劍橋大學(xué)開發(fā)智能學(xué)習(xí)AI算法，可以糾正不同零件、材料和3D打印系統(tǒng)的錯(cuò)誤

2022年8月18日，南極熊獲悉，來自劍橋大學(xué)的工程師們，開發(fā)了一種智能AI學(xué)習(xí)算法，它可以實(shí)時(shí)檢測(cè)和糾正各種不同的錯(cuò)誤。同時(shí)適用于新老設(shè)備，以增強(qiáng)打印能力。使用該算法的3D打印機(jī)，還可以自己學(xué)習(xí)如何打印新材料。

△通過AI機(jī)器學(xué)習(xí)算法，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)和糾正3D打印機(jī)噴嘴錯(cuò)誤的示例圖

該團(tuán)隊(duì)解釋，3D打印有可能徹底改變復(fù)雜和定制部件的生產(chǎn)，如飛機(jī)部件、個(gè)性化醫(yī)療植入物，甚至是糖果，也可能改變制造供應(yīng)鏈。然而，它也容易出現(xiàn)生產(chǎn)錯(cuò)誤，即使微小的不準(zhǔn)確和錯(cuò)誤，都會(huì)造成難以挽回的失敗。

通常，為防止或糾正這些錯(cuò)誤的方法，是由一個(gè)熟練的工人來觀察生產(chǎn)過程。該名公認(rèn)必須具備一定的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)（即使對(duì)訓(xùn)練有素的“眼睛”來說也是一個(gè)挑戰(zhàn)），發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)停止打印，移除零件，并為新的零件調(diào)整設(shè)置。

如果使用新的材料或打印機(jī)，這個(gè)過程需要更多時(shí)間，因?yàn)楣と艘獙W(xué)習(xí)新的設(shè)置。即使如此，
潛在的問題依然可能會(huì)隨時(shí)發(fā)生，另外，工人不可能同時(shí)觀察多臺(tái)打印機(jī)，特別是對(duì)于需要長時(shí)間打印的設(shè)備來說。

△他們的3D打印技術(shù)智能AI算法研究已發(fā)表在《自然-通訊》雜志上（點(diǎn)我傳送門）

過去一直存在的問題
該論文的主要作者，劍橋大學(xué)工程系的Sebastian Pattinson博士說："3D打印是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)橛泻芏鄸|西可能出錯(cuò)，所以很多時(shí)候3D打印會(huì)失敗，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，你所使用的所有材料、時(shí)間和工作都會(huì)白白浪費(fèi)。"

工程師們一直在研發(fā)自動(dòng)3D打印監(jiān)測(cè)軟件，但現(xiàn)有的系統(tǒng)只能檢測(cè)一個(gè)零件、一種材料和一個(gè)打印系統(tǒng)，這種方式具有局限性。

該論文的第一作者Douglas Brion說："人們需要的是一種，真正可以實(shí)現(xiàn)智能化，無人操控的3D打印機(jī)。”他用無人駕駛汽車做了一個(gè)比喻，一輛無人駕駛汽車不能只能一條道路上或在一個(gè)城市里工作。他說：“它需要學(xué)會(huì)在不同的環(huán)境、城市、甚至國家中同樣適用。同樣，一臺(tái)真正智能無人操控的打印機(jī)，必須能夠同時(shí)應(yīng)對(duì)多種零件、材料和復(fù)雜環(huán)境下工作�！�

Brion和Pattinson說，他們開發(fā)的算法，可能正是人們一直在苦苦尋找的“無人駕駛汽車”。

Pattinson說："這意味著你僅用一款監(jiān)控軟件，就可以查看你所有正在工作的，不同種類的打印機(jī)，不斷監(jiān)測(cè)并根據(jù)需要做出改變，基本上是做人類無法做到的事情。"

