«MechStyle» позволяет пользователям персонализировать 3D-модели, обеспечивая при этом их физическую работоспособность после изготовления, что позволяет создавать уникальные предметы личного пользования и вспомогательные технологии. 
Исследователи из MIT CSAIL нашли способ создавать реальные объекты с помощью искусственного интеллекта, разрабатывая прочные предметы, которые выглядят и ощущаются так, как задумал пользователь. Изображение: Алекс Шиппс/MIT CSAIL, с использованием материалов исследователей и Pexels.
Генеративные модели искусственного интеллекта оказали настолько неизгладимое влияние на создание цифрового контента, что становится все труднее вспомнить, каким был интернет до его появления. Эти инструменты ИИ можно использовать для таких интересных проектов, как видео и фотографии, — но их творческий потенциал пока еще не совсем проник в реальный мир.
Так почему же мы до сих пор не видим персонализированных объектов, созданных с помощью генеративного искусственного интеллекта, таких как чехлы для телефонов и кастрюли, в домах, офисах и магазинах? По мнению исследователей из Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL), ключевой проблемой является механическая целостность 3D-модели.
Хотя ИИ может помочь в создании персонализированных 3D-моделей, которые можно изготовить, эти системы часто не учитывают физические свойства 3D-модели. Фараз Фаруки, аспирант кафедры электротехники и вычислительной техники (EECS) Массачусетского технологического института и инженер CSAIL, исследовал этот компромисс, создав генеративные системы на основе ИИ, которые могут вносить эстетические изменения в конструкции, сохраняя при этом функциональность, а также другую систему, которая модифицирует конструкции, придавая им желаемые тактильные свойства, которые хотят ощущать пользователи.
Воплощаем это в реальность
Вместе с исследователями из Google, Stability AI и Северо-восточного университета компания Faruqi нашла способ создавать реальные объекты с помощью искусственного интеллекта, разрабатывая предметы, которые одновременно долговечны и имеют желаемый пользователем внешний вид и текстуру. С помощью системы «MechStyle», работающей на основе ИИ, пользователи просто загружают 3D-модель или выбирают готовый объект, например, вазы или крючки, и с помощью изображений или текста запускают инструмент для создания персонализированной версии. Затем генеративная модель ИИ изменяет 3D-геометрию, а MechStyle моделирует, как эти изменения повлияют на конкретные части, обеспечивая структурную целостность уязвимых участков. Когда вы довольны этим усовершенствованным с помощью ИИ чертежом, вы можете распечатать его на 3D-принтере и использовать в реальном мире.
Воспроизвести видео MechStyle
Видео: CSAIL
Вы можете выбрать модель, например, настенного крючка, и материал, из которого будете его печатать (например, пластик, такой как полимолочная кислота). Затем вы можете дать системе команду на создание персонализированной версии, например, «создайте крючок, похожий на кактус». Модель на основе ИИ будет работать в тандеме с модулем моделирования и сгенерирует 3D-модель, напоминающую кактус, но обладающую структурными свойствами крючка. Этот зеленый ребристый аксессуар затем можно использовать для подвешивания кружек, пальто и рюкзаков. Такие творения стали возможны, в частности, благодаря процессу стилизации, в ходе которого система изменяет геометрию модели на основе понимания текстовой подсказки и обратной связи, полученной от модуля моделирования.
По данным исследователей CSAIL, 3D-стилизация раньше приводила к непредвиденным последствиям. Их предварительное исследование показало, что после модификации лишь около 26 процентов 3D-моделей сохраняли структурную жизнеспособность, то есть система искусственного интеллекта не понимала физику модифицируемых моделей.
«Мы хотим использовать ИИ для создания моделей, которые можно будет изготовить и использовать в реальном мире», — говорит Фаруки, один из ведущих авторов статьи, посвященной этому проекту. «Таким образом, MechStyle имитирует, как изменения, внесенные с помощью GenAI, повлияют на конструкцию. Наша система позволяет персонализировать тактильные ощущения от вашего предмета, учитывая ваш личный стиль и обеспечивая при этом возможность повседневного использования».
Такая вычислительная точность в конечном итоге может помочь пользователям персонализировать свои вещи, например, создавая уникальные очки с крапчатыми синими и бежевыми точками, напоминающими рыбью чешую. Также она позволяет создать шкатулку с каменистой текстурой, испещренную розовыми и бирюзовыми пятнами. Потенциал системы распространяется на создание уникальных предметов декора для дома и офиса, таких как абажур, напоминающий красную магму. Она даже может разрабатывать вспомогательные технологии, соответствующие индивидуальным потребностям пользователей, например, фиксаторы для пальцев при травмах, связанных с ловкостью рук, и накладки на столовые приборы для людей с нарушениями моторики.
