印：从想象到现实 [:1700398867]
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物质编译器：让3D打印设计变得如此简单
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如果你有一个改版的不只是简单服从口头命令的“复制品”，你会用它做什么？这台机器将会更智能。我将这个智能机器称为“超级智能设计助手”。告诉超级智能设计助手你试图解决的问题，而不是只告诉它一个你试图复制的已经存在的物体的名字。
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这里有一个例子，如果你命令超级智能设计助手“为我的书架制造一个新支架”，你最好这样对它说：“我需要一个新的支架支撑一套书。”接下来告诉计算机这个书架应具备的功能，或提出有些人称之为“设计规格”的设计要求。就像一个好的设计师，你的自动化超级智能设计助手会仔细聆听你的要求并针对任务提供一个优化的解决方案。
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设计支架时你需要飞快地说出几个设计要求：“这个支架6英尺宽，能支撑比较重的课本，并靠着一面垂直的墙。此外，支架的重量要尽可能小但能负载至少50磅的重量。”最后，告诉你的设计助手你打算用硬塑料3D打印这个支架。你的设计助手会仔细思考，然后经过一番计算提供其建议的设计方案。
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在我的实验室中，我们基于这个概念创造了一个软件工具。该工具通过运行算法从而计算出最优的3D打印支架设计。我们将按设计要求输入计算机并按“输入”键，结果让我们大吃一惊。
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计算机为这个书架的支架提供了一个新颖的设计，这个设计看起来一点儿也不像你在当地家居用品商店里买到的那种直角支架，而是带着漂亮镂空的纤维团。我使用今天的软件设计工具不能完成这样一个有机形状的（最佳的）设计，考虑到计算机必须参考的重量和材料性能，我无法制造出这个支架。
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图13–2
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注：未来，物质编译器将为给定的目标设计出最好的结构，然后3D打印它。从体积约束（左边）开始，编译器制作出一个最优的有三个杆子支撑的支架。
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图片来源：Jonathan Hiller
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当计算机学会消除人类的需要与多材料打印机功能之间的隔阂时，将会发生什么？结果将是下一代设计软件或者是我称为“物质编译器”的出现。
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物质编译器这个术语最初由科幻作家尼尔·斯蒂芬森提出。在他的小说《钻石时代》（The Diamond Age）中，书中的人物讲述了他们的物质编译器会制造什么，他们会把物质编译器从机器中拖出来，不一会就制成一个塑料床垫、某种食物或一把枪。当然，斯蒂芬森的物质编译器不是3D打印机，它们是核心食物的原子重新组合后形成的“纳米装配”。像《星际迷航》中的Replicator一样，这些物质编辑器不能设计新的东西，它们仅限于复制已经存在的东西。
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物质编译器的发展前景在于将人工智能的力量与3D打印相结合。人工智能将利用算法将人类提供的高级要求自动“编译”到一个最佳设计中，适用于3D打印，3D打印机将设计变为现实。将两者结合在一起，物质编译器能够使我们设计出目前尚不存在的新事物。
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也许我们将物质编译器比喻成传统的软件编译器更合适。为了更好地在计算机硬件上运行，软件编译器将高级计算机语言（如C++）转换成机器代码，然后由物理处理器执行这些代码。同样，物质编译器将高级需求转变为可以利用3D打印机最新材料和特性的设计文件，然后，3D打印机创建物质编译器生成的设计文件所描述的对象。
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也许墙上支架不是最好的例子，它只是一个简单的设计，挑战性不大。如果你试图设计和制造一个复杂的机器，附属于3D打印机的物质编译器的作用就非常明显了。如果20年后有人邀请我为未来的火星任务设计一个机器人，我会按照下面的步骤来做。
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首先描绘火星上独特的环境，其次给出一些总体指标，如机器人重量范围、使用材料，最后我将给出它的具体性能，如移动速度、稳定性和工作效率。然后，敲一下“回车”键，等待物质编译器生成设计方案。将来某一天，当物质编译器成为日常的设计工具时，那些因试验和错误而耗费大量时间的复杂设计项目将变得非常简单。
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3D打印：从想象到现实 [:1700398868]
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交互式设计：和计算机交流设计想法
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尽管物质编译器很智能，但它不能读懂你的心思。诚然，物质编译器可以根据你的要求制定优秀的设计方案，但是它还不能和你进行思想交流。如果你和你的设计工具在迭代设计过程中能够交流并且一起工作，将会怎样呢？
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如果一台计算机能够在快速迭代中迅速给出设计理念，你就可以从中做出较好的选择了。然后计算机“研究”你的设计建议后，快速做些调整再反馈给你。你可以再次选择自己想要的选项反馈给计算机。计算机会再次进行调整，并将结果返回给你。
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在迭代设计过程中，人和计算机之间相互交换想法被称为交互式“进化设计”。就像生物进化一样，但速度比生物进化更快，计算机可以使用数学算法重新调整设计。交互式进化的美妙之处在于，用户不需要了解任何有关计算机进程的内部原理，也不需要知道如何使用设计软件或如何制作出最佳设计方案。实际上，在某种程度上这有点儿像艺术家在一个新项目开始前通过浏览网页获取灵感。互动式设计软件可以激发新的灵感，促使设计者勇于创造出别人没想过的设计方案。
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在我的实验室，我们做了一个互动式设计软件的工作原型。这个软件是我以前的一个学生杰夫·克卢恩开发的。杰夫和他的团队将软件做成网页并将其命名为“无尽之形”（来自于达尔文生物进化过程中的描述）。
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下面介绍无尽之形网是如何工作的。人们养狗前先让那些具备他们想要的幼犬特征的狗杂交。无尽之形网可使用户选择他们喜欢的狗进行育种设计。换句话说，无尽之形网为使用者和交互式设计软件间提供了快速反复的交流。
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