人工智能技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用

劉慧瑩

關(guān)鍵詞：人工智能技術(shù);工業(yè)設(shè)計;應(yīng)用

自2006 年深度學(xué)習(xí)算法被提出以來，人工智能技術(shù)應(yīng)用已取得突破性發(fā)展。數(shù)據(jù)的爆發(fā)式增長和計算機硬件的飛速提升，為人工智能技術(shù)發(fā)展提供了充分的“養(yǎng)料”，令人工智能技術(shù)在產(chǎn)業(yè)落地和商業(yè)化發(fā)展上成為了可能。隨著以人工智能為主要代表的工業(yè)4.0 時代的到來，人工智能技術(shù)已滲入人們生活及工作的多個領(lǐng)域，作為與人們生活息息相關(guān)的工業(yè)設(shè)計，人工智能技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用已成為現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計發(fā)展的趨勢。

1 人工智能技術(shù)概述

1956 年夏季，以麥卡賽、明斯基、羅切斯特和申農(nóng)等為首的科學(xué)家首次提出“人工智能”這一術(shù)語，它標(biāo)志著“人工智能”這門新興學(xué)科的正式誕生。人工智能是研究計算機模擬人的某些思維過程和智能行為（如學(xué)習(xí)、推理、思考、規(guī)劃等）的學(xué)科，通過構(gòu)造具有一定智能的人工系統(tǒng)來研究如何讓計算機去完成以往需要人的智力才能勝任的工作。而人工智能技術(shù)是基于計算機網(wǎng)絡(luò)和電子信息系統(tǒng)，融合哲學(xué)、社會心理學(xué)等內(nèi)容的一門綜合性很強的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。人工智能技術(shù)作為一門新型應(yīng)用型技術(shù)，主要包括計算機視覺、機器學(xué)習(xí)、自然語言處理、機器人技術(shù)和生物識別技術(shù)等。人工智能技術(shù)在這幾年得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，被認(rèn)為是二十一世紀(jì)三大尖端技術(shù)（基因工程、納米科學(xué)、人工智能）之一。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工智能技術(shù)被逐漸應(yīng)用到了工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域，為人們生活提供了許多智能、便捷的產(chǎn)品，以滿足人們對生活產(chǎn)品的智能行為需求和使用體驗[1]。

2 工業(yè)設(shè)計概述

工業(yè)設(shè)計起源于1919 年德國的Bauhaus 學(xué)校，至今已有100 多年。1980 年國際工業(yè)設(shè)計協(xié)會聯(lián)合會在第十一次年會上公布了工業(yè)設(shè)計定義：就批量生產(chǎn)的產(chǎn)品而言，憑借訓(xùn)練、技術(shù)知識、經(jīng)驗及視覺感受，而賦予材料、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、形態(tài)、色彩、表面加工、裝飾以新的品質(zhì)和資格。2017 年世界設(shè)計組織對工業(yè)設(shè)計重新定義：工業(yè)設(shè)計是驅(qū)動創(chuàng)新、成就商業(yè)成功的戰(zhàn)略性解決問題的過程，通過創(chuàng)新性的產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)和體驗創(chuàng)造更美好的生活品質(zhì)。在信息化和經(jīng)濟全球化的當(dāng)代，工業(yè)設(shè)計日益滲透到人們社會生活的各個方面，作為面向現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)的工業(yè)設(shè)計是以工業(yè)產(chǎn)品為主要對象，綜合運用科技成果、社會、經(jīng)濟、文化和美學(xué)等知識，對產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、形態(tài)及包裝等進(jìn)行整合優(yōu)化的集成創(chuàng)新活動。工業(yè)設(shè)計作為連接商業(yè)和用戶的載體，不斷向用戶傳遞著企業(yè)的價值理念和服務(wù)宗旨，其所擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧莿?chuàng)新的探索者。未來，一定是通過設(shè)計讓科技變得更有人情味兒;通過設(shè)計，讓科技變得更加人性化、更加易用、成本更低，真正服務(wù)于用戶，這才是工業(yè)設(shè)計在未來的真正價值。探索“科技+ 設(shè)計”的具體應(yīng)用，利用科技不斷放大設(shè)計的邊界，是未來工業(yè)設(shè)計的重要使命。

