Comment la fabrication numérique transforme l’information en réalité

Regarde autour de toi. Peu importe dans quelle direction vous tournez, tout ce que vous voyez a une histoire attachée à elle. Pour quoi est-il utilisé? Cependant, certaines choses ont un sens plus profond si vous avez les connaissances nécessaires pour décoder les informations qui y sont incorporées.

Imaginez ce scénario: vous creusez un trou dans votre cour pour un jardin. Après quelques pelles pleines de saleté et de rochers, vous rencontrez une pointe de flèche en pierre. Il peut être fait du même matériau que les pierres qui l’entourent, mais sa forme spéciale nous informe qu’il est rare, unique et surprenant. Il n’a pas beaucoup plus de masse ou d’énergie que les autres roches, mais en raison de sa forme unique, il contient beaucoup plus d’informations codées, peut-être sur le passé, son but ou les gens qui l’ont fabriquée. Inévitablement, nous voulons en savoir plus.

Dans la comptabilisation de l'information, l'environnement nous doit une explication de la façon dont cette pointe de flèche est arrivée et pourquoi elle est si spéciale par rapport aux autres roches. Après tout, il fallait y arriver d'une manière ou d'une autre! En d’autres termes, dans cet objet inanimé se trouve une « histoire » ou une « procédure » plus longue qui explique comment il est venu à exister. Ce n’est pas juste un rocher ordinaire, il est rempli d’informations.

Les pièces imprimées en 3D produites avec l’IA peuvent sembler chaotiques, mais sont également complexes.

AI, Entropie et Impression 3D

Mon domaine de spécialisation est l’impression 3D, mais j’ai été fasciné par la récente vague d’intérêt pour l’intelligence artificielle (IA). Ces derniers temps, la recherche sur l'information et la complexité a fait l'objet d'une attention particulière. Bien que cela puisse sembler tangentiel au monde de la fabrication additive, il existe des corrélations surprenantes qui peuvent approfondir vos connaissances des processus d’impression 3D, du prototypage rapide et de la fabrication numérique.

La théorie de l’information suggère que l’information suit un comportement entropique – une tendance vers le chaos et le désordre – tout comme beaucoup de théoriciens avaient l’habitude de voir la chaleur ou d’autres formes d’énergie. Il est facile de supprimer l’étude de l’information comme des « trucs informatiques », mais en vérité, elle n’est pas retirée de la réalité physique, et les pièces imprimées en 3D sont réelles. Au-delà du calcul, des applications intéressantes sont étudiées dans des domaines commeastronomie et biologie. 

Donc, les informations incorporées dans les objets imprimés en 3D sont-elles chaotiques ou ordonnées ? Certaines parties semblent chaotiques (comme le cerveau de Boltzmann expliqué ci-dessous), mais elles ont souvent des histoires incroyablement riches et détaillées sur leur production, ainsi que leur état naturel. Je soutiendrais que les objets imprimés en 3D les plus intéressants et les plus utiles ont tendance à être considérés comme complexes, et on croit que la complexité vit quelque part entre l’ordre et le chaos.au bord du chaos. 

Les nouvelles technologies, telles que l’IA générative et la fabrication numérique, peuvent bénéficier de la théorie de l’information et de l’étude de la complexité. Ils offrent une indication de ce qui pourrait être possible à l’avenir à mesure que nous nous rapprochons d’une unification de l’IA et des technologies de fabrication.  

Prototype d'objets riches en informations

Qu’est-ce qui rend l’impression 3D si fascinante ? Une grande partie de l'appel est dans les parties du roman qui sont créées. Les voir grandir, couche par couche, est captivant. La vérité est que l’impression 3D n’est qu’un moyen pour atteindre une fin. Ce que nous faisons est de créer des objets avecEntropie de Shannon faibleQu'est-ce que ça veut dire ?  

Les objets comme la flèche dont nous avons parlé plus tôt qui sont surprenants et riches en informations sont considérés comme ayant une faible entropie de Shannon. Les objets communs et non surprenants ont une entropie de Shannon élevée et relativement peu d'informations peuvent être extraites. Presque par définition, les objets d'entropie de Shannon faible sont intéressants et intrigants, et les objets d'entropie de Shannon élevée ont tendance à être ennuyeux parce qu'il n'y a rien pour vousaccrochez votre chapeauCela vous permet de le comprendre à un niveau plus profond.  

C'est là que nous renvoyons à la fabrication additive. Les prototypes imprimés en 3D sont comme la pointe de flèche et sont des objets à très faible entropie de Shannon. Ils peuvent être à la température ambiante au toucher, mais ils sont chauds d'informations. Tout comme la forme physique d ' une clé lui permet d ' ouvrir une serrure spécifique, la forme et le matériau spéciaux d ' un objet prototype nous permettent de < < débloquer" informations du monde physique.  

À quelles questions souhaitez-vous que le prototype réponde ? Est-ce que ça ressent et ressemble bien ? Fonctionne-t-il comme prévu dans le cadre d'une assemblée? Sera-t-il vendu ? Quel est son matériel et son usage final? Comment ces géométries atteignent-elles l'objectif du concepteur/ingénieur ?  

