ИИ: Инновации и стартапы

Ии анализирует результаты и предсказывает, в какой области пространства параметров (например, комбинации температуры и давления) наиболее вероятно найти оптимальный результат или получить максимально полезную новую информацию.

Ии рекомендует следующий эксперимент именно в этой самой «информативной» точке.

Процесс повторяется: эксперимент -> анализ -> предсказание -> рекомендация следующего. ИИ постоянно учится на получаемых данных.

Преимущества:

Максимум информации, минимум опытов: значительное сокращение числа необходимых экспериментов для достижения цели (например, нахождения оптимальных условий синтеза).

Фокус на важном: автоматическое определение наиболее влияющих параметров и их оптимальных диапазонов.

Быстрее к результату: ускорение процесса оптимизации и разработки.

Примеры из жизни: ИИ в действии

Материаловедение: прорыв в сверхпроводимости (2023): команда ученых использовала комбинацию генеративного ИИ и методов «in silico» скрининга для предсказания новых стабильных сверхпроводящих материалов. ИИ проанализировал огромные базы данных кристаллических структур и их свойств, сгенерировал сотни тысяч потенциальных новых структур и предсказал их свойства. В результате был предсказан и впоследствии синтезирован материал (на основе водорода, лития и лантана), демонстрирующий сверхпроводимость при относительно «высокой» для этого класса материалов температуре и более умеренном давлении, чем у предыдущих рекордсменов. Без ИИ такой поиск занял бы десятилетия.

Энергетика: в погоне за водородной экономикой: одна из ключевых задач для водородной энергетики – найти эффективные и дешевые катализаторы для реакции расщепления воды (электролиза). ИИ (комбинация «in silico» скрининга и генеративного дизайна) ускоряет поиск и создание новых каталитических материалов в разы. Платформы ИИ сканируют пространство возможных сплавов и соединений, предсказывая их каталитическую активность и стабильность, позволяя ученым сосредоточиться на проверке самых перспективных кандидатов. Цель: сделать «зеленый» водород конкурентоспособным по цене.

Вывод: от иголки в стоге сена – к целенаправленному созданию алмазов

ИИ кардинально меняет процесс научных открытий и разработки материалов. Он переносит центр тяжести с дорогостоящего, медленного физического перебора на интеллектуальный цифровой дизайн и прогнозирование.

«in silico» скрининг превращает миллионы вариантов в управляемый список лучших кандидатов.

Генеративный ИИ позволяет не просто искать, а создавать идеальные структуры под заданные требования.

ИИ-оптимизация экспериментов делает лабораторную работу максимально эффективной и осмысленной.

Результат: сокращение времени и стоимости разработки в разы, снижение рисков неудач, возможность решать задачи, которые раньше казались невыполнимыми, и ускорение перехода к принципиально новым технологиям – от медицины до чистой энергии. Лаборатория будущего – это симбиоз человеческого гения и вычислительной мощи ИИ. В следующей главе мы увидим, как эти же принципы применяются для создания реальных продуктов и устройств – в мире инженерного дизайна.

Глава 5: инженерный дизайн и разработка продуктов: быстрее, лучше, дешевле с ИИ

Представьте инженера-конструктора. Его задача – создать деталь, узел или целое устройство, которое должно быть прочным, легким, эффективным, соответствовать жестким требованиям безопасности и при этом быть экономичным в производстве. Традиционно это долгий цикл: эскиз -> расчеты -> создание cad-модели -> симуляция (cae) -> выявление слабых мест -> доработка -> снова симуляция… И так десятки итераций. Каждая итерация – время и деньги. ИИ ломает эту парадигму, превращая дизайн из последовательного процесса в параллельный, интеллектуальный и невероятно быстрый. Давайте посмотрим, как.

1. Генеративный дизайн (generative design): когда ИИ становится соавтором конструктора

Проблема: человеческий мозг ограничен в переборе всех возможных форм, удовлетворяющих заданным требованиям. Мы часто идем по проторенным путям или упускаем неочевидные, но более эффективные решения.

Решение ИИ (генеративные алгоритмы + оптимизация): вы задаете ИИ цели (например: минимизировать вес, выдерживать нагрузку x ньютонов в точках а и б, укладываться в габариты y, использовать материал z) и ограничения (например: области крепления, запретные зоны, способ производства – литье, 3d-печать). ИИ использует алгоритмы, вдохновленные природными процессами (например, эволюцией), чтобы автоматически генерировать сотни или тысячи уникальных вариантов дизайна, каждый из которых строго соответствует вашим условиям.

