飛機工廠如何尋求創新？AI設計師正在扛起重任

記者｜彭新

乍眼看去，下圖的飛機結構模型更像是某種鳥類的仿生骨骼和肌肉模型，白色且粗細不一的合金桁架縱橫交錯，密密麻麻支撐著整個結構。這種奇異造型給人的第一印象是：它太脆弱，顯得有些不穩定，可能無法滿足飛行時的結構要求。

不要上當，儘管看起來如此“脆弱”，它已經是成千上萬種潛在結構設計方案中最結實的一種。在人工智能參與下，新的設計方式正在改變飛機這種人類最重要和最複雜工業產品的設計和製造方法。

在外行人眼中，民用客機的外部構造已經數十年沒有什麽改變：都是一樣帶著舷窗的大管子，機身大約一半處有兩個後掠機翼向兩側伸出，機尾裝有兩個穩定翼——兩個水準、一個垂直，而裝有發動機的吊艙掛在機翼下方的支架上。

改進的空間存在於看不見的地方，比如，更好的材料使飛機變得更輕巧，改進的發動機降低了運營成本並降低噪音，更先進的航電設備有助於打造更安全的飛行。如今，隨著計算機算力增長，飛機製造商在設計層面有了更多選擇。

圖片來源：空中客車

一種名為“衍生式設計”的新設計方案，正由空中客車公司採用。所謂衍生式設計，其基本概念是設計師通過向電腦設定目標，告訴它想達到的結果和限制——一系列約束條件，設計產生和拓展出各種創意想法，最終產生新的設計內容。

從結果上來看，衍生式設計會產生出過去無法造出的複雜工程設計結果，而先進製造領域的迅速發展如今可落實這個夢想。

2015年，空中客車發布了其首個衍生式設計概念證明原型——“仿生隔板”，該結構用於分隔乘客艙和飛機廚房區域，也是飛機隔離板和後座支撐結構。“我們的隔板通常都非常重，基本就是一堵牆。” 空中客車工程師Bastian Schaefer說，“基本上需要通過材料和設計上的選擇，創造一種新的結構。”

空中客車的工作人員對仿生隔板的安置進行測試。

通常計算機生成的設計比人工設計方案更堅固、輕巧。得益於計算機算力的提升，快速的力學結構計算成為可能，完成結構設計後，再經由3D列印實現生產。而且，如開頭所言，這種結構看起來都很怪異，很難被人想象出來，但正如生物學家D·Arcy Wentworth Thompson所言，“對象的形式就是其受力圖”，借助3D列印技術，這些怪異的結構得以成為現實。

進行設計的工具由軟體公司歐特克（Autodesk）提供，該公司研究院總監David Benjamin告訴界面新聞，採用衍生式設計生產出造型特別的部件並不奇怪：“就好像它們是自然過程中‘產生’而非‘製造’出來的，算法在結構內部進行調整，從而無需添加非必須的部件。”

“人類工程師總是有意或無意考慮製造限制因素。計算機就沒有這種由來已久的偏見，因此它可以產生人類大腦永遠不會想到的各種設計方案。” 歐特克制造和建築產品高級副總裁Scott Reese說。

安全性是另一個考慮，這再次提高了飛機機艙內部各部件的需求。“我們還必須對隔板進行動載試驗，即所謂的16g（重力部門）測試，保證組件的安全性。此外，它還涉及非常複雜的靜態測試或各個方向的不同主題測試。” Bastian Schaefer說。

空中客車公司估計，新的機艙隔板設計每年可節省多達46.5萬噸二氧化碳排放。

另一個設計目標則是減排，飛機上的所有物品都帶來了重量，使得油耗提高。根據《國家地理雜誌》統計報導，乘客隨身攜帶個人物品平均油耗費用頗為可觀，比如筆電電腦平均飛行油耗費用為23美分，枕頭是6美分，雜誌達到5美分，這些都是客機運營的隱藏成本。但由於航空燃料每公斤的能力密度要大於電池，而到目前為止替代石化燃料的嘗試基本宣告失敗，因此航空業是最不容易通過脫碳來減排的行業。

至今，基於衍生式設計，空中客車的仿生隔板已經進化到2.0版本， 重量比傳統零件輕了45%，但強度相當。空中客車公司估計，新的機艙隔板設計每年可節省多達46.5萬噸二氧化碳排放。

Bastian Schaefer還稱，修改後的設計大幅提升了仿生隔板的生產可行性。第一個原型已經投入生產，工藝和技術的發展，已經到了可以更低的成本製造多個產品的階段。”

空中客車還嘗試使用衍生式設計來重新設計飛機的更多部件，從垂直尾翼（基於新設計，新產品比以前輕了20％），再到座椅腿和內部結構。以及如何優化飛機製造工廠以獲得最佳生產/成本比。

基於衍生式設計的3D列印垂直尾翼。

空中客車正計劃在德國漢堡新建的一家發動機工廠就是例子，該工廠於今年動工。在歐特克幫助下，衍生式設計應用到其工廠建設中。

飛機製造不同於汽車的流水線製造方式，後者總成（一系列產品組成一個整體，實現一個特定功能的零組件系統的總稱，如發動機總成）移動，物料固定。而飛機屬於離散型製造的代表，總成不能做成流水線一樣，物料一般圍繞總成展開。

一家飛機製造工廠裡的工人並不多，飛機則根據安裝的不同步驟在不同的工位移動，關鍵在於控制零配件的生產項目進度，保證生產製造的成套性。無論是生產還是管理，其中的挑戰並不小。

空中客車團隊確定了要使用衍生式設計系統進行評估的10個限制條件，其中一些條件的重要性更高，比如效率和成本。員工工作條件、可持續性也是考慮選項之一。

“對於建築物或飛機，必須考慮內部人員的舒適度，材料能耗，生產效率和成本。” David Benjamin說。

最終，計算機為空中客車提供了兩項方案：佔地面積超出常規的較大建築物，或者對相同的工廠元素經過優化、佔地更小的矩形面積的建築物。

可想而知，當設計生產流程發生改變，底層供應體系也將迎來變化。初創公司Hack Rod創造出全球首輛在VR環境內、由衍生式設計指導的汽車。該公司創始人、前職業賽車手McCoy說：”結合協同創作的逼真VR設計與人工智能技術催生出的衍生式設計、機器學習和先進製造技術，會創造出未來的供應鏈，將大型組織的力量交到每個人的手中。”

“當我們製造第一個仿生隔板時，衍生式設計對於大多數客戶來說可望不可即。然後有人問，機翼可以這樣做？工廠設計能不能同樣如此？”David Benjamin說。“但始終，我們著眼於衍生式設計的大範圍應用。”