3D打印在人工智能的發(fā)展和應(yīng)用

夏張文 周偉民

（1.上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，上海 201200；2.上海市納米科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)中心，上海 200237）

目前，全球范圍內(nèi)都掀起了制造業(yè)智能化發(fā)展浪潮，3D打印技術(shù)作為其中一個標(biāo)志性的手段，在最近幾年也獲得了廣泛的關(guān)注。3D打印技術(shù)的快速成形特點(diǎn)，能夠運(yùn)用智能化處理，將以3D數(shù)字模型文件為載體，并以粉末狀金屬和可粘合的材料。逐層打印和迭加成形為載體實(shí)現(xiàn)對物體的構(gòu)造。3D智能數(shù)字化與3D打印技術(shù)兩者之間相輔相成，密不可分。特別是在進(jìn)入21世紀(jì)后，大數(shù)據(jù)、3D打印及人工智能等高科技的不斷涌現(xiàn)，也對我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了較大的促進(jìn)作用，不斷在傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)展中注入新鮮的智能血液[1]。

1.3D打印與人工智能的概念

1.1 3D打印技術(shù)的概念

3D打印技術(shù)是一門綜合性并且?guī)в薪徊嫘再|(zhì)技術(shù)，其主要來源于機(jī)械學(xué)制造基礎(chǔ)，整合了計算機(jī)、材料學(xué)等多學(xué)科的核心技術(shù)，進(jìn)而打造出了生產(chǎn)周期短、制造過程簡單以及實(shí)現(xiàn)制作個性化和多樣化的3D打印技術(shù)。

在科技不斷進(jìn)步以及發(fā)展的今天，3D打印技術(shù)已經(jīng)不再是一項(xiàng)陌生的技術(shù)，其經(jīng)過30多年的發(fā)展歷程，技術(shù)逐步呈現(xiàn)出成熟的特性。但是在早期的運(yùn)用中其生產(chǎn)成本較高，并未在制造領(lǐng)域進(jìn)行廣泛推廣和運(yùn)用，并且在第四次工業(yè)革命之初，3D打印技術(shù)也由其可定制化、智能化以及綠色化等優(yōu)點(diǎn)，改變了傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量化、標(biāo)準(zhǔn)化以及粗放式等發(fā)展模式，實(shí)現(xiàn)了制造業(yè)新的崛起。

1.2 人工智能

人工智能是研究、開發(fā)并用于模擬和延伸人的智能的集理論、方法與技術(shù)一體的技術(shù)科學(xué)。并且作為計算機(jī)的一個分支，在了解智能實(shí)質(zhì)、生產(chǎn)與人類智能和思維相似的機(jī)器，進(jìn)而通過機(jī)器人、語言、圖像識別以及語言處理等，執(zhí)行更高級的任務(wù)，其具有以下3個方面的顯著特征，即：

（1）計算能力是圖形單元處理得到的，隨著全球IP行業(yè)的迅猛發(fā)展，在這個過程中也釋放出了強(qiáng)大的計算能力，只要能夠鏈接到互聯(lián)網(wǎng)，就能促使得到Google、Facebook等代表性公司為人類提供的超強(qiáng)計算能力基礎(chǔ)。

（2）算法。算法是在人工智能時代經(jīng)過開源和擴(kuò)散得到的，也促使算法資源在未來也將得到不斷開源與通用，例如目前所開源的人工智能計算系統(tǒng)，能夠?yàn)殚_發(fā)者直接所用，也讓對算法陌生的人，通過不斷調(diào)用此開源算法進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人工智能的開發(fā)。

（3）大數(shù)據(jù)。當(dāng)人工智能在實(shí)際運(yùn)行中，將其計算能力和算法都解決掉，這時數(shù)據(jù)將成為最棘手的問題，在現(xiàn)代數(shù)據(jù)不斷涌現(xiàn)的時代，只有擁有了海量的數(shù)據(jù)，為研發(fā)提供基礎(chǔ)，那么其就擁有了研發(fā)的核心競爭力。

1.3 3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

智能化和數(shù)字化是3D打印技術(shù)的核心，只有充分利用計算機(jī)生成數(shù)字化的3D圖紙模型，完全依靠數(shù)字化的支持才能充分發(fā)揮3D打印技術(shù)的價值和作用。3D打印技術(shù)的數(shù)字化主要有兩種方式，一類是使用3D設(shè)計軟件，從無到有地設(shè)計出數(shù)字化的產(chǎn)品，當(dāng)然并不是每一個人都懂得設(shè)計出3D形狀。因此，就需要借助第二大類即3D數(shù)字化掃描也稱3D照相，這是一種基于計算機(jī)視覺、圖形學(xué)、模式識別以及智能化系統(tǒng)為一體的控制技術(shù)，并對現(xiàn)實(shí)存在的3D物體進(jìn)行掃描和采集，進(jìn)而有效獲取逼真的3D物品。

