На семинаре Stanford CS547 в Стэнфордском университете Лининг Яо, руководитель лаборатории Morphing Matter Lab в Калифорнийском университете в Беркли, представила шесть принципов дизайна будущего в эпоху стремительного развития искусственного интеллекта. Спикер продемонстрировала, как на стыке материаловедения, робототехники и ИИ создаются программируемые продукты — от самоскладывающейся пасты до биогибридной одежды. Главная идея выступления заключается в том, что дизайнеры не устареют, если научатся ставить радикально новые вопросы и объединять полярные научные дисциплины.
🛠️ От интерфейсов к инженерии: новая идентичность дизайнера 0:10
Лининг Яо обладает классическим междисциплинарным бэкграундом: она изучала промышленный дизайн в бакалавриате, интерактивный дизайн в магистратуре и аспирантуре Массачусетского технологического института (MIT), а сейчас преподает инженерный дизайн на кафедре машиностроения в Калифорнийском университете в Беркли. Будучи давней поклонницей модного бренда Issey Miyake, известного своими сложными оригами-структурами из ткани, Яо испытала настоящий «культурный шок», когда впервые запустила генеративную нейросеть Diffusion. Спикер вспоминает, как провела всю ночь, экспериментируя с приложением, и это породило в ней экзистенциальную тревогу за будущее своей профессии.
Сегодня ИИ вышел далеко за рамки простой эстетики — алгоритмы способны проектировать функциональные конструкции и перформативные материалы для терморегуляции или аэродинамики. Подобный технологический скачок заставил Яо задуматься над тем, не станут ли человеческие знания устаревшими и чему теперь следует учить студентов. В качестве ответа на эти вызовы она предлагает использовать фреймворк своей менторши Нери Оксман, объединяющий дизайн, искусство, науку и инженерию в единый круг человеческого знания.
В своей эгоцентричной версии этой схемы Яо помещает дизайн в центр:
- Практика дизайна формирует опыт, вдохновляющий искусство.
- Дизайн создает полезность, которая развивает инженерию.
- Дизайнерские эксперименты генерируют новые знания, обогащающие науку.
🌍 Экологическая ответственность: как плоская паста спасает планету 4:50
Первый принцип Яо связан с экологическим кризисом на планете. Проблема заключается в том, что человекоцентричный дизайн часто вступает в конфликт с природоцентричным, из-за чего лаборатории производят тонны красивого, но неэкологичного физического мусора. Для решения этой проблемы Morphing Matter Lab интегрировала концепт устойчивого развития в сферу «умных» изменяющих форму материалов. Систематизированный подход команды был опубликован в недавнем обзорном исследовании, охватывающем этапы производства, транспортировки, эксплуатации и утилизации умных устройств.
Практическим воплощением этого подхода стал проект по дизайну еды, реализованный совместно с итальянским производителем макарон Barilla и розничной сетью Target. Пищевая упаковка — один из главных источников пластиковых отходов, а традиционная паста вроде макарони перевозится в коробках, которые на две трети заполнены воздухом. Исследователи предложили концепцию плоской пасты, которая упаковывается так же компактно, как сборная мебель IKEA, экономя колоссальные объемы пластика и снижая углеродный след при транспортировке.
При варке плоские заготовки из теста превращаются в сложные трехмерные формы: седла, спирали и канноли. Секрет технологии кроется в химии семолины (муки из твердых сортов пшеницы) и воды: содержащийся в муке крахмал разбухает при нагревании, выделяя липкий амилоза-полимер. Чтобы заставить тесто изгибаться, инженеры наносят на одну из сторон пасты микроскопические бороздки. Сторона с бороздками разбухает в воде медленнее, заставляя пластину деформироваться, а выделяющийся крахмал фиксирует форму. Моделирование этого нелинейного процесса потребовало привлечения специалистов по вычислительной механике, а для автоматизированного производства была создана роботизированная рука со штамповочной системой. Яо отмечает, что плоская паста идеальна для походов, а также обсуждалась с NASA для использования на космических станциях, где пространство на вес золота.
🌲 Междисциплинарность «X across X»: беспилотное лесовосстановление 16:01
Второй принцип требует от дизайнера умения работать не просто на стыке дисциплин, а на пересечении масштабов, полярных подходов и типов мышления. Примером послужило исследование семян растения Erodium (аистник), произрастающего в Африке. Во время дождя тело семени раскручивается под воздействием влаги и буквально ввинчивает себя в землю — это природный пассивный робот. В лаборатории ученые воссоздали этот механизм, используя химически обработанный древесный шпон.
