Het zit in hem de details - ontwerpen met de DHPC supercomputer
Sinds januari is de faculteit Industrieel Ontwerpen (IO) aangesloten bij het Delft High Performance Computing Centre (DHPC) en het Delft Institute for Computational Science and Engineering. Hoe kan deze 'super(reken)kracht' worden ingezet voor ontwerponderzoek, om visualisaties te verbeteren, 3D-printtechnieken te optimaliseren, maatschappelijke vraagstukken op te lossen en meer? Welk effect zou dit kunnen hebben op de rol van ontwerpers? Welke nieuwe onderzoeksgebieden zouden kunnen worden aangepakt? En welke gevolgen kan dit hebben voor ethische kwesties?
Om de mogelijkheden te verkennen en de implicaties voor ontwerpers en onze samenleving te onderzoeken, interviewden we Jun Wu, Jan Jaap van Assen en Caiseal Beardow.
Wat is de relevantie van supercomputing voor design en welke rol kan design daarin spelen?
HP wordt omgezet in een ontwerpmateriaal
Caiseal Beardow is een PhD studente die zich richt op het onderzoeken van kwantum mens-computer interactie en het ontwikkelen van nieuwe mentale modellen van kwantumcomputers om de toegankelijkheid te verbeteren. Beardow geeft aan: "Juist door toepassing binnen de faculteit IO en niet, bijvoorbeeld, bij Informatica, veronderstel ik, zal het niet alleen worden beschouwd als een technisch artefact of een middel om een doel te bereiken, maar ook als een creatief medium. Door toepassing binnen IO, vanwege onze perspectieven op technologieën in relatie tot ontwerpcontexten, kan HP meer worden: het kan worden getransformeerd tot een 'ontwerpmateriaal' in tegenstelling tot louter een 'technisch ding'. Daarnaast ziet Beardow ruimte om kwantum en supercomputing op zichzelf te bestuderen: "Er is echt potentieel voor symbiose tussen deze opkomende technologieën en het vakgebied design - de waarde gaat beide kanten op."
Supercomputing binnen IO maakt het een ontwerpmateriaal en niet alleen een 'technisch ding'.
Van computerondersteund ontwerp naar generatief ontwerp
Jun Wu is Universitair hoofddocent Computational Design and Fabrication bij IO. Zijn onderzoek richt zich op computational design, design for additive manufacturing en topologie-optimalisatie. Jun Wu zegt dat de DHPC een cruciale rol kan spelen bij computational design, waardoor de optimale vorm kan worden ontworpen voor producten variërend van op maat gemaakte medische implantaten tot lichtgewicht vliegtuigonderdelen.
Computers zijn niet alleen een digitaal schetsblok bij het ontwerpen van producten. Terwijl productvormen vaak handmatig door ontwerpers worden geschetst, worden computeralgoritmen ontwikkeld om de best presterende vormen te genereren. Het idee is om computeralgoritmen te ontwikkelen en te gebruiken om functionele eisen efficiënt en nauwkeurig te vertalen in optimale vormen. Het genereren van het beste ontwerp is zeer intensief rekenwerk, omdat de computer een enorm aantal alternatieven moet analyseren en evalueren op basis van alle relevante criteria om tot het beste ontwerp te komen. De DHPC kan worden gebruikt om de berekeningen voor het genereren en evalueren van ontwerpoplossingen te versnellen.
Je kunt de high performance computer als een "werkpaard" beschouwen
Jan Jaap van Assen die net een tweejarig Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowship aan het Perceptual Intelligence Lab van de Technische Universiteit Delft heeft afgerond. In het π-Lab onderzoekt hij de perceptie van collectieve stromen - complexe bewegingspatronen van bijvoorbeeld zwermen vogels of menigtes - met behulp van psychofysica, computergrafiek, statistische modellering en machinaal leren.
