設(shè)計師要形成智能量子設(shè)計思維

關(guān)鍵詞：智能設(shè)計；量子糾纏；設(shè)計思維

《設(shè)計》劉鍵

《設(shè)計》：何為“智能設(shè)計”？請談?wù)勀鷮Α爸悄茉O(shè)計”及其要素的理解。

劉鍵：當前，基于“大型語言模型+ 記憶+ 任務(wù)規(guī)劃+ 工具使用”的智能設(shè)計涌現(xiàn)，已經(jīng)成為設(shè)計教育和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的數(shù)字系統(tǒng)標配，智能設(shè)計應(yīng)用程序的分類變得更為細致，設(shè)計師可以通過發(fā)出指令產(chǎn)出專業(yè)的作品。相比較傳統(tǒng)的專業(yè)技能，當下的設(shè)計教育應(yīng)當培養(yǎng)設(shè)計師如何更好地與人工智能（AI）進行溝通，高等院校應(yīng)該增加大量的AI 相關(guān)課程，了解基本的機器學(xué)習(xí)概念、算法，以及如何處理和理解文本數(shù)據(jù)，特別是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）、長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）和量子物理學(xué)，以致力于培養(yǎng)AI 溝通師，并開發(fā)虛擬仿真和人性化的大語言模型設(shè)計課程，使AI 能更好地與設(shè)計師協(xié)同工作和相互交流。

智能設(shè)計的相關(guān)技術(shù)最早可追溯于20 世紀80 年代。近年來隨著智能基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，開發(fā)者可以積累大量用戶偏好數(shù)據(jù)來讓模型生成得更好看，最終實現(xiàn)商業(yè)化。就目前而言，它在處理復(fù)雜設(shè)計方面還是遠遠不夠的，例如面對高精尖產(chǎn)品的外觀、結(jié)構(gòu)、人機交互設(shè)計之間的耦合設(shè)計問題，無法給出一個合理的設(shè)計方案。其次，人工智能的設(shè)計方法需要把問題抽象為數(shù)據(jù)驅(qū)動的封閉問題，因此，它也無法理解人類設(shè)計師可以捕捉到的用戶需求和文化細微差別，并會產(chǎn)生虛假信息、認知謬誤、決策僵硬等現(xiàn)象，以及低廉的藝術(shù)審美作品，更無法解決德巴赫猜想、尼曼猜想、唐加萊猜等一系列計算難題。

綜上所述，現(xiàn)階段的智能設(shè)計還不夠成熟，它有一個固有的缺陷，就是依靠概率分布進行生成，而顛覆性創(chuàng)新是一個小概率事件。我個人預(yù)測到2030 年，隨著超導(dǎo)量子計算機的普及，大語言模型將會具有量子思維，以量子理論為基礎(chǔ)的非線性架構(gòu)所能提供的解釋，比當今的“基于海量文本數(shù)據(jù)訓(xùn)練”的大語言模型要好得多，可以利用量子理論中的非確定性、疊加、糾纏等現(xiàn)象來創(chuàng)新和解決問題，建立一組正交的基矢撐展而成的多維希伯特空間。具體來說，首先量子語言模型將會具備“多模態(tài)情景感知力”[1]，能夠在不確定條件下開展設(shè)計研究、收集與分析數(shù)據(jù)、理解推動與決策的干涉效應(yīng)；其次是具備“量子糾纏”的系統(tǒng)建模能力，通過不可約的方式為認知現(xiàn)象建模，超越日常觀感，產(chǎn)生對社會現(xiàn)象、用戶需求、商業(yè)化趨勢判斷的深刻洞察，結(jié)合生成式設(shè)計推演出多維設(shè)計價值，實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)驅(qū)動、大語言模型驅(qū)動、到量子思維驅(qū)動的設(shè)計范式轉(zhuǎn)變。