Il existe un lien entre les questions répondues et les exigences nécessaires. Plus vous attendez que le prototype réponde à plus de questions, plus vous devez le décrire initialement dans vos exigences. Vous pouvez avoir besoin de plusieurs variantes ou de plusieurs copies pour augmenter la fidélité de la réponse. Cela vous permet de tirer des conclusions plus fiables sur l'objet. Ainsi, en fin de compte, l'augmentation du nombre d'échantillons vous offre une plus grande précision de la description parce que les modèles dans les constructions de pièces deviennent plus apparents lorsque vous avez plus de contenu à évaluer.  

Dans la fabrication, la description de l ' objet est appelée < < exigences > > . Indépendamment du procédé de fabrication, si des renseignements supplémentaires sont nécessaires pour décrire l ' objet, cela le rend plus spécial et exige plus de temps > > . Histoire" pour fabriquer avec précision. Une faible entropie de Shannon produit un contenu d'information élevé.  

BIT À IT

L’un des avantages majeurs de la fabrication numérique est l’existence dejumeau numériquequi est une représentation numérique de la pièce préfabriquée. Le jumeau numérique capture pleinement les exigences de l'objet et le processus de fabrication nécessaire pour le créer. Mais à un moment donné, le caoutchouc doit prendre la route et tous ces 1s et 0s doivent être convertis en un objet physique. Comment ça arrive ?

À ce stade, vous avez peut-être réalisé que j ' utilise < < Histoire" et < < procédure " interchangeables. Ce que je veux dire, c'est que j'ai une idée généralisée de prendre une entrée, de fournir une série d'étapes et d'instructions, et d'obtenir une sortie transformée. Cela peut prendre de nombreux noms en fonction de la discipline. Les mathématiciens peuvent l'appeler une fonction. Un boulanger peut l'appeler une recette, mais l'idée sous-jacente est la même. Ces procédures sont généralement composées de petits bits d'instruction, le plus souvent appeléstâches.

Un dicton courant dans l'industrie de l'impression 3D est queLa complexité est libreBien que cela ne soit pas tout à fait vrai car quelqu'un doit payer pour le temps et les matériaux d'impression, il est vrai que la complexité est beaucoup moins chère que dans la fabrication conventionnelle. Mais pourquoi est-ce que c'est le cas?  

Prenons l'exemple de la fabrication d'un simple cube. Pour le fabriquer, il faut une procédure décrivant comment il vient à exister. Si je voulais écrire une procédure pour faire un cube en utilisant des moyens soustractifs, comme l'usinage CNC, j'ai vraiment besoin de six tâches simplifiées; un pour couper chaque plan plat d'un bloc de matériau. Les instructions pourraient être écrites littéralement sur une note post-it à la main.

Toutefois, a " procédure " Pour imprimer en 3D un cube nécessite un processus itératif étape par étape pour obtenir cette forme, et cela doit être fait numériquement, avant l'impression réelle. Nous devons prendre le fichier STL et l'encoder de manière à ce que la pièce soit découpée en minces couches qui englobent les instructions de la machine pour l'imprimante 3D. Le résultattrancheLes fichiers peuvent être énormes, peut-être jusqu'à quelques gigaoctets d'instructions pour des pièces complexes. Il peut falloir des centaines ou des milliers d'instructions spécifiques pour que la tête d'impression ou le laser s'exécute afin qu'il puisse faire quelque chose d'aussi simple qu'un cube. Même pour une pièce très simple, l'impression 3D doit raconter une très longue histoire sur la façon de la créer. Pour une imprimante 3D qui dessine avec une tête d'extrusion ou un laser, dans un sens très réel, la pièce estécrit dans l'existence. 

Par rapport aux autres procédés de fabrication, il est plus précis de dire que la complexité estavant-chargéen impression 3D. Rendre la géométrie du cube plus complexe, par exemple en y ajoutant plusieurs trous, n ' entraîne pas une augmentation significative du < < procédure " L'imprimante 3D doit désormais dessiner le contour des trous, mais à son tour, elle n'a pas besoin de "grifler" pour les remplir. L'ajout de fonctionnalités telles que des trous peut réduire le temps d'impression, sauf si le nombre de trous est si élevé que le dessin des bordures prend plus de temps que ce qui aurait été pour les remplir simplement avec du matériel. Pour certaines technologies d'impression 3D basées sur des voxels comme Multi Jet Fusion, il n'importe pas du tout si la pièce a un trou ou non en termes d'effet sur le temps d'impression. Pour une imprimante à base de voxel, un trou est essentiellement unrenverséun peu d'information, pas une addition ou une soustraction d'information.

Le chargement avant est également ce qui donne à l’impression 3D sa qualité magique. Avec une simple observation occasionnelle, les parties semblent apparaître de nulle part, sans explication. En réalité, la comptabilité informative a lieu avant le début de l'impression, et l'histoire de la façon dont la partie est venue à être écrite en temps réel pendant qu'elle est imprimée.  

Un exemple de conception cérébrale de Boltzmann.