Come la produzione digitale trasforma le informazioni in realtà

Guardati intorno. Non importa in quale direzione si gira, tutto quello che si vede ha una storia collegata ad esso. A cosa serve? Alcune cose, tuttavia, hanno un significato più profondo se avete la conoscenza per decodificare le informazioni incorporate in esse.

Immagina questo scenario: stai scavando un buco nel tuo cortile per un giardino. Dopo qualche pala piena di sporco e rocce, si incontra una punta di freccia in pietra. Può essere realizzato nello stesso materiale delle pietre che lo circondano, ma la sua forma speciale ci informa che è rara, unica e sorprendente. Non ha notevolmente più massa o energia delle altre rocce, ma a causa della sua forma unica contiene molto più informazioni codificate, forse sul passato, sul suo scopo o sulle persone che le hanno fabbricate. Inevitabilmente vogliamo saperne di più.

Nella contabilità delle informazioni, l'ambiente ci deve una spiegazione di come questa punta di freccia è venuta a essere e perché è così speciale rispetto alle altre rocce. Dopotutto, doveva arrivarci in qualche modo! In altre parole, in questo oggetto inanimato si trova racchiusa una più lunga “storia” o “procedura” che spiega come è venuto ad esistere. Non è solo una roccia normale, è piena di informazioni.

Le parti stampate in 3D prodotte con AI possono sembrare caotiche, ma sono anche complesse.

AI, Entropia e Stampa 3D

La mia area di specializzazione è la stampa 3D, ma sono stato affascinato dalla recente ondata di interesse per l’intelligenza artificiale (AI). Ultimamente, c'è stato un riflettore sulla ricerca sull'informazione e la complessità. Anche se questo potrebbe sembrare tangenziale al mondo della produzione additiva, ci sono sorprendenti correlazioni che possono approfondire la tua conoscenza dei processi di stampa 3D, prototipazione rapida e produzione digitale.

La teoria dell'informazione suggerisce che l'informazione segua un comportamento entropico - una tendenza verso il caos e il disordine - proprio come molti teorici hanno usato per vedere il calore o altre forme di energia. Oltre al calcolo, ci sono interessanti applicazioni che vengono studiate in campi come l'astronomia e la biologia.  

Quindi, le informazioni incorporate negli oggetti stampati in 3D sono caotiche o ordinate? Alcune parti sembrano caotiche (come il cervello di Boltzmann spiegato di seguito), ma spesso hanno storie incredibilmente ricche e dettagliate sulla loro produzione, così come sul loro stato naturale. Sostengo che gli oggetti stampati in 3D più interessanti e utili tendono a essere considerati complessi, e si crede che la complessità viva da qualche parte tra ordine e caos al bordo del caos.  

Le nuove tecnologie, come l’IA generativa e la produzione digitale, possono trarre vantaggio dalla teoria dell’informazione e dallo studio della complessità. Offrono un'indicazione di ciò che potrebbe essere possibile in futuro, man mano che ci avviciniamo all'unificazione delle tecnologie di IA e di produzione.  

Prototipazione di oggetti ricchi di informazioni

Cosa rende la stampa 3D così affascinante? Gran parte dell'appello è nelle parti novelle che vengono create. Vederli crescere, strato per strato, è affascinante. La stampa 3D è solo un mezzo per raggiungere un fine. Quello che stiamo realmente facendo è creare oggetti con bassa entropia di Shannon. Cosa vuol dire?  

Gli oggetti come la punta di freccia che abbiamo discusso prima che sono sorprendenti e ricchi di informazioni sono considerati avere una bassa entropia di Shannon. Gli oggetti comuni e non sorprendenti hanno un'elevata entropia di Shannon e possono essere estratte relativamente poche informazioni. Quasi per definizione, gli oggetti di bassa entropia di Shannon sono interessanti e intriganti, e gli oggetti di alta entropia di Shannon tendono ad essere noiosi perché non c'è nulla su cui appendere il cappello che ti permetta di capirlo a un livello più profondo.  

I prototipi stampati in 3D sono come la punta di freccia e sono oggetti con entropia di Shannon molto bassa. Possono essere a temperatura ambiente al tocco, ma sono caldi con le informazioni. Proprio come la forma fisica di una chiave permette di aprire una serratura specifica, la forma e il materiale speciali di un oggetto prototipo ci consentono di " . sbloccare" informazioni dal mondo fisico.  

Quali domande vuoi che il prototipo risponda? Si sente e sembra giusto? Funziona come previsto come parte di un'assemblea? Venderà? Qual è il suo materiale e il suo scopo finale? Come queste geometrie raggiungono l'obiettivo del progettista/ingegnere?  