屆時，借助量子大語言模型，開展超越人類理解的社會需求來進行設(shè)計價值創(chuàng)造[2]，針對一個用戶需求推演出上千種路徑，用戶可以按照自己的想法借助AI 生成數(shù)字內(nèi)容，整個創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)將會進入高度個性化時代，用戶熱衷于聽自己創(chuàng)作的音樂，玩自己開發(fā)的游戲，看自己做的電影，用自己設(shè)計的產(chǎn)品形成個性化的生活方式。

《設(shè)計》：北京工業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計學(xué)院的教學(xué)特點有哪些？在智能設(shè)計方面是否有所側(cè)重？

劉鍵：北京工業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計學(xué)院的教學(xué)建設(shè)以習(xí)近平文化思想為指導(dǎo)，面向首都四個中心建設(shè)，提出了服務(wù)國家重大活動、傳承創(chuàng)新中華文化、構(gòu)建藝工融合平臺、拓寬國際視野的四項舉措，構(gòu)建新工科、新文科背景下設(shè)計人才培養(yǎng)路徑。

第一，通過服務(wù)國家重大活動，確立了以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為導(dǎo)向的實踐教學(xué)體系，引領(lǐng)師生堅定理想信念。設(shè)計成果被國家重大活動所采用，有效展示了國家建設(shè)成就，傳播了國家價值。十年來，師生團隊用藝術(shù)作品奮力書寫中國故事，作品被應(yīng)用于北京冬奧會、建黨100 周年、新中國成立70 年、慶祝“改革開放四十年”等國家重大活動，另有多項成果被國家部委所采納。這些作品有效地展示了十八大以來的黨領(lǐng)導(dǎo)人民所取得的偉大建設(shè)成就，向世界傳播中國和平發(fā)展的價值理念。

第二，學(xué)院的人才培養(yǎng)高度重視傳統(tǒng)文化的數(shù)字化建設(shè)。針對目前國際上的AI 大語言模型在數(shù)據(jù)標注與訓(xùn)練過程中隱含意識形態(tài)風(fēng)險，藝術(shù)設(shè)計學(xué)院與北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部開展跨學(xué)科研究。例如，針對中軸線15處文化遺產(chǎn)無法形成良性互動的全局知識關(guān)聯(lián)問題，通過跨學(xué)科研究，融合了數(shù)字孿生與知識圖譜構(gòu)建了可視化大語言模型（圖2），具有可解釋、可追溯、可驗證的功能，從智慧數(shù)據(jù)和知識圖譜兩種信息承載形式映射到知識大圖，涵蓋15 處遺產(chǎn)基本信息、歷史檔案、文獻等多維度的關(guān)聯(lián)邏輯，用戶通過手機二維碼掃描，就能夠獲得AI 自動生成的虛擬場景和創(chuàng)意內(nèi)容，提供沉浸式的互動體驗。

第三，突破學(xué)科門類和專業(yè)之間的限制，搭建跨學(xué)科平臺，開發(fā)具有新工科特征的培養(yǎng)方案。教學(xué)團隊致力于跨學(xué)科和跨專業(yè)的平臺建設(shè)，聯(lián)合理學(xué)部成立“科技創(chuàng)意學(xué)研究中心”，開展多學(xué)科交叉實踐。建立了由行業(yè)兼職教授+ 骨干教師+ 校內(nèi)專家組成的交叉學(xué)科團隊和課程群；與工信部、北京市科委共建重點實驗室；凝練出“展示與文化傳播設(shè)計”“科技創(chuàng)意學(xué)理論與方法”“數(shù)字孿生與信息交互設(shè)計”的三個特色學(xué)科方向，豐富了藝工融合知識體系。通過藝術(shù)+ 科學(xué)的實驗室和研究中心等多元平臺建設(shè)，為同學(xué)們提升學(xué)習(xí)能力、擴展知識空間、培育創(chuàng)新思維，推動學(xué)科交叉融合提供資源條件；同時，師生共同探究新工科培養(yǎng)方案，建立跨學(xué)科教學(xué)團隊，組建了城市更新設(shè)計、碳中和生態(tài)材料、人工智能等跨學(xué)科課程群，通過學(xué)科知識的交叉融合，拓寬了同學(xué)們的學(xué)科視野，有效地解決了學(xué)生創(chuàng)新意識和就業(yè)能力不足的問題。