Как это работает?

Инженер задает параметры задачи в специальном по (часто интегрированном с cad-системами).

Генеративный алгоритм создает множество «зародышей» решений.

Алгоритмы оптимизации (часто на основе ml) имитируют «естественный отбор»: оценивают каждое решение по целевым функциям (вес, прочность, стоимость) и «скрещивают»/«мутируют» лучшие варианты.

Процесс повторяется тысячи раз за короткое время.

Инженер получает набор оптимальных, часто органичных, бионических форм, которые человек вряд ли придумал бы сам.

Преимущества:

Радикальная оптимизация: снижение веса на 20—50% при сохранении или улучшении прочности – не редкость.

Повышение эффективности: улучшение аэродинамики, теплоотвода, распределения нагрузок.

Инновационные формы: получение уникальных, эффективных конструкций, часто пригодных только для аддитивного производства (3d-печати).

Сокращение времени на концептуальный дизайн: от недель/месяцев до дней/часов.

2. ИИ-симуляция и оптимизация: виртуальный полигон для тысяч экспериментов

Проблема: традиционные инженерные симуляции (cae: fea – прочность, cfd – гидро/аэродинамика, термоанализ и т.д.) Требуют больших вычислительных ресурсов и времени. Протестировать все возможные вариации дизайна или рабочих параметров физически невозможно.

Решение ИИ (ml, surrogate modelling): ИИ создает «суррогатные модели» – быстрые и легковесные математические аппроксимации сложных физических симуляций. Эти модели обучаются на ограниченном наборе данных, полученных от «тяжелых» cae-расчетов или реальных испытаний.

Как это помогает?

Мгновенное тестирование вариантов: суррогатная модель позволяет за секунды или минуты оценить поведение тысяч вариантов дизайна при разных условиях (нагрузки, температуры, потоки). Традиционная симуляция каждого варианта заняла бы часы или дни.

Автоматическая оптимизация: алгоритмы ИИ могут использовать суррогатную модель для автоматического поиска лучшего дизайна, автоматически настраивая параметры модели под заданные цели (максимизация прочности, минимизация вибраций и т.д.).

Предсказание в реальном времени: быстрые суррогатные модели можно использовать для оперативного анализа и принятия решений даже на производстве.

Преимущества:

Беспрецедентная глубина анализа: возможность исследовать гораздо больше вариантов и параметров, чем раньше.

Ускорение цикла разработки: резкое сокращение времени на этап симуляции и оптимизации.

Повышение качества: нахождение глобального оптимума, а не локального, как при ручном переборе.

Снижение затрат: экономия на вычислительных ресурсах и времени инженеров.

3. Прогнозная аналитика надежности и срока службы: заглядывая в будущее изделия

Проблема: как предсказать, когда деталь выйдет из строя из-за усталости металла, вибрации, коррозии? Традиционные методы (ускоренные испытания, эмпирические формулы) часто неточны и не учитывают всех факторов реальной эксплуатации.

Решение ИИ (ml на основе данных): алгоритмы обучаются на:

Исторических данных о поломках аналогичных изделий.

Данных с датчиков (iot) на работающем оборудовании (вибрация, температура, нагрузка).

Результатах симуляций различных сценариев эксплуатации и старения.

Как это работает? ИИ выявляет сложные, нелинейные связи между условиями эксплуатации, конструктивными особенностями, материалами и вероятностью/временем выхода из строя. Он может:

Прогнозировать остаточный ресурс конкретной детали или узла в реальном времени.

Выявлять слабые места в новом дизайне до запуска в серию.

Оптимизировать планы технического обслуживания (переход от планового к прогнозному то).

Преимущества:

Повышение надежности и безопасности: раннее выявление потенциальных отказов.

Снижение затрат на обслуживание: замена деталей только по необходимости, предотвращение дорогостоящих простоев.

Улучшение дизайна следующих версий: учет «узких мест» на этапе проектирования.

Увеличение срока службы продукта.

Практический совет: интеграция ИИ с cad/cae – ключ к успеху

Мощь ИИ раскрывается полностью при его глубокой интеграции в существующие инженерные инструменты: