AM易道學術(shù)分享

AM易道最近在Nature Communications上看到一篇非常有代表性的論文，由西班牙Jaume I大學的Victor Sans團隊發(fā)表，它展示的是：

用AI自動設(shè)計3D打印結(jié)構(gòu)，還能自己做實驗找最優(yōu)方案。

簡單說就是：

傳統(tǒng)方式設(shè)計一個復雜的散熱器或過濾器，工程師憑經(jīng)驗畫圖，打印測試，不行再改，反復折騰幾個月。

現(xiàn)在這套叫Reac-Discovery的系統(tǒng)能自動生成幾百個候選設(shè)計，算法預判哪些能打印成功，然后自動測試性能，從數(shù)據(jù)中找規(guī)律，最后告訴你最優(yōu)方案是什么。

關(guān)鍵是代碼已經(jīng)開源：GitHub地址在文末。

對3D打印相關(guān)從業(yè)讀者來說，可以在這套框架基礎(chǔ)上結(jié)合成自己的應(yīng)用。

AM易道對于該文章的許多理解和表達已脫離原文章的原始技術(shù)表述，有大量原創(chuàng)主觀的解讀創(chuàng)作成分，如需要了解更多原始硬核技術(shù)內(nèi)容，請自行閱讀原文。

里面每個孔洞、每條通道的形狀和連接方式都是按數(shù)學公式精確計算出來的。

材料方面，研究團隊用的是自研的丙烯酸酯基光固化樹脂（包含PETA、GMA等成分），打印設(shè)備是消費級的Elegoo Mars 3/4光固化打印機。

從顯微鏡照片可以看到，這個精度足以呈現(xiàn)出復雜的周期性孔隙結(jié)構(gòu)，每個單元格的形狀都很清晰，表面也相對光滑。

關(guān)鍵是這種樹脂的表面可以進行化學修飾，打印完成后在表面接枝催化劑（鈀納米顆?；螂x子液體），把惰性的塑料結(jié)構(gòu)變成有催化功能的反應(yīng)器。

這類反應(yīng)器的應(yīng)用場景是多相催化反應(yīng)。

傳統(tǒng)的反應(yīng)器設(shè)計很難同時優(yōu)化氣液混合、傳質(zhì)效率和催化劑接觸面積，而3D打印的復雜結(jié)構(gòu)恰好能解決這個問題。

但這里有個矛盾：結(jié)構(gòu)越復雜性能越好，可是太復雜又打印不出來或者性能反而下降。

工程師憑經(jīng)驗設(shè)計往往要試幾個月，而這篇論文展示的Reac-Discovery平臺，用AI自動生成、篩選、優(yōu)化結(jié)構(gòu)，把這個過程壓縮到一周左右。

下面AM易道就詳細講講這套系統(tǒng)是怎么運作的。

系統(tǒng)怎么運作：從數(shù)學公式到自動優(yōu)化

整個Reac-Discovery分三個模塊（圖1）。

第一個模塊Reac-Gen負責自動生成復雜的3D結(jié)構(gòu)，不需要在CAD軟件里手工畫，而是通過數(shù)學公式直接生成幾何體。

比如論文里用的Gyroid（回轉(zhuǎn)面）結(jié)構(gòu)，就是一個數(shù)學方程：sin(x)·cos(y) + sin(y)·cos(z) + sin(z)·cos(x) = L。

這個公式里L是閾值參數(shù)，調(diào)整它就能控制壁厚和孔隙大小。系統(tǒng)預置了20多種這樣的數(shù)學曲面，每種都有獨特的孔隙結(jié)構(gòu)（圖2A）。