В будущем MechStyle также может быть полезен для создания прототипов аксессуаров и других портативных товаров, которые можно продавать в магазине игрушек, хозяйственном магазине или магазине товаров для рукоделия. Цель, по словам исследователей CSAIL, состоит в том, чтобы как опытные, так и начинающие дизайнеры тратили больше времени на мозговой штурм и тестирование различных 3D-моделей, вместо того чтобы собирать и дорабатывать изделия вручную.
Оставаясь сильным
Чтобы гарантировать, что изделия MechStyle выдержат ежедневное использование, исследователи дополнили свою технологию генеративного искусственного интеллекта физическим моделированием, называемым анализом методом конечных элементов (МКЭ). Представьте себе 3D-модель предмета, например, очков, с своего рода тепловой картой, указывающей, какие области структурно устойчивы при реалистичном весе, а какие — нет. По мере того, как ИИ совершенствует эту модель, физическое моделирование выявляет, какие части модели ослабевают, и предотвращает дальнейшие изменения.
Фаруки добавляет, что запуск этих симуляций каждый раз при внесении изменений значительно замедляет процесс ИИ, поэтому MechStyle разработан таким образом, чтобы знать, когда и где проводить дополнительные структурные анализы. «Адаптивная стратегия планирования MechStyle отслеживает, какие изменения происходят в конкретных точках модели. Когда система genAI вносит корректировки, которые угрожают определенным областям модели, наш подход снова моделирует физику конструкции. MechStyle внесет последующие изменения, чтобы гарантировать, что модель не сломается после изготовления».
Сочетание процесса конечно-элементного анализа (FEA) с адаптивным планированием позволило MechStyle создавать объекты, обладающие 100-процентной структурной прочностью. Протестировав 30 различных 3D-моделей, имитирующих кирпичи, камни и кактусы, команда обнаружила, что наиболее эффективным способом создания структурно прочных объектов является динамическое выявление слабых мест и корректировка процесса генеративного ИИ для смягчения их воздействия. В этих сценариях исследователи обнаружили, что они могут либо полностью прекратить стилизацию при достижении определенного порогового значения напряжения, либо постепенно вносить небольшие корректировки, чтобы предотвратить приближение зон риска к этому значению.
Система также предлагает два разных режима: режим «свободного стиля», который позволяет ИИ быстро визуализировать различные варианты оформления вашей 3D-модели, и режим «механический стиль», который тщательно анализирует структурные последствия ваших изменений. Вы можете изучить различные идеи, а затем попробовать режим «механический стиль», чтобы увидеть, как эти художественные приемы повлияют на прочность отдельных участков модели.
Исследователи CSAIL добавляют, что, хотя их модель может гарантировать структурную целостность вашей модели перед 3D-печатью, она пока не способна улучшить 3D-модели, которые изначально были нежизнеспособны. Если вы загрузите такой файл в MechStyle, вы получите сообщение об ошибке, но Фаруки и его коллеги намерены в будущем повысить прочность этих неисправных моделей.
Более того, команда надеется использовать генеративный ИИ для создания 3D-моделей для пользователей, вместо стилизации готовых шаблонов и загруженных пользователями проектов. Это сделает систему еще более удобной для пользователей, так что те, кто менее знаком с 3D-моделями или не может найти свой дизайн в интернете, смогут просто создать его с нуля. Допустим, вы хотите изготовить уникальный тип чаши, а 3D-модели нет в репозитории; ИИ мог бы создать ее для вас.
«Хотя перенос стиля для 2D-изображений работает невероятно хорошо, мало работ посвящено изучению того, как это переносится на 3D», — говорит научный сотрудник Google Фабиан Манхардт, не принимавший участия в написании статьи. «По сути, 3D — это гораздо более сложная задача, поскольку обучающих данных мало, а изменение геометрии объекта может повредить его структуру, сделав его непригодным для использования в реальном мире. MechStyle помогает решить эту проблему, позволяя создавать 3D-стилизованные изображения без нарушения структурной целостности объекта посредством моделирования. Это дает людям возможность проявлять творчество и лучше выражать себя с помощью продуктов, созданных специально для них».
Фарки написал статью вместе со старшим автором Стефани Мюллер, доцентом Массачусетского технологического института и главным исследователем CSAIL, а также двумя другими коллегами из CSAIL: исследователем Леандрой Техедор (выпускница 2024 года) и постдоком Цзяцзи Ли. Их соавторами являются Амира Абдель-Рахман (выпускница 2025 года), в настоящее время доцент Корнельского университета, и Мартин Ниссер (выпускник 2019 года, доктор философии, выпуск 2024 года); исследователь Google Врушанк Фаднис; вице-президент по исследованиям Stability AI Варун Джампани; профессор Массачусетского технологического института и директор Центра битов и атомов Нил Гершенфельд; и доцент Северо-восточного университета Меган Хофманн.
Их работа была поддержана программой MIT-Google по инновациям в области вычислительной техники. Она была представлена на симпозиуме по вычислительному производству Ассоциации вычислительной техники в ноябре.
Источник: news.mit.edu