Design, designonderzoek en de identiteit van design worden uitgedaagd door de snel evoluerende informatie gestuurde samenlevingen waarin we terechtkomen. De technologische vooruitgang op het gebied van high performance computing, energiebesparing, digitale connectiviteit en toegankelijkheid van (big) data heeft de ontwikkeling mogelijk gemaakt van onderling sterk verbonden systemen met een verschillende mate van intelligentie en een sterk verbeterde toegankelijkheid. Deze ontwikkelingen hebben al grote gevolgen voor ons dagelijks leven en naarmate de complexiteit van systemen toeneemt, maken de toenemende dynamische, emergente en zelforganiserende eigenschappen het ontwerpen steeds uitdagender. Deze ontwerpuitdagingen vereisen nieuwe ontwerpinstrumenten en -methoden waarbij de computationele infrastructuur om deze instrumenten te faciliteren van essentieel belang is. Daarom, zo geeft van Assen aan, moet je de supercomputer zien als een "werkpaard, dat op de achtergrond berekeningen voor je kan uitvoeren".
Design, designonderzoek en de identiteit van design worden uitgedaagd door de snel evoluerende informatiegestuurde samenlevingen waar we naartoe gaan.
HPC @ IDE
Jan Jaap van Assen kwam met een tweejarige beurs naar Delft. In die tijd gonsde het woord "AI" in alle gangen van de faculteit. Maar wat IDE miste was een systeem dat bijvoorbeeld diepe neurale netwerken goed kon trainen. Van Assen had een systeem nodig dat neurale netwerken kon trainen om visuele processen van het menselijk brein te simuleren. Zo kwam Van Assen tot de oprichting van de HPC @ IDE server en community. HPC @ IDE is een krachtige server die alleen kan worden gebruikt binnen de faculteit van IO en een kleine gemeenschap van ontwerpers die er gebruik van maken. Sinds IO in januari 2023 is toegetreden tot DHPC is er veel meer rekencapaciteit beschikbaar gekomen voor ontwerpers met ervaren en deskundige potentiële partners over alle faculteiten heen.
Caiseal Beardow
- C.R.Beardow@tudelft.nl
-
Room B-2-140
Jan Jaap van Assen
- +31 6 5761 7119
- j.j.r.vanassen@tudelft.nl
- Personal website
-
Room C-2-190
Present on: Mon-Tue-Wed-Thu-Fri
Nadrukkelijk niet alleen voor computational whizkids
Kees Vuik, wetenschappelijk directeur van het Delft High Performance Computing Centre (DHPC) en Frans Broos, ICT-manager bij de faculteiten EWI en TBM, geven aan:
DHPC is er nadrukkelijk niet alleen voor computational whizkids of programmeurs in spe, maar voor alle studenten. Broos: “We willen bijvoorbeeld ook studenten helpen die met big data werken. Hoe vaak ik geen vraag gekregen heb van afstudeerders van wie de laptop daarop vastliep. Dan moet je toch een manier vinden om resultaten te bereiken.
De toekomst van HP computing en de rol van ontwerpers
Jun Wu ziet dat: "Met de steeds toenemende rekenkracht en intelligente algoritmen die worden ontwikkeld, zal generatief ontwerp een integraal onderdeel worden van het productontwerpproces. De volgende stap is mensgericht generatief ontwerp.
Computers zijn heel goed in het oplossen van wiskundige en natuurkundige problemen. Bij productontwerp gaat het echter ook om perceptie en acceptatie. Esthetiek is bijvoorbeeld niet iets wat computers betrouwbaar kunnen beoordelen. De door de computer gegenereerde producten kunnen aan alle functionele eisen voldoen, maar gebruikers gewoon niet aanspreken. Kunnen ontwerpers computers leren wat schoonheid is?