Идея проекта заключается в масштабном лесовосстановлении с помощью дронов. В Калифорнии лесные пожары ежегодно уничтожают миллионы деревьев, а департамент Cal Fire тратит огромные бюджеты на ручную высадку саженцев волонтерами, что крайне медленно и опасно. Обычный сброс семян с дронов неэффективен: солнце уничтожает их, а птицы склевывают, снижая всхожесть до минимума. Искусственные носители семян Яо способны самостоятельно закопаться в почву во время дождя. Первые тесты в Питтсбурге показали, что 60% закопавшихся семян успешно проросли. Проект попал на обложку престижного журнала Nature в 2023 году. Сейчас команда проводит масштабные полевые испытания в исследовательских лесах Беркли с использованием семян дугласовой пихты, а также адаптирует технологию для высадки трав в пустынях Центральной Азии.
Параллельно в сообществе CHI была представлена концепция лесного интернета вещей (IoT): к биоразлагаемым носителям крепились антенны для беспроводного мониторинга кислотности почвы и передачи данных на пролетающие дроны. По словам Яо, технологией также интересовались европейское и корейское космические агентства для исследования грунта на других планетах с помощью пассивных роботов, работающих от тепловых колебаний.
Реализация такого проекта требует интеграции множества уровней:
- Материалы разных масштабов: от сантиметрового носителя до мезоструктуры выравнивания волокон и микроскопических углов микрофибрилл целлюлозы.
- Разные дисциплины: инженерное проектирование, аналитическое моделирование усилий, биология растений и робототехника для планирования траекторий дронов.
- Разные научные методы: химия для вымывания лигнина из древесины и вычислительная наука для анализа методом конечных элементов.
🤖 Соавторство с ИИ: эволюционный дизайн трансформируемых роботов 26:50
Третий принцип гласит, что современные дизайнеры должны принять ИИ как полноценного партнера по проектированию. Яо мечтает применить эволюционные генетические алгоритмы для автоматического выведения оптимальной формы семенных носителей под конкретные экосистемы — от Сахары до лесов Амазонки. В качестве реализованного примера совместной работы человека и машины она демонстрирует проект объемной трансформируемой материи на базе ферменных конструкций, напоминающих LEGO. Каждая балка в этой системе является пневматическим актуатором.
Студенты создали виртуальных и физических роботов в форме лобстера, лисы и черепахи. Проблема проектирования таких систем заключается в колоссальном пространстве вариантов: у робота сотни балок, и человеку невозможно вручную рассчитать степень контракции и алгоритм управления для каждой из них. В этом процессе генетический алгоритм ИИ берет на себя оптимизацию таймингов и группировку пневматических каналов. Нейросеть кластеризует сотни трубок по цветам, сводя управление сложной черепахой всего к четырем магистралям.
По мнению Яо, в будущем этот подход позволит создавать роботизированную мебель. Например, стол сможет опускаться, когда к нему подходит ребенок, приносить чашку кофе пожилому человеку или самостоятельно уезжать в угол комнаты ночью, чтобы выключить свет. Трассовая система стирает границы между объектом и средой: исследователи предполагают возможность создания трансформируемых интерфейсов для смешанной реальности (где физическая бутылка превращается в банан с изменением центра тяжести за счет перекачки жидкости) или рюкзаков, превращающихся в крылья. Главным ограничением сейчас выступают технологии аддитивного производства, но продвинутая 3D-печать сложных сеток должна решить эту проблему.
🧱 Цифровое гражданство и самосборка: от оригами к архитектуре 35:31
Четвертый принцип — «двойное гражданство» дизайнера, обязанного одновременно оперировать в цифровом симуляционном пространстве и физическом мире. Практически каждый физический артефакт в лаборатории Яо имеет своего цифрового двойника. Яркий пример — технология 4D-печати самоскладывающихся структур из термопластов. Печать сложной 3D-модели розы на обычном принтере занимает около 8 часов и требует много поддерживающего материала. Метод Яо позволяет напечатать плоскую заготовку всего за 30 минут, которая при погружении в горячую воду сама сворачивается в объемную розу.