《設(shè)計》：您是如何進入智能設(shè)計這個領(lǐng)域的？您個人關(guān)注智能設(shè)計的哪些細分領(lǐng)域？

劉鍵：近年來，北京工業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計學(xué)院面向首都國際科技創(chuàng)新中心建設(shè)，發(fā)揮學(xué)院的中國服務(wù)設(shè)計發(fā)展研究中心、北京市博物館展陳與空間實現(xiàn)重點實驗室、科技創(chuàng)意學(xué)研究中心在數(shù)智化時代人才培養(yǎng)中的作用，構(gòu)建“藝術(shù)與科學(xué)”“學(xué)校與社會”“項目與產(chǎn)業(yè)”藝工融合的智能設(shè)計育人模式。其中，智能設(shè)計的關(guān)鍵就是輸入和輸出的映射能力，模型訓(xùn)練需要輸入有效的數(shù)據(jù)，而當前“具身智能”賦能人形機器人技術(shù)還不夠成熟，仍需要行業(yè)設(shè)計師與高等院校師生高頻互動，通過不斷地設(shè)計實踐和研究，向大語言模型灌輸數(shù)據(jù)養(yǎng)分。

我個人關(guān)注兩個領(lǐng)域，一是與材料科學(xué)與工程專業(yè)進行跨學(xué)科設(shè)計研究，面向碳中和戰(zhàn)略提出了“基于人工智能的材料設(shè)計方法”（圖3）。

基于智能化技術(shù)，科研團隊創(chuàng)建具有用戶定義性能和目標屬性的生態(tài)材料，使所有用戶都有可能定義其目標產(chǎn)品的機械行為。首先，團隊前期通過對生態(tài)材料實施纖維打散、研磨、干燥處理、加工成型的步驟，使用微觀可視化平臺的數(shù)字圖像處理方法，從納米級結(jié)構(gòu)微觀層面，對微生物鈣化反應(yīng)提升材料性能的時空演化過程進行定量研究；其次，對生態(tài)材料實驗樣本進行美學(xué)、多場性能、健康與安全共72 項指標的評價與實證，揭示關(guān)聯(lián)機理，對材料的多場性能與健康安全進行動態(tài)評估，構(gòu)建多模態(tài)感官、意義、情感、交互、文化內(nèi)涵的審美體驗?zāi)Ｐ停亟鉀Q生態(tài)材料脫鋰嵌理引起的價態(tài)變化、晶格畸變產(chǎn)生的力學(xué)失穩(wěn)等問題。并通過好奇心驅(qū)使、超越規(guī)范等多種途徑，應(yīng)用實驗法和試錯法，探索生態(tài)材料的新視覺、新體驗、新功能、可供性、新場景；最后，匯總上述數(shù)據(jù)與定性經(jīng)驗構(gòu)建多重耦合關(guān)系的知識基因庫，完成知識庫建設(shè)、測試，開放。應(yīng)用IDEF1X 可視化工具，對知識基因進行視覺化表達（圖4）。

第二個是與機械工程的智能制造專業(yè)圍繞“機器人數(shù)字孿生動態(tài)交互設(shè)計應(yīng)用”進行跨學(xué)科教學(xué)，基于數(shù)字孿生技術(shù)，為草莓采摘機器人研發(fā)動態(tài)交互的虛擬仿真試驗教學(xué)系統(tǒng)平臺，讓學(xué)生掌握解決場景建模、試驗場景驅(qū)動、智能算法試驗數(shù)據(jù)自動生成、動態(tài)任務(wù)驅(qū)動的試驗場景優(yōu)化、試驗任務(wù)等效加速等方法，為創(chuàng)意設(shè)計的測試數(shù)據(jù)與場景生成方法研究提供支撐（圖5）。