Aan de ene kant is het super interessant om computers te leren wat schoonheid is. Aan de andere kant denk ik niet dat computers in staat zullen zijn een holistische visie te hanteren zoals productontwerpers dat doen, zelfs als computers ooit een esthetische evaluatie kunnen uitvoeren. We zullen computers laten doen waar ze goed in zijn, en een manier vinden om de ontwerper te laten samenwerken met computeralgoritmen om samen de beste producten te creëren.
Algoritme-gestuurd ontwerp wordt een integraal onderdeel van het productontwerpproces. Het is belangrijk om de ontwerper bij het algoritme-gestuurd ontwerp te betrekken en hem in staat te stellen tot interactie met het computeralgoritme.
Jan Jaap van Assen: "Ontwerpers zijn geen computerwetenschappers, maar toch zijn de ontwerpuitdagingen van de toekomst steeds meer afhankelijk van computerinspanningen. Dit brengt uitdagingen met zich mee waarbij de belangrijkste hindernis voor ontwerpers het gebrek is aan inzichten en vaardigheden die nodig zijn om HPC-systemen volledig te benutten ter ondersteuning van het ontwerp. Gelukkig zijn er al veel multidisciplinaire ontwerpers uit verschillende vakgebieden (bv. ergonomie, cognitie, perceptie) die met hun voeten in beide werelden staan en het voortouw kunnen nemen bij deze veranderingen. Ik verwacht dat het verwerven van programmeer- en andere rekengerichte vaardigheden mettertijd een dominantere rol zal krijgen in het ontwerpcurriculum of beschikbaar zal komen als ontwerpspecialisatie, waardoor ontwerpers meer toekomstbestendig worden voor informatie gestuurde uitdagingen. De vraag naar en het gebruik van de HPC-infrastructuur zal met deze trends geleidelijk toenemen.
Rol van de ontwerper
Welk effect zal HP computing hebben op de rol van de ontwerper? En hoe wordt deze nieuwe technologie ingebed in het ontwerpproces.
Caiseal Beardow: "Persoonlijk denk ik dat design een zeer menselijke kwaliteit heeft: het combineert zowel de intuïtieve als de analytische aspecten van onze kennis... Hier is een filosofisch argument: Kan een getraind model een dergelijke intuïtie uitoefenen? Ik zie het als een zeer complexe berekening - vaak buiten het bereik van menselijk begrip - maar bemiddeld door de persoon die het model traint. Wij zien deze technologieën als partners in het ontwerpproces, als medewerkers. "
Maar er is ook het proces van uitzoeken hoe deze samenwerking er werkelijk uitziet. Een actueel onderwerp is de ethische relatie tussen generatieve modellen en het werk van kunstenaars en ontwerpers. Maar ik denk dat wij als ontwerpers goed voorbereid zijn om met dergelijke complexe situaties om te gaan. Nu moeten we nadenken over de vaak tegenstrijdige behoeften en doelen van zowel menselijke als meer-dan-menselijke actoren. Uiteindelijk denk ik dat het belangrijk is om te erkennen hoe relevant deze complexe technologieën zijn voor het ontwerpen en om er rekening mee te houden in onze praktijken."
Toepassing van kwantum- en high-performance computing in onderzoek en projecten
De onderstaande projecten zijn voorbeelden van het gebruik van kwantum- of superrekenen. Om een idee te geven van de mogelijkheden van supercomputing.
Het lichtgewicht ontwerp van de Flying-V
In een door het Delft Institute for Computational Science and Engineering gefinancierd project hebben Wu en collega's van ME, EEMCS en AE zich het ambitieuze doel gesteld een lichtgewicht ontwerp te maken van een volledig vliegtuig - de Flying-V. Het ontwerp wordt gegenereerd door een computeralgoritme dat werkt volgens een principe dat vergelijkbaar is met hoe ons bot reageert op mechanische belastingen. Het plaatst alleen materiaal waar het nodig is, en verwijdert materiaal waar het minder relevant is. De sleutel in dit algoritme is te evalueren waar materiaal het meest nodig is. Hiervoor moet het hele vliegtuig worden opgedeeld in miljarden voxels (vergelijkbaar met pixels, maar dan in 3D) en moet een eindige-elementenanalyse worden uitgevoerd om inzicht te krijgen in de spanningsverdeling. Op basis van de analyse herverdeelt het computeralgoritme iteratief het materiaal in het vliegtuig, waardoor het gewicht vermindert en het draagvermogen verbetert. De betrokken berekeningen zijn eenvoudigweg niet mogelijk op een desktopcomputer.
