NASA的进化结构利用衍生式设计来协助执行新的太空任务

January 9, 2024

Matt Alderton - CN

*NASA正在利用衍生式设计来制造更轻盈、更坚固的组件，以协助执行太空任务，包括使用探测车在火星上采集样本，以完成火星样本取回任务。*

衍生式设计可使用人工智能根据给定的工程要求快速给出最优设计。
衍生式设计非常适合航空航天工程，因为它可以帮助工程师创建出更轻的设计，当太空飞行任务受到资金和科学条件的限制时，这一点就显得至关重要。
NASA及其工程合作伙伴正在利用衍生式设计为重量敏感型任务创建新颖的解决方案，例如系外行星气候红外望远镜（EXCITE）和火星样本取回任务。

从原始黑洞和流浪行星到超新星和反物质，太空充满了迷人的现象。然而，对于我们普通的地球人来说，太空中最迷人的特点之一想必大家并不陌生：失重。

从技术层面来看，太空中也存在着地心引力。然而，对于地心引力的影响，宇航员是感觉不到的，因为随着距离的增加，这种引力就会减弱。人离开地球越远，离地心引力的距离也就越远。

以国际空间站为例，宇航员翻筋斗张开嘴接住漂浮食物的画面让许多太空爱好者大饱眼福，这是因为空间站的人员处于自由落体状态：零重力感。空间站，包括机组人员和空间站内的所有物体，都以相同的速度从太空向地球坠落，这使它们看起来处于漂浮状态。绕行地球而不实际碰撞是可能的，这是因为空间站以很快的速度行驶，从而形成了一条精确匹配地球曲率的曲线路径。

如果我们仔细想想，人们对失重的痴迷似乎有几分滑稽。尽管太空中物体的存在似乎与地面物理无关，但机械工程师知道，物体的重量实际上是设计航天器时最重要的考量因素之一。

“在航天世界中，物体的重量就等于成本，”Newton工程与产品开发公司的首席机械工程师Alex Miller说道。

航天器及其组件必须轻量化，以确保经济高效的发射、燃料和能源效率，以及结构完整性，更不用说为完成任务必须最大程度地提高各种仪器的功能了。

但减轻物体的重量并不是一项简单的任务。为了更轻松、更快速地设计轻型航天器，NASA和Newton等公司正在采用一种由人工智能驱动的特殊工具：衍生式设计。

利用衍生式设计来尽可能增加可开发的性能

*NASA的研究工程师Ryan McClelland手中拿的是3D打印的钛结构支架。NASA/Henry Dennis供图。*

依靠物理学原理，衍生式设计协同可将生产制造考虑进去的多种优化算法，能够生成满足用户指定的问题定义和要求的多个解决方案。该算法获取的参数是对工程的详细要求，它们制造的产品便是NASA研究工程师Ryan McClelland称之为“evolved structures”（以下译作“进化结构”）的成品设计。

2023年，McClelland在接受NASA对他的采访时谈到了这种进化结构。他说：“这些东西看起来有点陌生和奇怪，但一旦你了解了它们的功能，你就会感到它们的意义所在。”

进化结构是“陌生和奇怪”的，因为人工智能不像人类工程师那样预先已经有了某物应该是什么样子的概念。它的算法通过解决问题来找到满足设计要求的最佳、最有效的方法。因此，这些算法经常使用人类几乎不可能获得的几何形状，从而创造出大多数人根本想不到的有机形式。

“说到衍生式设计产生的结构，最让我惊讶的是，最终的设计既新颖又直观。说它新颖是因为大多数人想不到这种设计结果，说它直观是因为一旦我看到解决方案，我马上就意识到它的意义，”McClelland这样解释道。

可提高质量和降低风险的迭代

衍生式设计过程既简单又快速。首先，人类工程师要给出技术要求，如成品结构将要承受的载荷，以及它将在太空中受到的力。然后，他们把这些要求输入到软件中。在几个小时之内，衍生式设计便可完成多达40次的设计迭代。

McClelland在NASA制作的“Small Steps, Giant Leaps”（以下译作“从跬步到飞跃”）的系列播客中解释说，“用户把要求输入系统后，人工智能就会提出设计，然后通过有限元分析对设计结果进行测试，以确保其工作正常，并对技术要求进行验证，而且，它还要进行仿真制作，以确保设计的产品可以制作出来。”