C'è un rapporto tra le domande risposte e i requisiti necessari. Più domande si aspetta che il prototipo risponda, più è necessario descriverlo inizialmente nelle vostre esigenze. Potrebbero essere necessarie diverse varianti o copie multiple per aumentare la fedeltà della risposta. Questo consente di trarre conclusioni più affidabili sull'oggetto. Quindi, alla fine, aumentare il numero di campioni ti offre una maggiore precisione della descrizione perché i modelli nelle costruzioni delle parti diventano più evidenti quando hai più contenuti da valutare.  

Nella produzione, la descrizione dell ' oggetto è chiamata " requisiti " . Indipendentemente dal processo di fabbricazione, se sono necessarie maggiori informazioni per descrivere l ' oggetto, ciò lo rende più speciale e richiede più tempo " . storia" per produrre con precisione. La bassa entropia di Shannon produce un alto contenuto di informazioni.  

BIT A IT

Un enorme vantaggio della produzione digitale è l’esistenza del gemello digitale, che è una rappresentazione digitale della parte prefabbricata. Il gemello digitale cattura completamente le esigenze dell'oggetto e il processo di fabbricazione richiesto per crearlo. Ma a un certo punto, la gomma deve colpire la strada e tutti quei 1 e 0 devono essere convertiti in un oggetto fisico. Come succede?

A questo punto, potreste aver capito che sto usando " storia" e " procedura" intercambiabilmente. Quello che intendo è che ho un'idea generalizzata di prendere un input, fornire una serie di passi e istruzioni, e ottenere un'uscita trasformata. Questo può prendere molti nomi a seconda della disciplina. I matematici possono chiamarla funzione. Un panettiere può chiamarla una ricetta, ma l'idea di base è la stessa. Queste procedure sono di solito costituite da piccoli bit di istruzione, più comunemente indicati come attività.

Un detto comune nel settore della stampa 3D è che la complessità è libera. Anche se questo non è del tutto vero in quanto qualcuno deve pagare per il tempo e i materiali di stampa, è vero che la complessità è molto più economica rispetto alla produzione convenzionale.  

Prendiamo un esempio di fabbricazione di un semplice cubo. Per produrlo, deve esserci una procedura che descriva come viene ad esistere. Se volevo scrivere una procedura per fare un cubo usando mezzi sottrattivi, come la lavorazione CNC, avevo davvero bisogno di sei compiti semplificati; uno per tagliare ogni piano piatto da un blocco di materiale. Le istruzioni potrebbero essere letteralmente scritte su una nota post-it a mano.

Tuttavia, a " procedura" per stampare in 3D un cubo richiede un processo iterativo passo dopo passo per ottenere quella forma, e deve essere fatto digitalmente, prima della stampa effettiva. Dobbiamo prendere il file STL e codificarlo in modo che la parte sia tagliata in sottili strati che comprendono le istruzioni della macchina per la stampante 3D. I file slice risultanti possono essere enormi, forse fino a pochi gigabyte di istruzioni per parti complesse. Potrebbero essere necessarie centinaia o migliaia di istruzioni specifiche per la testa di stampa o il laser per eseguire in modo da poter fare qualcosa di semplice come un cubo. Anche per una parte molto semplice, la stampa 3D deve raccontare una storia molto lunga su come creare. Per una stampante 3D che disegna con una testa di estrusione o laser, in un senso molto reale la parte viene scritta in esistenza.  

Rispetto ad altri processi produttivi, è più accurato dire che la complessità è preloaded nella stampa 3D. Rendere la geometria del cubo più complessa, ad esempio aggiungendo diversi fori, non comporta un aumento significativo del " procedura" La stampante 3D ora deve disegnare il contorno dei fori, ma a sua volta non deve 'scrivare' per riempirlo. Aggiungere caratteristiche come fori può ridurre il tempo di stampa, a meno che il numero di fori non sia così alto che disegnare i confini richieda più tempo di quanto sarebbe stato semplicemente riempirli con materiale. Per alcune tecnologie di stampa 3D basate su voxel come Multi Jet Fusion, non importa affatto se la parte ha un foro o meno in termini di effetto sul tempo di stampa. Per una stampante basata su voxel, un foro è essenzialmente un bit di informazioni invertito, non un'aggiunta o una sottrazione di informazioni.

Il front-loading è anche ciò che conferisce alla stampa 3D la sua qualità magica. Con una semplice osservazione casuale, le parti sembrano apparire dal nulla, senza spiegazione. In realtà, la contabilità informativa avviene prima che la stampa inizi, e la storia di come la parte è venuta a essere scritta in tempo reale mentre viene stampata.  

Un esempio di disegno del cervello di Boltzmann.