3 人工智能技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用意義

設(shè)計服務(wù)于用戶的產(chǎn)品是工業(yè)設(shè)計的主要目的。近年來，由于人工智能等前沿技術(shù)和工業(yè)設(shè)計的相結(jié)合，開創(chuàng)了制造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的新思維，掀起了一輪聲勢浩大的工業(yè)設(shè)計變革浪潮，同時引發(fā)了公眾對傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計的發(fā)展瓶頸和未來發(fā)展的深度思考。將人工智能技術(shù)融入工業(yè)設(shè)計，堅持以用戶體驗為核心，以市場與技術(shù)的迭代更新為導(dǎo)向，在充分考慮產(chǎn)品的使用環(huán)境、場景、人群、文化、商業(yè)模式等因素的基礎(chǔ)上，設(shè)計出更加符合用戶需求的智能化、個性化產(chǎn)品將是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計發(fā)展的趨勢。

現(xiàn)今社會正處在飛速發(fā)展之中，人們普遍注重效率、體驗和情感，伴隨用戶需求的多樣化，工業(yè)設(shè)計需要不斷的創(chuàng)新與提升。為給用戶打造更加便捷、舒適的全新生活方式，更需要設(shè)計師不斷創(chuàng)造性地解決問題。人工智能技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用意義主要在于兩個方面：首先，對設(shè)計師本身而言，利用人工智能技術(shù)能讓設(shè)計師快速了解和準(zhǔn)確掌握客戶需求，創(chuàng)造出更有想象力的產(chǎn)品，更好地完成產(chǎn)品設(shè)計;其次，對于產(chǎn)品和用戶來說，利用人工智能技術(shù)可以提升產(chǎn)品的設(shè)計價值，不僅使產(chǎn)品在造型、功能、結(jié)構(gòu)和材料等方面更加科學(xué)、合理，省去不必要的功能以及材料，又能使產(chǎn)品的整體美與社會文化功能得到大幅提升，同時還能有效增加用戶對產(chǎn)品使用體驗的良好認(rèn)同感[2]。人工智能技術(shù)不僅給工業(yè)設(shè)計帶來了巨大的改變和經(jīng)濟效益，還給人們的生活帶來了諸多變化和便利。伴隨人工智能技術(shù)的日益成熟，其在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用也將不斷擴大。

4 人工智能技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用思路

隨著社會的發(fā)展，人工智能技術(shù)已逐漸走進(jìn)并融入人們的生活，計算機視覺、機器學(xué)習(xí)、自然語言處理、機器人技術(shù)和生物識別技術(shù)等在工業(yè)設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。

4.1 計算機視覺在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用

計算機視覺實際是一種生物感官模擬器，通過視覺技術(shù)來模擬人類眼球的工作狀態(tài)。簡單說來，計算機視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。在進(jìn)行視覺技術(shù)應(yīng)用過程中，攝像頭將所采集到的圖像轉(zhuǎn)化為一種圖形信號，這種信號會交由專用的圖像處理器進(jìn)行信息處理，處理系統(tǒng)會根據(jù)圖像的分布情況及物體的大小、亮度、顏色等信息，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，之后圖像處理系統(tǒng)會根據(jù)這些信號進(jìn)行目標(biāo)特征分析工作。在產(chǎn)品設(shè)計過程中，計算機視覺的價值主要表現(xiàn)為：可視化和交互性。具體而言，可視化有助于把產(chǎn)品的三維設(shè)計模型與實際世界重疊，從而增強設(shè)計師的現(xiàn)實視覺感受;交互性則表現(xiàn)為設(shè)計師可以借助計算機視覺界面進(jìn)行信息交流，通過交互式的溝通，修改設(shè)計模型、協(xié)同創(chuàng)作產(chǎn)品、進(jìn)行數(shù)字優(yōu)化體驗等，提升設(shè)計師對產(chǎn)品設(shè)計的創(chuàng)新與理解。

