這個(gè)項(xiàng)目是由加泰羅尼亞高級(jí)建筑學(xué)院(IAAC)開發(fā)的，作為緊急未來(lái)設(shè)計(jì)碩士(MDEF)項(xiàng)目的一部分。

1. 介紹

在《Microchallenge II》中，我們的任務(wù)是探索智能的概念，即由智能系統(tǒng)處理輸入并生成輸出。我們的項(xiàng)目通過(guò)研究螞蟻的運(yùn)動(dòng)模式和交流，將人工智能與生物智能相結(jié)合。我們探索兩種智能如何協(xié)作和相互告知，使用數(shù)字制造作為可視化的手段。

通過(guò)使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)分析螞蟻的運(yùn)動(dòng)和相互作用，我們影響粘土3D打印的g代碼生成。結(jié)果是一個(gè)與自然共同設(shè)計(jì)的對(duì)象，回歸到螞蟻的運(yùn)動(dòng)模式的啟發(fā)結(jié)構(gòu)。

2. 概念和系統(tǒng)圖

我們的系統(tǒng)捕捉螞蟻的運(yùn)動(dòng)并將其轉(zhuǎn)化為可打印的形式，遵循以下關(guān)鍵步驟：

?跟蹤螞蟻的運(yùn)動(dòng)-通過(guò)視頻分析記錄螞蟻的運(yùn)動(dòng)。

?Python中的圖像映射-使用OpenCV將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)覆蓋到單個(gè)圖像中。

?在Grasshopper (Firefly + Rhino)中生成3D表面-將圖像轉(zhuǎn)換為3D表面。

?G代碼生成在Grasshopper -準(zhǔn)備模型粘土3D打印。

?粘土印刷&回歸螞蟻-制作結(jié)構(gòu)并將其放回螞蟻棲息的環(huán)境中。

我們?cè)O(shè)計(jì)的主要原則是保留螞蟻使用的路徑，創(chuàng)造自由流動(dòng)的區(qū)域，同時(shí)通過(guò)負(fù)空間定義邊界，確保它們的運(yùn)動(dòng)不受限制。

3. 早期的實(shí)驗(yàn)

最初，我們探索了P5.js來(lái)映射螞蟻的運(yùn)動(dòng)，這導(dǎo)致了它們軌跡的點(diǎn)云表示。我們還嘗試在Grasshopper中使用基于圖像的映射進(jìn)行直接處理。

從p5 .js生成的圖像中，我們使用Rhino 3D和Grasshopper來(lái)創(chuàng)建所需的區(qū)域，但是處理點(diǎn)云的復(fù)雜性使其不切實(shí)際。這促使我們探索其他方法，最終轉(zhuǎn)向Python和OpenCV。

4. Python和OpenCV的最終映射

我們?cè)赑ython中實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)視覺(OpenCV)(通過(guò)Visual Studio Code和Terminal執(zhí)行)來(lái)分析螞蟻的視頻片段。我們的工作流程:

?輸入視頻-兩只螞蟻移動(dòng)的記錄。

?處理-識(shí)別螞蟻的黑暗區(qū)域，提取他們的質(zhì)心，并標(biāo)記他們的運(yùn)動(dòng)。

?輸出圖像-疊加幀以捕獲其連續(xù)運(yùn)動(dòng)。

初始輸出-稀疏點(diǎn)表示運(yùn)動(dòng)。

熱圖(可以有未來(lái)的應(yīng)用)-顯示頻率和停留時(shí)間。

最終覆蓋-通過(guò)高斯濾波實(shí)現(xiàn)的連續(xù)統(tǒng)一區(qū)域，將單個(gè)軌道合并成一個(gè)有凝聚力的形狀。

這個(gè)最終輸出作為螞蟻運(yùn)動(dòng)的理想映射，可以在Grasshopper中用于表面生成。

5. 將Python集成到Grasshopper中

我們的目標(biāo)是使管道自動(dòng)化，消除手動(dòng)圖像處理的需要。我們嘗試在Grasshopper中直接運(yùn)行Python，遇到了多種挑戰(zhàn)：

Rhino 7問題：

Rhino 7中的Python腳本不允許執(zhí)行外部庫(kù)(如OpenCV)。

Rhino 7的Python解釋器使用一個(gè)單獨(dú)的目錄，需要在其特定的終端中安裝依賴項(xiàng)。

遠(yuǎn)程Python插件：

我們探索了Anaconda集成以調(diào)用外部Python腳本。

然而，在Grasshopper中仍然無(wú)法訪問OpenCV。

Rhino 8的改進(jìn)：

Rhino 8中的Python腳本允許我們執(zhí)行OpenCV。我們?cè)O(shè)法在Grasshopper中安裝了所有的庫(kù)并運(yùn)行腳本，但下一步是將這些點(diǎn)轉(zhuǎn)移到Rhino中，而不是OpenCV預(yù)覽本身。由于時(shí)間原因，我們決定將原型分成兩步：首先，Python單獨(dú)運(yùn)行，生成圖像，然后在Grasshopper中處理圖像。

6. 從位圖到輪廓

使用Firefly for Grasshopper，我們處理了python生成的位圖：

?反轉(zhuǎn)區(qū)域以突出顯示路徑。

?根據(jù)亮度值生成基于高度的網(wǎng)格。

結(jié)果是一個(gè)懸崖狀的地形，白色的區(qū)域?qū)?yīng)于凸起的表面，留下螞蟻的路徑作為低地。

然而，由于位圖是基于像素的，而不是矢量化的，網(wǎng)格有過(guò)多的面，使其不切實(shí)際。為了解決這個(gè)問題：

?我們使用高斯模糊平滑過(guò)渡。

?我們用XY平面切割網(wǎng)格，提取干凈的輪廓線。

7. 生成G代碼的最終表面

為了生成用于粘土3D打印的g代碼，我們從預(yù)構(gòu)建的Grasshopper定義開始，該定義將表面轉(zhuǎn)換為可打印的工具路徑。

但是，Grasshopper沒有將輪廓擠壓識(shí)別為有效的表面，因此我們應(yīng)用了以下修復(fù)：

簡(jiǎn)化輪廓

?提取的曲線包含的點(diǎn)太多，處理困難。

?使用重建曲線，我們減少不必要的點(diǎn)，同時(shí)保持形狀的保真度。

表面識(shí)別問題

?Grasshopper最初沒能識(shí)別出擠壓出來(lái)的形狀是一個(gè)表面。

?簡(jiǎn)化后，它成功地識(shí)別了單獨(dú)的表面。

合并單獨(dú)的表面(我們探索了兩種解決方案)

?為結(jié)構(gòu)的完整性創(chuàng)造了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

?添加外部邊界以統(tǒng)一形狀。

8. 打印測(cè)試

9. 原型

?第一次混合：500g粘土+ 30g水+ 5g + 5g

?第二次混合：第一次混合+ 3g

?第三種混合：500g粘土+ 34g水+ 5g + 3g

?第四次混合：第三次混合+ 8g

?第五次混合：第3次混合+ 5g(最后一次)

最后的原型

本文編譯自hackster.io