《設(shè)計》：智能設(shè)計的發(fā)展歷程是怎樣的？它與傳統(tǒng)設(shè)計有哪些區(qū)別和聯(lián)系？

劉鍵：智能設(shè)計（Intelligent Design）作為一種設(shè)計領(lǐng)域的新興方向，可以分為以下幾個發(fā)展階段。

早期探索階段：隨著計算機科學(xué)的發(fā)展，20 世紀末期，設(shè)計師開始探索利用計算機算法輔助設(shè)計，這一階段的智能設(shè)計更多是關(guān)于自動化和效率提升[3]。隨后進入技術(shù)融合階段：進入21 世紀，人工智能（AI）、機器學(xué)習(xí)（ML）、大數(shù)據(jù)等技術(shù)開始與設(shè)計領(lǐng)域結(jié)合。設(shè)計過程開始包含數(shù)據(jù)分析、用戶行為預(yù)測等智能化元素。目前已進入成熟應(yīng)用階段：近年來，由ChatGPT 掀起的智能科技浪潮，大模型企業(yè)級市場的崛起，私有化定制大模型的普及，皆向產(chǎn)業(yè)化和垂直化方向發(fā)展，AI 在設(shè)計中的角色從輔助工具轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)造性合作者，成為超級生產(chǎn)力工具。未來趨勢：預(yù)計未來智能設(shè)計將進一步與量子技術(shù)、元宇宙技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)造更為沉浸式和個性化的設(shè)計體驗。人工智能將可以學(xué)習(xí)人類有史以來所有的知識和經(jīng)驗，誕生出人工通用智能體設(shè)計AGID（Artificial General Intelligence Design）。由智能化設(shè)計到人工通用智能體設(shè)計，將會是人工智能的一個質(zhì)的飛躍。如果說現(xiàn)在基于大語言模型的智能設(shè)計是一個記憶力超強、理性至上的人，那么AGID 就是一個可以模仿人類思考方式和行為的智能體。

當前，傳統(tǒng)設(shè)計在更加人性化、友好和可信賴方面保持著優(yōu)勢，尤其是能夠理解和表達情感，建立和維持與用戶的關(guān)系，以及遵守道德和社會準則方面。智能設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計的區(qū)別在于設(shè)計方法層面上，智能設(shè)計依賴于算法和數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策，而傳統(tǒng)設(shè)計更多依賴于設(shè)計師的直覺和經(jīng)驗。在設(shè)計效率和精準度方面，智能設(shè)計能夠快速處理大量數(shù)據(jù)，提供精準的設(shè)計方案，而傳統(tǒng)設(shè)計過程較為緩慢且重視創(chuàng)意過程。在用戶體驗設(shè)計層面，智能設(shè)計能夠根據(jù)用戶行為和偏好進行個性化設(shè)計，將傳統(tǒng)的產(chǎn)品變成以智能硬件為載體的開放平臺，可以接入更多的服務(wù)和體驗內(nèi)容，來幫助用戶解決實際的問題。而傳統(tǒng)設(shè)計更多基于一般性的用戶需求。無論是智能設(shè)計還是傳統(tǒng)設(shè)計，其核心目標都是解決問題，提高用戶體驗。智能設(shè)計可以為傳統(tǒng)設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持和新的視角，而傳統(tǒng)設(shè)計的創(chuàng)意和直覺思維對智能設(shè)計同樣重要。同時，兩者都追求在技術(shù)和藝術(shù)之間找到平衡，創(chuàng)造美觀且實用的創(chuàng)新產(chǎn)品。