計算機視覺最基本的特點就是提高生產(chǎn)的靈活性和自動化程度。在工業(yè)設(shè)計中，可將計算機視覺應(yīng)用在一些不適于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境中或者人工視覺難以滿足要求的場合中，用計算機視覺來替代人工視覺。如太空航行器和深海探測器的設(shè)計，通過計算機視覺能幫助設(shè)計師架起時空的望遠(yuǎn)鏡，打破被局限在固定空間中的物理邊界，讓設(shè)計師在進(jìn)行創(chuàng)作時有身臨其境的感受。由于計算機視覺擁有可嵌入性，可以與其他科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，因此可以為設(shè)計師實現(xiàn)更多設(shè)計可能性提供技術(shù)上的支持。在工業(yè)設(shè)計向數(shù)字化發(fā)展的大背景下，受人矚目的無人駕駛汽車就是交通工具與人工智能技術(shù)相結(jié)合的典型設(shè)計案例[3]。設(shè)計師利用計算機視覺中的運動目標(biāo)跟蹤技術(shù)，將計算機視覺、自動控制等技術(shù)相結(jié)合，通過自動識別和跟蹤對象，捕獲工作環(huán)境與運動空間，讓設(shè)計的汽車產(chǎn)品在物理世界和數(shù)字世界之間保持實時連通，以實現(xiàn)汽車的無人智能駕駛功能。

4.2 機器學(xué)習(xí)在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用

機器學(xué)習(xí)是研究實現(xiàn)人怎樣使用計算機模擬或類學(xué)習(xí)活動的科學(xué)技術(shù)，是人工智能中最具智能特征、最前沿的技術(shù)研究領(lǐng)域之一。自20 世紀(jì)80 年代以來，機器學(xué)習(xí)作為實現(xiàn)人工智能的途徑，在人工智能界引起了廣泛的興趣，特別是近十幾年來，機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的研究工作發(fā)展很快，已成為人工智能技術(shù)研究的重要課題之一。未來機器學(xué)習(xí)將在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用，因為一個工業(yè)設(shè)計產(chǎn)品是否具有學(xué)習(xí)能力已成為其是否具有“智能”的標(biāo)志[4]。

傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計往往依賴手工建模，存在工作量大、設(shè)計成本較高、以往模型內(nèi)部的幾何形狀、關(guān)系等知識得不到重復(fù)利用等問題。在工業(yè)設(shè)計中，憑借機器學(xué)習(xí)提供的支持，就能有效解決上述問題，這將有助于設(shè)計師快速實現(xiàn)工業(yè)設(shè)計建模，大幅降低傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計中的人工工作量和經(jīng)濟投入成本。機器學(xué)習(xí)的好處之一就是確保設(shè)計師使用更少的時間和費用來完成給定的設(shè)計任務(wù)。在工業(yè)設(shè)計中通過建立機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，可以幫助設(shè)計師完成比較繁瑣的數(shù)據(jù)搜集和整理工作，為產(chǎn)品設(shè)計提供實時的決策和支持，協(xié)助設(shè)計師完成產(chǎn)品方案的初步設(shè)計。具體而言，設(shè)計師只需要定義一些簡單的條件，機器學(xué)習(xí)就會在后臺運行，為設(shè)計師提供即時的動態(tài)設(shè)計反饋參考信息。工業(yè)設(shè)計方案的評定涉及到很多領(lǐng)域的知識，包括美學(xué)、人機工程學(xué)、社會心理學(xué)、加工制造工藝學(xué)、市場營銷學(xué)等，通過采用機器學(xué)習(xí)中的專家系統(tǒng)，可以獨立完成對工業(yè)設(shè)計方案的綜合科學(xué)評判，以減少人為因素對評定結(jié)果的影響，從而實現(xiàn)設(shè)計方案的最優(yōu)化選擇。

4.3 自然語言處理在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用

人類語言經(jīng)過數(shù)千年的發(fā)展，已經(jīng)成為一種微妙的交流形式，承載著豐富的信息，這些信息往往超越語言本身。自然語言處理成為填補人類通信與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鴻溝的一項重要技術(shù)。自然語言處理是指利用人類交流所使用的自然語言與機器進(jìn)行交互通訊的技術(shù)。簡單來說，即是計算機接受用戶自然語言形式的輸入，并在內(nèi)部通過人類所定義的算法進(jìn)行加工、計算等一系列操作，以模擬人類對自然語言的理解，完成用戶所期望的結(jié)果。正如機械解放人類的雙手一樣，自然語言處理的目的在于用計算機代替人工來處理大規(guī)模的自然語言信息。