你只需要輸入三個參數(shù)，尺寸、閾值、分辨率，系統(tǒng)就能自動輸出STL文件。

更重要的是，Reac-Gen還會自動計算每個設(shè)計的幾何參數(shù)：表面積多大、孔隙率多少、流體要繞多少彎才能通過。

這些數(shù)據(jù)后面會喂給AI模型，讓它理解什么樣的幾何特征對應(yīng)什么樣的性能。

AI預判哪些設(shè)計能打印成功

第二個模塊Reac-Fab最實用的創(chuàng)新是用AI提前判斷能不能打印成功（圖2B）。

研究團隊先打印了236個測試樣本，記錄哪些成功哪些失敗。

判斷標準很直接，稱重：

理論重量從STL文件算出來，實際重量用電子秤測，誤差在5%以內(nèi)算成功，超過就算失?。赡苁墙Y(jié)構(gòu)坍塌、支撐不足、樹脂固化不完全）。

然后用這些數(shù)據(jù)訓練了一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

你可以把它理解成一個自動分類器：

輸入是9個幾何特征（孔隙率、表面積、最小直徑這些），輸出就是"能打印"或"不能打印"。

模型的準確率達到91%，也就是說，它預判不能打印的設(shè)計，實際打印失敗率確實很高；

預判能打印的，成功率也很高。

這個模型可以在Reac-Gen生成大量候選方案后自動篩選，把打不出來的設(shè)計直接過濾掉，避免浪費材料和時間。

另外有意思的是，論文提到他們用同樣方法在拓竹的FDM打印PLA材料上也驗證成功，說明這套思路是可以遷移到不同工藝的。

自動實驗室：讓AI從數(shù)據(jù)中學習

第三個模塊Reac-Eval是整個系統(tǒng)的大腦（圖3）。

它集成了自動化實驗設(shè)備，通過Python接口全自動控制。

工作流程是：先隨機生成60組實驗條件（溫度、流速、濃度的不同組合），然后系統(tǒng)自動執(zhí)行這些實驗，實時采集數(shù)據(jù)。

這里用到的核磁共振儀可以理解成一個在線分析儀，它能實時檢測反應(yīng)混合物里有多少原料、多少產(chǎn)物，從而算出轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)量。

每個樣品自動進儀器分析，數(shù)據(jù)直接傳給AI模型。

系統(tǒng)用了兩個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)化不同的東西。

第一個模型M1專門優(yōu)化工藝參數(shù)（圖4C）—學習"在某個溫度、流速下，用某個結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器能達到什么性能"。

訓練完這個模型后，系統(tǒng)可以預測任意參數(shù)組合的結(jié)果，不需要真去做實驗。

它會生成上百萬種可能的參數(shù)組合，讓模型預測每種組合的性能，然后挑出預測值最高的幾個去實際驗證。

第二個模型M2更進一步，把反應(yīng)器的幾何結(jié)構(gòu)也納入優(yōu)化范圍（圖5A）。

它的輸入除了工藝參數(shù)，還包括那些幾何特征：曲折度、表面積、結(jié)構(gòu)體積、孔隙率。

系統(tǒng)把工藝數(shù)據(jù)和幾何數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，學習什么樣的結(jié)構(gòu)配什么樣的工藝條件能達到最佳性能。

訓練好M2之后，系統(tǒng)讓模型預測480個候選結(jié)構(gòu)在優(yōu)化工藝條件下的性能，把結(jié)果排序，挑出預測性能最好的前幾個，然后真正去打印、測試驗證。

氫化反應(yīng)最后選中的是Lidinoid結(jié)構(gòu)（下圖），預測值352克/升小時，實測337克/升小時，誤差只有4%。

AI如何解釋自己的決策

AM易道特別想提一下論文里用的SHAP分析（圖5C、圖6D）。

這個方法能告訴你AI模型為什么做出某個預測，哪些輸入變量影響最大。

對工程應(yīng)用很重要，因為你不能只信任一個黑盒子，還得理解背后的邏輯。

氫化反應(yīng)的SHAP分析顯示，溫度和反應(yīng)器體積對產(chǎn)量影響最大，而表面積和曲折度影響有限。

這說明這個反應(yīng)主要受化學速率控制，溫度高了反應(yīng)快，體積小了相對產(chǎn)量高，但幾何結(jié)構(gòu)的細節(jié)影響不大。

CO?環(huán)加成反應(yīng)的SHAP分析就完全不同了（圖6D）。

這次表面積和曲折度成了關(guān)鍵因素。

高表面積提供更多催化位點，高曲折度讓氣液充分混合，都能加速反應(yīng)。

對比兩個案例可以看出，不同化學過程需要完全不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計，這正是AI驅(qū)動優(yōu)化的價值，它能從數(shù)據(jù)中自動發(fā)現(xiàn)這些規(guī)律。

CO?轉(zhuǎn)化：算法找到文獻最高性能

第二個案例是CO?和環(huán)氧化物反應(yīng)（圖6A），可以理解成把二氧化碳"固定"成有用的化學品，比如電池電解液的溶劑或可降解塑料的原料。

難點在于這是個三相反應(yīng)：CO?是氣體，環(huán)氧化物是液體，催化劑在固體表面，三者要同時接觸才能反應(yīng)。

同樣的兩階段優(yōu)化流程，最終選中的是Schoen_G結(jié)構(gòu)（圖6E、圖7B）。

這個結(jié)構(gòu)的表面積很大，流道很復雜，在優(yōu)化的工藝條件下，產(chǎn)量達到803克/升小時，這是目前文獻報道的三相CO?環(huán)加成反應(yīng)的最高值。