Научное объяснение процесса заложено в энтропии полимеров: при плавлении и нанесении нити PLA на холодную подложку цепочки полимеров насильно выпрямляются. При повторном нагревании они стремятся вернуться в хаотичное высокоэнтропийное состояние, вызывая макроскопическую усадку материала. Печатая такой сжимающийся слой поверх жесткого TPU, инженеры получают двухслойную ленту, которая изгибается под строго рассчитанным углом.
С помощью математических алгоритмов команда научилась переводить традиционные схемы острого оригами в изогнутые складки 4D-печати, учитывающие толщину соединительных петель. Таким способом была напечатана плоская заготовка, сворачивающаяся в фигурку кролика. Лининг Яо вела переговоры с исследовательской лабораторией IKEA, предлагая концепцию мебели, которая собирается сама без участия человека, избавляя покупателей от утомительного процесса сборки. Сейчас Morphing Matter Lab совместно с Министерством энергетики США и архитекторами из ETH Zurich масштабирует технологию для возведения домов и турбин ветрогенераторов в труднодоступных регионах, где в качестве триггера самосборки будет использоваться концентрированная солнечная энергия.
🦠 На стыке живого и искусственного: биогибридная мода и данные 42:07
Пятый и шестой принципы посвящены разрушению границ искусства и переходу к проектированию на основе данных. В рамках своего аспирантского проекта в MIT Яо исследовала наноактуаторы на основе бактерии Bacillus subtilis (сенная палочка). Плотность энергии этих живых клеток выше, чем у сплавов с памятью формы, и они мгновенно расширяются при изменении влажности. Вырастив миллионы бактерий, ученые нанесли их на ткань, создав биогибридную куртку: когда человеку становится жарко и он потеет, вентиляционные чешуйки на одежде автоматически открываются.
Проект вылился в коллаборацию с брендом New Balance и художественную инсталляцию в Центре Помпиду в Париже, где танцоры балета выступали в трансформирующейся и светящейся в темноте одежде. Дизайнер здесь выступил мостом между нанотехнологиями, балетом и коммерческим продуктом.
Шестой принцип утверждает данные как ключевой материал для любого проектирования. Лаборатория Яо собирает колоссальные массивы информации: от пользовательских исследований до физических характеристик материалов и параметров работы печатных станков. Эти данные используются для ускорения сложнейших симуляций, оптимизации процессов и последующей генерации дизайна с помощью ИИ.
Отвечая на вопрос о возможном вытеснении людей искусственным интеллектом, Яо считает, что у дизайнеров есть шанс, если они будут генерировать знания, которых еще нет в обучающих выборках нейросетей. Как отмечает статья в MIT Technology Review, сегодня рамки профессии расширились до невероятных масштабов: дизайнеры будущего будут создавать костюмы для гуманоидных роботов, проектировать новые лекарства, экзоскелеты и гибриды живого и неживого.
🎓 Будущее образования: как научить дизайнеров руководить учеными 47:36
В финальной части дискуссии модератор семинара поднял острый вопрос о реформе образования: можно ли требовать от одного студента столь широкого спектра компетенций? Лининг Яо, опираясь на свой опыт работы в Jacobs Institute for Design Innovation, признала, что традиционное образование слишком изолировано. Студенты промышленного дизайна часто умеют только рисовать и панически боятся разговоров с биологами или работы с растровыми электронными микроскопами.
По мнению Яо, самым эффективным местом для обучения является междисциплинарная лаборатория, где промышленный дизайнер получает доступ к инструментарию ученого: учится культивировать бактерии и использовать высокотехнологичное оборудование. При этом критически важно воспитывать в дизайнерах смелость брать на себя лидерство в проектах и руководить командами инженеров и ученых, а не просто выполнять роль обслуживающего персонала.
В завершение Яо рассказала о трансформации инструментов проектирования. Лаборатория прошла путь от чистых симуляторов физических полей напряжения к инструментам инверсивного дизайна (inverse design), когда дизайнер задает конечную цель (например, форму лодки или поведение робота), а алгоритм сам вычисляет плоскую раскладку и параметры заготовки. Сегодня студенты Morphing Matter Lab уже используют большие языковые модели вроде ChatGPT для инверсивного проектирования роботов, скармливая ИИ физические симуляции и грамматику робототехники для автоматического подбора оптимальных методов оптимизации.