在工業(yè)設(shè)計中，設(shè)計師的服務(wù)對象是用戶，如何為用戶提供更加科學(xué)、合理、個性化的產(chǎn)品，是每位設(shè)計師都需要面對的問題[5]。情感分析和個性化推薦作為日常生活中常見的自然語言處理應(yīng)用，可以讓設(shè)計師從大量的用戶數(shù)據(jù)中識別和分析相關(guān)產(chǎn)品反饋信息，依據(jù)大數(shù)據(jù)和歷史行為記錄分析，預(yù)測出用戶對使用產(chǎn)品的評價或偏好，以達(dá)到對用戶意圖的精準(zhǔn)理解和快速匹配，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的個性化設(shè)計服務(wù)，最終做到提升用戶粘性的目的。機器翻譯屬于自然語言信息處理的一個分支，能夠?qū)⒁环N自然語言自動生成為另一種自然語言又無需人類幫助的計算機系統(tǒng)。伴隨通信技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展、信息的急劇增加，以及工業(yè)設(shè)計國際交流合作的愈加緊密，機器翻譯能讓設(shè)計師更高效、低成本的跨越語言交流的障礙，快速準(zhǔn)確地了解相關(guān)設(shè)計產(chǎn)品的各類信息。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)信息量的不斷增加，為設(shè)計出更好的產(chǎn)品，設(shè)計師需要獲取更多的設(shè)計知識。傳統(tǒng)的搜索引擎技術(shù)已經(jīng)不能滿足設(shè)計師越來越高的需求，而作為自然語言處理應(yīng)用之一的自動問答技術(shù)，成為解決這一問題的有效手段[6]。在設(shè)計師提出相關(guān)設(shè)計知識問題后，自動問答技術(shù)在正確計算分析設(shè)計師所提問題的基礎(chǔ)上，通過抽取其中關(guān)鍵的信息，在已有的語料庫或者知識庫中進(jìn)行檢索、匹配，將獲取到的答案反饋給設(shè)計師，以滿足設(shè)計師對產(chǎn)品設(shè)計相關(guān)知識的需求?？梢哉f自然語言處理適應(yīng)了大數(shù)據(jù)時代的工業(yè)設(shè)計需求，彌補了人類交流（自然語言）與計算機理解（機器語言）之間的差距，實現(xiàn)了計算機在理解自然語言上像人類一樣的智能化夢想。未來，自然語言處理在工業(yè)設(shè)計上的應(yīng)用，將使設(shè)計師可以面對更加復(fù)雜的情況、解決更多的問題，更有目的性地對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行更新?lián)Q代，從而設(shè)計出更加符合用戶喜好、審美和使用需求的產(chǎn)品。

4.4 機器人技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用

機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的一項高新技術(shù)。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器進(jìn)化過程的產(chǎn)物。

眾所周知，機器人的內(nèi)外部都有各種傳感器，如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺，還包括效應(yīng)器，可以使手、腳、長鼻、觸角等動起來。早期的機器人技術(shù)難以滿足實際工業(yè)設(shè)計的需求，但隨著科技水平的不斷提高，機器人技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用日益豐富。機器人能夠模擬人類思維方式來解決工業(yè)設(shè)計中遇到的問題，通過自動發(fā)出類似基于人類的各種行為控制指令，在無人工干預(yù)的前提下自動做出并實施正確決策[7]。由于機器人具有質(zhì)量穩(wěn)定、速度可調(diào)節(jié)、抗疲勞等優(yōu)勢，它能輔助設(shè)計師完成對產(chǎn)品設(shè)計的各種常規(guī)操作程序，還能替代設(shè)計師完成危險系數(shù)較高的工作任務(wù)。與傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計相比，在工業(yè)設(shè)計中應(yīng)用機器人技術(shù)，能夠有效地降低設(shè)計產(chǎn)品的故障率，提高設(shè)計產(chǎn)品的質(zhì)量，同時還能降低生產(chǎn)成本，預(yù)防惡劣工作環(huán)境對設(shè)計師造成的傷害，減輕設(shè)計師的工作壓力，大幅提高工業(yè)設(shè)計的效率及質(zhì)量。如先進(jìn)海洋機器人的引進(jìn)，可以使深海探索成為可能，為設(shè)計師進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時提供更多的真實場景;多功能無人地面機器人的使用，可以取代設(shè)計師在風(fēng)險較大的工作場所執(zhí)行危險任務(wù)，完成更多復(fù)雜的作業(yè)。伴隨機器人技術(shù)的逐漸成熟，使得設(shè)計師的設(shè)計潛能被不斷發(fā)掘，與此同時借助機器人技術(shù)，設(shè)計師的奇思妙想也不再是天馬行空，而是變得更加易于實現(xiàn)，這將有助于設(shè)計師更快、更好地構(gòu)建產(chǎn)品，加快產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的創(chuàng)新步伐。