《設(shè)計》：設(shè)計本身是交叉學(xué)科，智能設(shè)計交叉了哪些學(xué)科？對設(shè)計師提出了怎樣的要求？

劉鍵：智能設(shè)計作為一種交叉學(xué)科領(lǐng)域，當下應(yīng)關(guān)注量子糾纏與設(shè)計思維，設(shè)計師應(yīng)率先具備智能化量子設(shè)計思維。量子糾纏是量子物理學(xué)中的一個核心概念，指的是兩個或多個粒子以一種方式相互關(guān)聯(lián)。這種現(xiàn)象挑戰(zhàn)了經(jīng)典物理學(xué)中的許多理論[4]。量子糾纏展示了事物之間復(fù)雜的相互關(guān)系。在設(shè)計思維中，也強調(diào)了理解復(fù)雜系統(tǒng)中各部分之間的關(guān)系。量子糾纏的非局域性暗示了即使在看似獨立的系統(tǒng)中也存在深層次的聯(lián)系。在設(shè)計思維中，跨學(xué)科合作和不同觀點的整合能夠帶來新的洞察力和解決方案。

未來，量子計算機使用量子位（qubits）來存儲信息，與傳統(tǒng)計算機使用的二進制位不同，量子位可以同時表示0 和1（量子疊加），并通過量子糾纏實現(xiàn)高度復(fù)雜的計算，設(shè)計師如何運用計算機科學(xué)，特別是人工智能、機器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等領(lǐng)域，為智能設(shè)計思維提供算法和技術(shù)支持是非常重要的一個課題。因此，在“智能”的加持下，設(shè)計師不再僅是傳統(tǒng)意義上的設(shè)計價值創(chuàng)造者，而是變成了一個數(shù)據(jù)驅(qū)動的策略家、技術(shù)的應(yīng)用者和倫理的守護者。這要求設(shè)計師不僅要有良好的藝術(shù)感覺和創(chuàng)造力，還需要具備數(shù)據(jù)分析能力、技術(shù)理解力以及跨學(xué)科的協(xié)作能力，這種新的設(shè)計范式為創(chuàng)造更加個性化、智能化和人性化的設(shè)計提供了廣闊的空間[5]。

《設(shè)計》：您曾談到“根據(jù)目前的數(shù)據(jù)來看，基于ChatGPT 分析，而后應(yīng)用mindjourney、stablediffusion 等生成式技術(shù)產(chǎn)出設(shè)計方案，它的效率更快，簡化設(shè)計過程并改善設(shè)計成果智能化的設(shè)計解決方案”，這種智能解決方案的高效輸出，對于設(shè)計師來說，利弊如何衡量？

劉鍵：現(xiàn)階段，設(shè)計師應(yīng)該積極學(xué)習(xí)機器學(xué)習(xí)、自然語言處理、深度學(xué)習(xí)模型等開發(fā)工具，同樣重要的，還有創(chuàng)造力、清楚表達、跨部門合作等軟實力。帶領(lǐng)設(shè)計團隊透過機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分析，負責創(chuàng)造和改善輸入AI 的指令（prompt），了解AI 的極限與缺點，強化其優(yōu)勢，借此產(chǎn)出最佳結(jié)果。不管是聊天機器人ChatGPT， 或Midjourney、DALLE-2、StableDiffusion 等繪圖應(yīng)用，有別于傳統(tǒng)編程工程師，是把指令用白話文寫出，接著發(fā)送到AI 系統(tǒng)，由其執(zhí)行實際工作。在設(shè)計師與人工智能協(xié)同設(shè)計的創(chuàng)新模式下，大語言模型的作用是幫助設(shè)計師高效地從跨界領(lǐng)域獲取知識，這種方法消除了設(shè)計師教育背景的局限性，幫助他們在不同領(lǐng)域之間找到相關(guān)的聯(lián)系，使跨學(xué)科研究更具可行性。此時，智能設(shè)計就像是發(fā)明家，回答設(shè)計師的疑問，提供量子智能設(shè)計思維和多種概念的可行性。

