【TRANSFORMative DESign】DARPA打开了为国防部生产“难以想象”设计的大门

美国国防高级研究计划局（DARPA）的“变革性设计”（TRANSFORMative DESign，TRADES）项目始于2017年，旨在开发探索新材料和增材制造工艺（通常称为3D打印）所开辟的广阔空间所需的基础设计工具。该项目最近在结束时已成功开发了新的数学和计算技术，包括人工智能和机器学习，这将使未来的设计师能够创造出以前无法想象的形状和结构，这对国防和商业制造很有意义。

近年来，制造技术的突破，如3D打印，已经允许精确的材料放置，新的材料性能，以及复杂的零件和结构的形状。然而，设计工具却没有跟上这些进步所带来的设计空间的复杂性。

对此，DARPA国防科学办公室（DSO）项目经理简·范登布兰德（Jan Vandenbrande）表示：“在过去的四年里，TRADES项目从数学和计算机科学中探索出了新的创意，使我们现在能够展现出比当前最先进的系统所能表现的复杂程度高一百万倍的事物，比如零件和部件。我们现在可以跨越多种物理学领域以协调的方式描述形状和材料，以便进行复杂的设计，并了解生产部件上每个点的属性。目的是能够模仿自然界中发现的集成层次结构，不同大小的结构对不同类型的物理领域作出反应。”

TRADES工具正在帮助克服所谓的“分析互操作性问题”。目前的过程包括形成一个设计，然后在多个物理学领域的前提下对其进行分析，以回答以下问题：它是否足够坚固？它的阻力是多少？它的热响应如何？这个过程需要人工处理和跨不兼容系统传输数据。

据简·范登布兰德介绍：“这种人工处理，将数据从设计系统转移到分析中，吸收了整个设计周期的50%，因为格式不兼容，目前的系统不能直接互通。TRADES项目已经开发了新的概念，将消除这一瓶颈，并加速设计过程，包括自动合成，即计算机在热、机械、光电等多个物理学领域探索设计方案，而无需人工干预。这将使计算机变成真正的合作伙伴，帮助创造新的设计，而这些设计即使是最优秀的人类设计师也无法直观地感受到。”

TRADES项目还能实现对动态问题的设计，在这些问题中，结构会随着时间的演变而改变，例如固体火箭发动机，它的内部形状会随着推进剂的燃烧而改变。

简·范登布兰德表示：“TRADES设计工具在解决国防平台当前设计周期相关的时间和成本负担方面取得了重大进展，应该能够快速有效地应对新的和不断变化的威胁和要求。这包括生成现场备件，其中成型可适应材料替代造成的一些差异。”

TRADES项目中开发的先进设计工具、工艺和算法将有助于提高国防平台的性能；减少与材料和几何形状选择、优化和数值分析相关的成本和时间；并能探索目前无法实现的新设计概念。通过强制执行基础理论的通用性，TRADES项目的定位是处理未来的3D打印能力，包括诸如股骨等生物组件，乃至“海绵状”的内部结构。

TRADES项目的主要研究工作由七支大学和工业界的研究团队共同承担，他们创造了专注于建模、分析和合成的新设计技术。这七支团队包括：科罗拉多大学博尔德分校、哥伦比亚大学、Etaphase、国际计算机科学研究所(ICSI)、帕洛阿尔托研究中心(PARC)、西门子和犹他大学。

还有另外两个研究团队提供了高性能的软件和硬件测试平台，设计技术团队在此基础上开发和改进了他们的工具。他们是：桑迪亚国家实验室和德克萨斯先进计算中心（TACC）。

虽然TRADES项目已经正式结束，但一些研究团队仍在继续开发他们的TRADES 工具，直至 2021 年。

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