2.3D打印技術(shù)在人工智能中的發(fā)展與應(yīng)用

目前，3D打印技術(shù)與人工智能技術(shù)都獲得了較大的發(fā)展，將二者進(jìn)行聯(lián)合能夠給人類社會的發(fā)展與進(jìn)步帶來加大的改變，通過在計算機(jī)軟件中將數(shù)字文件制造為相關(guān)的模具，以新型的粉末和液態(tài)材料為主要原材料，運(yùn)用3D打印設(shè)備，按照計算機(jī)指令實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的精準(zhǔn)打印，真正實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的隨時按需工作。身為最先進(jìn)的制造業(yè)代表，3D打印技術(shù)已經(jīng)被逐步被應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域。

3D打印技術(shù)還廣泛應(yīng)用于人工智能領(lǐng)域中的機(jī)器視覺技術(shù)以及3D打印粉末的鑒定。金屬在熔化的過程中每個激光點(diǎn)都能創(chuàng)建出一個微型的熔池，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)粉末熔化并凝固為固體結(jié)構(gòu)，但是產(chǎn)品的質(zhì)量也將受到多因素的影響。國外卡內(nèi)基梅隆大學(xué)工程學(xué)院的研究人員借助金屬3D打印材料的機(jī)器視覺技術(shù)，能夠?qū)饘俜勰┻M(jìn)行自動識別和分類，準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上[2]。并且人工智能與3D打印工廠設(shè)計進(jìn)行聯(lián)合使用，能夠?qū)崿F(xiàn)對全過程的糾錯，英國AIAIBuild公司，開發(fā)出了智能化和自動化的3D打印平臺，并配備智能擠出機(jī)，對于檢測出的任何問題都能做出應(yīng)對的決策，這樣就能實(shí)現(xiàn)打印可行零件不會出現(xiàn)任問題，成為制造業(yè)生產(chǎn)中自動化、智能化改革方向。

人工智能領(lǐng)域?qū)D像識別技術(shù)與3D打印技術(shù)進(jìn)行融合也為制造業(yè)發(fā)展帶來全新的契機(jī)，國外相關(guān)大學(xué)通過設(shè)計研究開發(fā)出了一種集3D打印技術(shù)與人工智能一體化的軟件，在沒有人干預(yù)的情況下實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，通過創(chuàng)新發(fā)展創(chuàng)建了3D對象，結(jié)合科學(xué)家的理論，證實(shí)圖像識別技術(shù)能夠用于更加高級的數(shù)據(jù)抽象建模。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會根據(jù)打印條件和色彩等挑選3D作品將其傳送到3D打印平臺的Shapeways中，并運(yùn)用具有色彩的砂石材料進(jìn)行3D打印。此外，人工智能還將與三維掃描進(jìn)行深度融合，將其價值最大化呈現(xiàn)。與普通人像掃描不同，BodyLabs能在人工智能技術(shù)上實(shí)現(xiàn)自我學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)收集，并將人體外形、姿態(tài)以及運(yùn)動動態(tài)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)為3D打印技術(shù)在服裝制作、人體假肢以及醫(yī)療器械等提供數(shù)據(jù)支持。

截至目前，3D打印技術(shù)在很多基礎(chǔ)已經(jīng)取得了突破性發(fā)展，如金屬的熔敷成形技術(shù)，有效解決了鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等加工過程中整體關(guān)鍵構(gòu)建激光成形工藝問題，但仍然有許多復(fù)雜的工藝問題有待解決，如多種材料混合制造問題，只有不斷將混合材料進(jìn)行打印，才能一次性制造出多元結(jié)構(gòu)部件，避免傳統(tǒng)制造工藝中制造單個零件再組裝的繁瑣問題弊端。

結(jié)合現(xiàn)階段3D打印技術(shù)在難點(diǎn)問題上的表現(xiàn)出的設(shè)備和材料制備和智能控制解決問題，例如激光器、噴嘴等核心元部件的研制，借助智能感知設(shè)備，3D打印技術(shù)才能對制造行為進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)讀整個打印過程的全程監(jiān)控，結(jié)合產(chǎn)量的質(zhì)量和強(qiáng)的反饋信息，做出適時的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制[3]。通過以上研究證實(shí)，3D打印技術(shù)具有學(xué)習(xí)和控制的能力，在制造過中專為糖尿病患者主推食品進(jìn)行打印，并通過微型皮膚植入測定患者的血糖，結(jié)合每個患者不同身體狀況有針對性地打印出食物，在未來，運(yùn)動3D打印技術(shù)能夠打印出具有學(xué)習(xí)的智能化事物，這樣才能真正推進(jìn)機(jī)器制造的全新世界。

3.結(jié)語

3D打印技術(shù)與人工智能的融合和深度發(fā)展將成為發(fā)展趨勢，能為未來機(jī)器制造的推廣和普及奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)，也能促使制造業(yè)的智能化生產(chǎn)，進(jìn)而深入到人們生活和生產(chǎn)的方方面面，給人類的生活和生產(chǎn)帶來全新體驗(yàn)。但是，兩者在融合發(fā)展過程中仍面臨著風(fēng)險與挑戰(zhàn)，如此強(qiáng)大的制造能力將對人類就業(yè)產(chǎn)生威脅，引發(fā)潛在的犯罪和違法事件發(fā)生的風(fēng)險。但是科技是一把雙刃劍，在促進(jìn)人類生存和發(fā)展的同時，也促使人類深度思考未來發(fā)展中可能面臨的難題。