4.5 生物識別技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用

生物識別技術(shù)是利用生物個體自身擁有的、并且能夠唯一識別其身份的生理特征或者行為特征，將光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器等技術(shù)手段與計算機信息技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行身份自動辨識或認(rèn)證的數(shù)字化識別技術(shù)。生物識別系統(tǒng)一般由信息采集、信息數(shù)據(jù)庫、信息特征提取、信息匹配識別等部分組成。其中指紋識別技術(shù)因具有唯一性、終生不變性、安全性、可靠性、非侵害性等特性，已成為工業(yè)設(shè)計中應(yīng)用最廣泛的生物識別技術(shù)之一。

生物識別技術(shù)的出現(xiàn)提升了人們對產(chǎn)品功能的要求，方便快捷的操作體驗是工業(yè)設(shè)計的重要前提，利用生物識別技術(shù)可以建立起人機之間的感性認(rèn)知與交互功能，用戶在進(jìn)行操作時，只需輕輕一按或眼睛一眨、或輕聲一說，即可完成操作[8]。生物識別技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中進(jìn)行應(yīng)用時，需要從安全性、易操作性、美觀性、經(jīng)濟性等方面進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。如當(dāng)下，人臉識別技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在實際應(yīng)用場景下，具有操作簡單、結(jié)果直觀、隱蔽性好等特點。根據(jù)富士通方面的數(shù)據(jù)，虹膜識別的錯誤識別可能為1/1500000，而蘋果TouchID 的錯誤識別可能為1/50000，虹膜識別的準(zhǔn)確率高達(dá)當(dāng)前指紋識別的三十倍，且虹膜識別屬于非接觸式的識別，識別方式非常方便高效。此外，虹膜識別還具有唯一性、穩(wěn)定性、不可復(fù)制性、活體檢測等特點，綜合來看，安全性能上虹膜識別占據(jù)絕對優(yōu)勢，安全等級來說是目前生物識別中最高的。因此，在未來虹膜識別將會憑借其超高的精確性和使用的便捷性、安全性，被設(shè)計師廣泛地應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計之中。隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，生物識別技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中將擁有更為廣闊的市場應(yīng)用前景，它不僅提高了人們生產(chǎn)生活的效率，同時也給人們的生活增添了更多的趣味。

5 結(jié)語

當(dāng)前人工智能技術(shù)已進(jìn)入快速發(fā)展階段，以人工智能技術(shù)為代表的高新技術(shù)開辟了工業(yè)設(shè)計的嶄新領(lǐng)域，為未來產(chǎn)品設(shè)計注入了新的動力。人工智能技術(shù)與工業(yè)設(shè)計的共同發(fā)展與相互結(jié)合，將有利于設(shè)計師擺脫既定的思維框架，借助人工智能技術(shù)提供的各種支持，可以激發(fā)設(shè)計師的創(chuàng)作靈感，開拓設(shè)計思路，使他們設(shè)計出的產(chǎn)品更加多樣化與全面化。文章針對計算機視覺、機器學(xué)習(xí)、自然語言處理、機器人技術(shù)和生物識別技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行了探討與研究。筆者認(rèn)為，隨著人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，其在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計上的應(yīng)用也將會越來越廣，未來借助人工智能技術(shù)，設(shè)計師可以創(chuàng)造出更多經(jīng)濟、便捷、舒適的智能化產(chǎn)品，以滿足人們對產(chǎn)品設(shè)計的個性化需求和定制化要求，從而更好地實現(xiàn)工業(yè)設(shè)計為用戶服務(wù)的理念與宗旨。