△a從擠壓式3D打印機(jī)收集各種數(shù)據(jù)集的工作流程，并自動(dòng)標(biāo)明打印參數(shù)的圖像。 b八臺(tái)熱塑性塑料擠壓式3D打印機(jī)（Creality CR-20 Pro），配備了聚焦于噴嘴尖端的攝像頭，以監(jiān)測(cè)材料的沉積。c使用隨機(jī)選擇的切片參數(shù)渲染。e利用現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)床身移除器和底座，以及操作過程中拍攝的照片。 f由CAXTON收集包含120多萬個(gè)樣本的完整數(shù)據(jù)集

它是如何實(shí)現(xiàn)的
研究人員通過向一個(gè)深度學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)視覺模型，來說明是如何訓(xùn)練它的，該軟件在打印192個(gè)構(gòu)建物過程中，自動(dòng)捕獲了大約95萬張圖像。每張圖像都標(biāo)有打印機(jī)的設(shè)置，例如打印噴嘴的速度和溫度，以及打印材料的流速。該模型還收到了有關(guān)這些設(shè)置與良好值差距的信息，使該算法能夠自行理解錯(cuò)誤是如何產(chǎn)生的。

Pattinson說：“該軟件一旦經(jīng)過訓(xùn)練，算法可以通過觀察圖像找出哪些設(shè)置是正確的，哪些是錯(cuò)誤的。例如，某個(gè)設(shè)置是太高還是太低，然后應(yīng)用適當(dāng)?shù)男拚�。最酷的是，使用這種方法的3D打印工廠，可以不斷地收集數(shù)據(jù)，因此算法也可以不斷地改進(jìn)�！�

他們解釋，使用這種方法，它可以應(yīng)用于識(shí)別和糾正不熟悉的物體或材料，甚至是新的打印系統(tǒng)中的錯(cuò)誤。

Brion說：“當(dāng)你用噴嘴進(jìn)行打印時(shí)，那么無論你使用的是什么材料，如聚合物、混凝土、番茄醬或其他什么都可以，你都會(huì)得遇到潛在的打印錯(cuò)誤。例如，如果噴嘴移動(dòng)得太快，你往往會(huì)出現(xiàn)材料的斑塊，或者如果你推出的材料太多，那么打印的線條會(huì)重疊形成折痕。”

無論打印什么部件或使用什么材料，類似設(shè)置產(chǎn)生的錯(cuò)誤都會(huì)具有類似的特征。因?yàn)槲覀兊腁I智能學(xué)習(xí)算法，通過不斷學(xué)習(xí)，可以應(yīng)對(duì)不同材料的一般特征。

結(jié)果，只用一種材料和印刷系統(tǒng)訓(xùn)練的算法，能夠在不同的打印機(jī)系統(tǒng)上檢測(cè)和糾正不同材料的錯(cuò)誤，從工程聚合物到番茄醬，或者是蛋黃醬，它都可以。

△為熊友們奉上“通過多頭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通用3D打印錯(cuò)誤檢測(cè)和校正”的數(shù)據(jù)集（點(diǎn)我傳送門）

該算法得到多方支持
在劍橋大學(xué)商業(yè)化部門的支持下，Brion成立了Matta公司，將開發(fā)商業(yè)應(yīng)用的技術(shù)。

Brion：“我們正在把注意力轉(zhuǎn)向，如何在高價(jià)值行業(yè)中發(fā)揮作用，如航空航天、能源和汽車等行業(yè)。在這些行業(yè)中，3D打印技術(shù)被用來制造高性能和昂貴的部件，可能需要幾天或幾周的時(shí)間來完成一個(gè)單一的部件，成本為數(shù)千英鎊。在開始時(shí)發(fā)生的錯(cuò)誤，很可能直到部件完成和檢查時(shí)才會(huì)被發(fā)現(xiàn)。我們的方法將實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，顯著提高生產(chǎn)效率"。

這項(xiàng)研究得到了工程和物理科學(xué)研究委員會(huì)(EPSRC)、皇家學(xué)會(huì)、醫(yī)學(xué)科學(xué)院和艾薩克-牛頓信托的支持。