Beeld krediet: Arnoud Delissen (ME). Door DCSE gefinancierd project. Een samenwerking tussen IO, ME, EEMCS en AE.
In een verwant eerder project gebruikte Wu dit algoritme om kritische onderdelen in de Flying-V cabine te ontwerpen.
Hoe hoger de resolutie waarmee je ontwerpt, hoe beter de prestaties.
Jun Wu over het gebruik van HP computing bij het ontwerpen van het interieur van een nieuw vliegtuig.
Meer over Jun Wu’s werk
Podcast Out of the Blue #21 – Generative Design
Gesprek met Delft Design-onderzoeker Jun Wu over mogelijke technologische oplossingen met behulp van 3D-printing voor wat hij generative design noemt: algoritmes gebruiken om functionele en duurzame producten te ontwerpen:
https://podcasts.apple.com/nl/podcast/out-of-the-blue-21-generative-design/id1449263013?i=1000544640431
LANDSHAPES - Frederik Ueberschär (voormalig IO-onderzoeker)
De interactieve installatie LANDSHAPES laat kunstmatige intelligentie niet-bestaande satellietbeelden van het aardoppervlak creëren. Mensen kunnen die landschappen veranderen. Zo wil Ueberschär hen op een speelse manier emotioneel betrekken bij de klimaatverandering.
Alternatief algoritme - Vera van der Burg (Promovendus)
Richt zich op kunstmatige intelligentie en hoe die kan werken in de wereld van design en kunst. Alternatief Algortime gaat over wat een algoritme kan onthullen over jouw relatie tot de dingen om je heen?
- Haar website
- Tentoonstelling bij Dutch Design Week
FLOW - Jan Jaap van Assen
onderzocht twee aspecten van ‘flow’:
- "Ons elementaire gevoel van collectieve stroming": dit soort collectieve beweging komt voor in zowel levende als niet-levende systemen op microscopische en macroscopische schaal. In de bewegingspatronen van deze actieve materiesystemen zien we leiderschap, agitatie, discipline, samenhang, en nog veel meer, ondanks de complexiteit van de patronen. Hoe zijn we hiertoe in staat?
Klik hier voor meer informatie. - “Bewegingsconsistentie in verschillende materialen”: hoe gaat ons visuele systeem om met veranderingen in beweging veroorzaakt door optische variaties in de scène. Hier gebruiken we neurale netwerken en andere biologische modellen om te onderzoeken hoe we deze visuele taak uitvoeren. Veel van dit onderzoek houdt ook verband met design, bijvoorbeeld door middel van affordance estimation, cognitieve ergonomie en perceptie van materialen of producten.
Klik hier voor meer informatie.
3d beeldende kunst reproductie - Willemijn Elkhuizen
Is assistent-professor aan de faculteit IO. Haar belangrijkste onderzoeksinteresses zijn het vastleggen, visualiseren en vervaardigen van materiaal (met behulp van 3D scannen en 3D printen) en de toepassing daarvan in de domeinen (product)design en cultureel erfgoed.
Reproductie van het materiële uiterlijk van kunstvoorwerpen met behulp van 3D-scannen en 3D-printtechnologie.
Het maken van levensechte reproducties van historische schilderijen met behulp van 3D-scanning en 3D-printtechnologie, als een stap naar volledige controle over materiaaluiterlijk (kleur, glans, textuur en doorschijnendheid) in 3D-printen.
Klik hier voor de Delft Design Story.