McClelland指出，人类每周可以进行一次设计迭代，而人工智能可以在几分钟内完成一次设计迭代。他说，“这样你会得到更多的迭代周期。有了更多的迭代周期，你就可以使用这种进化结构过程更快地获得更优化的设计。”

速度是一个主要优势，但并不是唯一的，质量也有所提高。

McClelland接着说道，“我们发现它实际上还降低了风险。根据我们的观察，这种算法生成的零件没有人类设计中的应力集中。压力因素几乎比人类专家生产的零件低10倍。”

当谈到定制设计时，成本是一个主要的考虑因素，要知道，定制设计是NASA最为需要的。McClelland说：“NASA使用的结构的主要成本来自非经常性工程，而不是制造。与汽车或自行车公司不同的是，NASA在任何特定时间都在开发数千个独特的部件。NASA只有一个哈勃望远镜和一个韦伯望远镜，所以这项技术对我们来说特别有价值。”

最后，还有重量这个关键问题：McClelland表示，与传统部件相比，进化结构可以减轻多达三分之二的重量。“它们的性能大约高出三倍，”他在“从跬步到飞跃”的博客中说道。“当我说性能时，我指的是刚度重量比。所以这些结构不仅很硬，而且非常轻，比人类设计的结构还要坚固得多。”

这种结构的表现良好，不仅在科学和商业方面的优势是显而易见的，而且从配置工作人员的角度来看也是有利的。McClelland说：“从人事的角度看，结构分析师总是供不应求的。我认为这可以通过快速创建刚性强而且坚固的设计来帮助减轻结构分析专家的压力，从而减少以后迭代的需要。”

下一站：火星

NASA的两项任务体现了衍生式设计在优化航天器工程方面的潜力，即系外行星气候红外望远镜（EXCITE）和火星样本取回任务。

*这块人工智能设计的铝制脚手架将支撑EXCITE望远镜的结构。NASA/Henry Dennis供图。*

前者是一个搭载在气球上的望远镜，预计最早将于2023年秋季发射，其目的是对环绕遥远的恒星运行的温暖系外行星进行研究。这台望远镜有一辆SUV的大小，含有至少两个衍生式设计的元素：一个用于望远镜后部的钛支架和一个用于固定其中一台仪器的光学部件的“光具座”，这台被固定的仪器是一个紫外成像光谱仪，将对环绕其母星运行的行星进行连续观测。

McClelland在建筑与设计杂志Dezeen上这样写道：“在当前的应用中，光具座可能是最能给人留下深刻印象的部件。它与普通的光具座截然不同，有更好的结构性能。它还将大约10个部件合并为一个单一部件。”

火星样本取回任务将使用一系列车辆收集可能包含火星上先前存在生命证据的岩石样本，并最终将这些岩石带回地球。为了计划于2027年启动的这一任务，Newton使用欧特克Fusion 360通过衍生式设计的方法设计了一个称为“Capture Lid Mechanism”（以下译作“捕获器”）的关键组件。

作为任务的一部分，毅力号火星探测器目前正在火星表面收集样本并将其放入金属管中。这个探测器将把这些金属管运送到样品检索着陆器，然后由欧空局提供的机器人臂将其放入着陆器的火箭中。这些工作就绪之后，火箭将带着样本自我发射并进入火星轨道。在那里，它将与另一艘航天器会合：一个轨道飞行器，其任务是接收样品并对其进行消毒，并将其存放到最终的航天器中，以便运回地球。

此时便是捕获器发挥作用的时候。火箭中的岩石样本将被“投掷”到轨道飞行器的捕获、存放和返回系统，在这一过程中，岩石样本被捕获到一个有盖的容器内，之后迅速关闭该容器，并将其固定结实。这个盖子受益于Fusion 360的衍生式设计，比人工设计轻了30%。

谈到捕获器的工作方法， Newton的首席机械工程师Miller介绍说：“样品漂进去之后，盖子需要非常迅速地关闭，这是为了防止样品弹出，同时也是为了降低它的污染。想做到这一点需要一个非常轻盈而且坚固的盖子。Fusion 360中的衍生式设计正好可以帮助我们设计这个盖子的结构。”