衍生式设计能否推动制造业的可持续发展

在经历了有记录以来最热的十年之后，随着台风、野火等其他气候灾害频频登上世界各地的头条新闻，全球变暖问题已日益受到公众的关注。联合国向世人发出了警告，全球气温将在2030年达到不可逆转的临界点，呼吁各国采取空前的行动来抵御一场毁灭性的气候灾难。而越来越多的消费者也积极响应联合国号召，以消费行动支持环保，这为制造业向绿色转型提供了强大的推动力。

此时，技术可用来推波助澜。尤其是衍生式设计，它有望在未来数年加快制造业的可持续发展。

少即是多

衍生式设计可以利用人工智能快速地针对特定问题生成并分析多种解决方案，从而大大地减少迭代解决问题过程所需的时间。过去十年来，该技术已在制造业得到稳步应用。随着计算处理能力和软件的进步，越来越多企业开始考虑将这个技术引入到他们的工作流程中。

时至今日，衍生式设计在制造业最常见的应用在于实现产品零部件的轻量化设计——寻求既能保持零部件的功能又能减轻其重量的解决方案。这种衍生式设计的零部件通常需要通过增材制造工艺进行生产。举例来说，通用汽车公司采用了衍生式设计，将一个由八个部件组成的传统座椅支架整合为一个单一的部件。该款全新设计的座椅支架不仅重量比以前减轻了40%，强度也比提高了20%。此外，空客公司也利用衍生式设计重新设计了A320的机舱隔板，新款隔板使用的材料比标准款要少得多。

轻量化设计在可持续性方面具有许多重要的优势。去除不必要的体积和重量，可消除整个供应链，甚至是原材料的提取和加工过程中的浪费（包括能源使用和碳排放）。在生产过程中，工厂机械的使用时间减少了，也就节约了能源。而在产品使用环节中，像汽车、飞机等移动性产品的燃料需求则减少了。另外，减轻零部件重量的同时提高其强度还能延长使用寿命，从而减少维修、更换的需要，也减少备件库存的必要性。

然而，衍生式设计在环保方面的潜在优势并不止于实现各零部件的轻量化设计。随着技术的不断进步，一旦在制造生命周期中出现机会，就会产生新的应用。正如美国增材制造咨询公司The Barnes Global Advisors的高级顾问Chelsea Cummings所言：“还有很多可能性是人们还没想到过呢！”

从系统入手

放眼各零部件之外，探索机会重新设计更大型的系统将是一大机遇。这可能意味着利用算法智能来重新思考整个产品，而不止是单一部件。Cummings说：“有的汽车是整辆采用衍生式设计制造而成，就是一整块，没有把一堆零部件组装在一起。”

当通用汽车将由八个零件组成的座椅支架缩减成一件单一部件时，这不仅实现了轻量化优化，更是降低了因组装多个可能需要向多家供应商采购的零部件而产生的供应链成本和浪费。

其他各种设计对象也是同理。荷兰设计公司Joris Laarman Lab采用了衍生式设计技术，设计出一座横跨阿姆斯特丹一处河渠的3D打印人行桥梁。在设计过程中，该团队得以极大地简化桥梁的结构，让其能被单件打印出来（但设计团队最终选择分为多件打印）。

衍生式设计还使这座桥的材料配置得到简化。传统桥梁的建设总是离不开使用各种不同的材料，但Joris Laarman Lab所设计的桥梁却不同，仅使用了钢材。据该公司的首席技术官Tim Geurtjens解释，减少所需材料的数量可带来不少可持续性方面的优势，如减少消耗、优化工作流程和生产过程等等。

美国制造技术协会（AMT）的制造技术总监Benjamin Moses专注于绿色生产过程。他说，从工厂布局到工件夹具解决方案和工具路径，所有一切要素都可能影响着企业的环境足迹。制造商可以通过将整个生产运营过程视为一种设计挑战，借助算法工具确定更环保的工作方式。

Moses说：“运用了衍生式设计所提供的迭代设计过程之后，我们将可以改变制造业中设计产品的整个生态系统，并真正改变制造工程中创建这些工具和流程的一贯做法。”

更环保的可再生能源

衍生式设计还可以帮助人们重新思考那些对过渡到绿色经济至关重要的产品，例如可再生能源设备。Cummings说：“我不是风车设计师，但我可以想象采用衍生式设计，将固体金属板的一部分转变成轻量网状结构。我想，这种大小体积的融合一定非常适合这样的应用。”在提高性能的同时减少生产可再生能源产品所需的材料和能源数量，将使这些产品更具成本优势，从而加快清洁电网的建设。

美国软件工业集团霍尼韦尔（Honeywell）在其采用衍生式设计为化石燃料（及其他传统行业）客户改善结果的过程中，积累了不少的知识和经验。现如今，恰好这种技术在可再生能源领域日渐盛行，这些知识和经验便能派上用场。霍尼韦尔的软件、人工智能和仪器仪表全球业务负责人Prabhu Soundarrajan说：“我们非常热衷于向清洁燃料转型，我们也将从所有这些（以往的项目中）吸取经验教训。”

解决认证难题

Cummings说，制造商可以通过采用衍生式设计实现创新，摆脱传统的零件组装方式，进而大步迈向可持续发展之路。尽管如此，制造商仍需受制于制造业的基本规范，即采集实测数据确保衍生式设计的产品按预期运作，并且能够取得相关监管机构的必要批准或许可（如航空航天产品的美国联邦航空局批准）。她说：“这是一种新技术。对此，人们需要时间建立信心。”

然而，Geurtjens说，技术虽然为性能测试和验证带来了新的挑战，但也提供了新的解决方案。

在阿姆斯特丹的桥梁项目中，这正负两面都呈现到台面上来了。Geurtjens说：“要让这座桥通过认证，证明它足够坚固，是一件非常复杂的事情。因为这是一种新技术、新材料、新形状，而这些都不是认证公司所熟悉的。他们只知道，‘如果我的钢柱是这个尺寸、这个长度，那你可以动态地、静态地或如此这般地在上面施加那么大的力度。’可是，这世界早已不是这样子了。新的技术意味着新的美学观点，以及新的生产和认证方式。”

传统上，认证是基于物理试验而进行的。但是，衍生式设计及相关的技术可以快速地迭代模拟所有可能的缺陷，从而加快验证新产品的过程。而因衍生式设计提供快速迭代而节省的时间，可以用在认证上。

数字化测试技术或可互补甚至最终取代物理试验。Joris Laarman Lab的阿姆斯特丹桥梁项目合作伙伴之一Arup（一家全球设计公司）一直在探索这个概念。Geurtjens说：“多亏了他们（Arup的工程师团队），不然所有的认证都不可能通过。”

说到数字化性能验证的潜力，就要回到Geurtjens所述的衍生式设计的关键优势：以全新方式看待世界的能力。他说：“我们可以摆脱固有的思路，开始以完全开放的视野进行思考。开始想一想我们到底真正想要做什么，而不是我们习惯做什么。”