《設(shè)計》：對于設(shè)計教育、設(shè)計專業(yè)的教師和學(xué)生來說，應(yīng)以怎樣的姿態(tài)迎接人工智能時代？

劉鍵：首先，學(xué)生除了掌握設(shè)計知識之外，還需要養(yǎng)成閱讀高水平學(xué)術(shù)論文的習(xí)慣，以及學(xué)習(xí)跨學(xué)科的專業(yè)知識，這對學(xué)生而言非常不容易，需要貫通式的跨學(xué)科培養(yǎng)模式。當我走上工作崗位之后，在學(xué)校的支持下，建立了跨學(xué)科的本碩博貫通培養(yǎng)機制。本科階段，夯實學(xué)生的設(shè)計技能，并強調(diào)多學(xué)科知識復(fù)合，加入了人工智能編程和智能硬件設(shè)計等創(chuàng)新課程，以及與多個國際知名高校建立了2+2 本科雙學(xué)位聯(lián)合培養(yǎng)機制。碩博階段，圍繞產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)研發(fā)需求、國家重大活動的設(shè)計需求，強化學(xué)生的學(xué)術(shù)訓(xùn)練與落地實踐，培養(yǎng)設(shè)計創(chuàng)新思維和解決復(fù)雜工程問題的能力。學(xué)生在參與這些項目的過程中，取得了非常多的成果，他們獲得了專利，參賽獲獎，發(fā)表了高水平學(xué)術(shù)論文，收獲榮譽，最終能夠為國家經(jīng)濟、文化建設(shè)貢獻自己的力量，也使得他們能夠非常自信地迎接未來的各種挑戰(zhàn)。

《設(shè)計》：隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，您認為智能設(shè)計的發(fā)展趨勢和前景如何？您有哪些期待或展望？希望和同行深度探討哪些話題？

劉鍵：文化自信是一個國家、一個民族發(fā)展中最基本、最深沉、最持久的力量。目前國外的AI 大模型在編碼與訓(xùn)練過程中隱含意識形態(tài)風(fēng)險[6]。我國設(shè)計行業(yè)需創(chuàng)作獨具中國特色的AI 大模型，在大語言模型的輸出結(jié)果上扭轉(zhuǎn)偏差并提供價值。雖然我國的人工智能產(chǎn)業(yè)具有海量數(shù)據(jù)和用戶數(shù)量的優(yōu)勢，但傳統(tǒng)文化的數(shù)字化進展緩慢，可供大模型訓(xùn)練的中文數(shù)據(jù)缺失。因此，我們鼓勵設(shè)計企業(yè)、高校科研人員等共同參與到其中設(shè)計行業(yè)應(yīng)利用AI 在語言處理方面的優(yōu)勢，借助AI 的功能幫助理解古文語言，將其轉(zhuǎn)換為現(xiàn)代人易于理解的形式，修復(fù)中華傳統(tǒng)文化，創(chuàng)造出互動式的學(xué)習(xí)大語言模型，幫助大眾更好地學(xué)習(xí)和理解傳統(tǒng)文化，行業(yè)開發(fā)頂級國潮產(chǎn)品，對中國經(jīng)典情懷的細顆粒度挖掘和呈現(xiàn)，提升大眾的文化自信，達到物質(zhì)與精神文明并駕齊驅(qū)的社會主義中級階段。

在數(shù)智化背景下，設(shè)計師要融合量子糾纏與設(shè)計思維，形成智能量子設(shè)計思維。雖然量子糾纏和設(shè)計思維屬于不同的學(xué)科領(lǐng)域，但它們都強調(diào)了在復(fù)雜和不確定的環(huán)境中理解深層次的聯(lián)系和相互作用的重要性。這種思維方式對于科學(xué)研究、技術(shù)創(chuàng)新和復(fù)雜問題的解決都有著重要的啟示作用。未來，AI 與人類設(shè)計師的協(xié)作加深，AI 將不僅作為工具輔助設(shè)計，而是成為設(shè)計師的“合作伙伴”，設(shè)計將更加跨學(xué)科，結(jié)合工程學(xué)、認知科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的知識，創(chuàng)造出綜合性解決方案，共同攻克當下及未來人類知識體系上的皇冠位置。