作為對照，研究團隊還打印了傳統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)反應(yīng)器，用同樣的催化劑和工藝條件測試，產(chǎn)量只有167克/升小時，不到優(yōu)化結(jié)構(gòu)的四分之一。

這個對比直觀展示了AI優(yōu)化的威力：

同樣的材料、同樣的工藝，只是結(jié)構(gòu)不同，性能就差了近5倍。

開源資源和復現(xiàn)難度

論文的代碼和數(shù)據(jù)都已經(jīng)開源。

Reac-Gen模塊主要依賴NumPy、Trimesh、Pandas這些常用Python庫，生成結(jié)構(gòu)的代碼都在GitHub倉庫里。

可打印性預測模型用的是TensorFlow，這是目前最主流的深度學習框架。

模型結(jié)構(gòu)簡單，幾十行代碼就能搭起來，難點在于訓練數(shù)據(jù)的積累—你需要針對自己的材料和工藝做一批打印測試，記錄成功率和幾何特征。

機器學習模型M1和M2的代碼同樣開源，訓練腳本、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)預處理流程都能在GitHub找到。

硬件集成這塊復現(xiàn)難度相對高一些，論文用的流動化學平臺和核磁共振儀都是商用設(shè)備。

兩個案例的優(yōu)化周期都很短。從初始60個實驗到找到最優(yōu)結(jié)構(gòu)，總共做了不到100次測試，整個周期在一周左右。

對比傳統(tǒng)的逐個變量優(yōu)化方法，可能需要幾個月。

AI的優(yōu)勢在于能從有限的數(shù)據(jù)中學習規(guī)律，不需要窮舉所有可能性。

計算成本也不高。訓練一個幾百樣本的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在普通筆記本上幾分鐘就能完成，不需要GPU。

打印成本方面，論文主要內(nèi)容用的是Elegoo光固化消費級打印機，F(xiàn)DM工藝可行性對照用的是拓竹的FDM打印機，國內(nèi)售價均為千元級。

這套思路能用在哪里

Reac-Discovery雖然是為化學反應(yīng)器開發(fā)的，但底層邏輯對其他3D打印應(yīng)用同樣適用：

參數(shù)化生成大量候選設(shè)計，用AI預測哪些可行，自動測試加機器學習找最優(yōu)解。

參數(shù)化建模這塊，論文用的數(shù)學曲面方程可以換成其他生成邏輯。

比如骨科植入物的多孔結(jié)構(gòu)可以用隨機點陣來生成，散熱器的流道可以用拓撲優(yōu)化算法設(shè)計，過濾器的孔徑分布可以用統(tǒng)計模型控制。

可打印性預測這個思路更是普適的。

不管打什么材料、用什么工藝，都可以用類似方法建立預測模型：

收集一批打印成功和失敗的樣本，提取幾何特征，訓練分類器。

性能優(yōu)化這塊，核心是要有自動化的測試手段。

論文里用核磁共振儀實時分析反應(yīng)產(chǎn)物，如果是散熱器可能要用紅外熱像儀測溫度分布，如果是過濾器要測壓降和過濾效率。

只要能把性能指標數(shù)字化、自動化采集，就能用機器學習建立輸入-輸出的關(guān)系，進而優(yōu)化設(shè)計。

AM易道觀點
這篇Nature Communications的論文，在AM易道看來最大的意義是證明了3D打印、機器學習、自動化測試可以無縫集成，形成一個自我優(yōu)化的閉環(huán)系統(tǒng)
這個范式是可復制的，代碼是開源的，技術(shù)門檻不算高，關(guān)鍵在于有沒有明確的應(yīng)用場景和愿意投入的團隊。

AI在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用，過去更多聚焦在工藝參數(shù)優(yōu)化或拓撲優(yōu)化。

Reac-Discovery的創(chuàng)新在于把幾何生成、可行性驗證、性能優(yōu)化統(tǒng)一到一個平臺，而且每個環(huán)節(jié)都用機器學習加速。

這種端到端的自動化，是未來數(shù)字制造的方向。

這篇論文像是給3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)出的一個信號：

數(shù)字化、智能化的制造范式已經(jīng)從實驗室走向應(yīng)用，工具已經(jīng)開源，方法已經(jīng)驗證，剩下的就是看誰能把它用起來，解決真實世界的問題。

https://github.com/catm542-ai/Reac-Discovery/

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