数字化制造如何将信息转化为现实

看看你周围。无论你转向哪个方向，你所看到的一切都有一个故事。它是如何形成的？它的用途是什么？然而，如果你有知识来解码其中嵌入的信息，有些事情就有更深的意义。

想象一下这样的场景：你正在院子里挖一个洞来建花园。几铲装满泥土和岩石后，你看到了一个石箭头。它可能是由与周围的石头相同的材料制成的，但它的特殊形状告诉我们，它是罕见的，独特的，令人惊讶的。它的质量或能量并不比其他岩石明显多，但由于其独特的形状，它包含了更多的编码信息，可能是关于过去、目的或制造它的人。当然，这个故事比典型的岩石能提供的更多。不可避免地，我们想知道更多。

在信息会计中，环境欠我们一个解释，说明这个箭头是如何形成的，以及为什么它与其他岩石相比如此特殊。毕竟，它必须以某种方式到达那里！换句话说，在这个无生命的物体中，嵌入了一个更长的“故事”或“程序”，解释了它是如何存在的。它不仅仅是一块普通的石头，它充满了信息。

用人工智能生产的3D打印零件可能看起来很混乱，但也很复杂。

人工智能、熵和3D打印

我的专业领域是3D打印，但最近人们对人工智能（AI）的兴趣激增让我着迷。最近，关于信息和复杂性的研究备受关注。虽然这似乎与增材制造世界无关，但有一些令人惊讶的相关性可以加深你对3D打印工艺、快速原型和数字制造的了解。

信息论认为，信息遵循熵行为——一种混乱和无序的趋势——就像许多理论家过去看待热或其他形式的能量一样。很容易将信息研究视为“计算机材料”，但事实上，它并没有脱离物理现实，3D打印的部件是真实的。除了计算，在天文学和生物学等领域也有有趣的应用正在研究中。 

那么，嵌入在3D打印物体中的信息是混乱的，还是有序的？有些部分看起来很混乱（如下面解释的玻尔兹曼大脑），但它们通常有非常丰富、详细的生产故事，以及它们的自然状态。我认为最有趣和最有用的3D打印物体往往被认为是复杂的，复杂性被认为存在于混乱边缘的秩序和混乱之间。 

生成式人工智能和数字制造等新技术可以从信息理论和复杂性研究中受益。它们表明，随着我们越来越接近人工智能和制造技术的统一，未来可能会发生什么。 

对信息丰富的对象进行原型制作

是什么让3D打印如此迷人？大部分吸引力在于所创造的新颖部分。看着它们一层一层地生长，令人着迷。事实上，3D打印只是达到目的的一种手段。我们真正做的是创建香农熵低的对象。这是什么意思？ 

像我们之前讨论的箭头这样令人惊讶且信息丰富的物体被认为具有较低的香农熵。常见且不令人惊讶的对象具有较高的香农熵，可以提取的信息相对较少。几乎从定义上讲，低香农熵的物体是有趣和有趣的，而高香农熵的对象往往很无聊，因为没有什么可以让你在更深层次上理解它。 

这就是我们与增材制造的联系。3D打印的原型就像箭头一样，是香农熵非常低的物体。它们摸起来可能是室温，但它们对信息来说是白热化的。正如钥匙的物理形状使其能够打开特定的锁一样，原型物体的特殊形状和材料使我们能够"；解锁”；来自物理世界的信息。 

您希望原型回答哪些问题？它的感觉和外观是否正确？它作为组件的一部分是否按预期工作？它会卖吗？它的材料和最终用途是什么？这些几何形状是如何实现设计师/工程师的目标的？ 

回答的问题与必要的要求之间存在关系。你期望原型回答的问题越多，你就越需要在需求中对其进行初步描述。您可能需要几个变体或多个副本来提高答案的保真度。这使您能够更可靠地对对象得出结论。因此，最终，增加样本数量可以为您提供更高的描述精度，因为当您有更多内容要评估时，零件构建中的模式会变得更加明显。 

在制造过程中，对物体的描述被称为其“；要求"；。无论制造过程如何，如果需要更多的信息来描述物体，这会使它更特别，需要更长的"；故事"；精确制造。低香农熵产生高信息含量。 

一点点

数字制造的一个巨大优势是数字孪生的存在，这是预制零件的数字表示。数字孪生完全捕捉到了物体的要求和创建它所需的制造过程。但在某些时候，橡胶需要上路，所有这些1和0都需要转换为物理物体。这是怎么发生的？

此时，你可能已经意识到我在使用"；故事"；以及"；程序"；可互换。我的意思是，我有一个广义的想法，即接受输入，提供一系列步骤和指令，并获得转换后的输出。根据学科的不同，这可能有很多名字。数学家可以称之为函数；面包师可能会称之为食谱，但基本思想是一样的。这些过程通常由较小的指令位组成，最常见的是任务。

3D打印行业的一句俗语是，复杂性是免费的。虽然这并不完全正确，因为有人必须为打印时间和材料付费，但复杂性确实比传统制造便宜得多。但为什么会这样呢？ 

让我们举一个制造简单立方体的例子。为了制造它，必须有一个程序来描述它是如何存在的。如果我想写一个使用减法方法（如CNC加工）制作立方体的程序，我真的需要六个简化的任务；从一块材料上切下每个平面。这些说明可以手写在便利贴上。

然而，a"；程序"；3D打印立方体需要一个循序渐进的迭代过程来获得形状，并且必须在实际打印之前以数字方式完成。我们需要获取STL文件并对其进行编码，将零件切成薄层，其中包含3D打印机的机器指令。由此产生的切片文件可能很大，对于复杂的部件，可能多达几GB的指令。打印头或激光器可能需要数百或数千条特定指令才能执行，因此它可以制作出像立方体这样简单的东西。即使是一个非常简单的零件，3D打印也必须讲述一个关于如何创建它的漫长故事。对于一个用挤出头或激光绘图的3D打印机来说，在非常真实的意义上，零件是被写下来的。 

与其他制造工艺相比，更准确地说，复杂性在3D打印中是前置的。使立方体几何形状更加复杂，例如在其上添加几个孔，并不会导致"；程序"；需要创建它。3D打印机现在必须绘制孔的轮廓，但反过来又不必“涂鸦”来填充它。添加孔等功能可以减少打印时间，除非孔的数量太多，绘制边框所需的时间比只填充材料要长。对于一些基于体素的3D打印技术，如Multi-Jet Fusion，就打印时间的影响而言，零件是否有孔根本不重要。对于基于体素的打印机，孔本质上是一个翻转的信息位，而不是信息的加法或减法。

正面加载也是3D打印具有神奇品质的原因。只是随便观察一下，这些部分似乎突然出现，没有任何解释。事实上，信息会计是在印刷开始之前发生的，而零件是如何形成的故事是在印刷时实时编写的。 

玻尔兹曼大脑设计的一个例子。