Các nhà thiết kế, người tạo hình và nhiều đối tượng khác thường sử dụng in 3D để nhanh chóng tạo mẫu một loạt các vật thể chức năng, từ đạo cụ phim đến thiết bị y tế. Các bản xem trước in chính xác là rất quan trọng để người dùng biết rằng vật thể đã chế tạo sẽ hoạt động như mong đợi.

Tuy nhiên, các bản xem trước do hầu hết phần mềm in 3D tạo ra thường tập trung vào chức năng hơn là tính thẩm mỹ. Một vật thể in ra có thể có màu sắc, kết cấu hoặc bóng khác so với mong đợi của người dùng, dẫn đến nhiều lần in lại, gây lãng phí thời gian, công sức và vật liệu.

Để giúp người dùng hình dung vật thể sau khi chế tạo sẽ trông như thế nào, các nhà nghiên cứu từ MIT và một số nơi khác đã phát triển một công cụ xem trước dễ sử dụng, ưu tiên vẻ ngoài của vật thể.

Người dùng tải lên một ảnh chụp màn hình của vật thể từ phần mềm in 3D của họ, cùng với một hình ảnh duy nhất của vật liệu in. Từ những dữ liệu này, hệ thống tự động tạo ra một hình ảnh thể hiện cách vật thể chế tạo có khả năng trông như thế nào.

Hệ thống dựa trên trí tuệ nhân tạo này, có tên là VisiPrint, được thiết kế để hoạt động với nhiều phần mềm in 3D và có thể xử lý bất kỳ ví dụ vật liệu nào. Nó không chỉ xem xét màu sắc của vật liệu mà còn tính đến độ bóng, độ trong suốt và cách các chi tiết của quá trình chế tạo ảnh hưởng đến vẻ ngoài của vật thể.

Các bản xem trước tập trung vào thẩm mỹ như vậy có thể đặc biệt hữu ích trong các lĩnh vực như nha khoa, giúp các bác sĩ đảm bảo rằng răng tạm thời và cầu răng khớp với màu sắc và hình dáng của răng bệnh nhân, hoặc trong kiến trúc, hỗ trợ các nhà thiết kế đánh giá tác động trực quan của các mô hình.

“In 3D có thể là một quá trình rất lãng phí. Một số nghiên cứu ước tính rằng đến một phần ba vật liệu sử dụng đi thẳng vào bãi rác, thường là từ những mẫu thử mà người dùng bỏ đi. Để làm cho in 3D bền vững hơn, chúng tôi muốn giảm số lần thử để có được mẫu mong muốn. Người dùng không nên phải thử mọi loại vật liệu in trước khi quyết định thiết kế cuối cùng,” Maxine Perroni-Scharf, nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính (EECS) và là tác giả chính của bài báo về VisiPrint, cho biết.

Cùng tham gia trong bài báo còn có Faraz Faruqi, một nghiên cứu sinh EECS khác; Raul Hernandez, sinh viên đại học MIT; SooYeon Ahn, nghiên cứu sinh tại Viện Khoa học và Công nghệ Gwangju; Szymon Rusinkiewicz, giáo sư khoa học máy tính tại Đại học Princeton; William Freeman, Giáo sư Thomas và Gerd Perkins về EECS tại MIT và thành viên của Phòng thí nghiệm Khoa học Máy tính và Trí tuệ Nhân tạo (CSAIL); và tác giả chính Stefanie Mueller, phó giáo sư EECS và Cơ khí tại MIT, thành viên CSAIL. Nghiên cứu này sẽ được trình bày tại Hội nghị ACM CHI về Yếu tố Con người trong Hệ thống Máy tính.

Thẩm mỹ chính xác

Các nhà nghiên cứu tập trung vào mô hình đắp nóng chảy (FDM), loại in 3D phổ biến nhất. Trong FDM, sợi vật liệu in được làm nóng chảy và sau đó được đẩy qua một đầu phun để chế tạo vật thể từng lớp một.

Việc tạo ra các bản xem trước thẩm mỹ chính xác là một thách thức vì quá trình nóng chảy và ép vật liệu có thể làm thay đổi vẻ ngoài của vật liệu, cũng như độ cao của từng lớp được đắp và đường đi mà đầu phun theo trong quá trình chế tạo.

VisiPrint sử dụng hai mô hình AI hoạt động phối hợp để vượt qua những thách thức này.

Bản xem trước của VisiPrint dựa trên hai đầu vào: một ảnh chụp màn hình của thiết kế kỹ thuật số từ phần mềm in 3D của người dùng (gọi là phần mềm “slicer”), và một hình ảnh của vật liệu in, có thể lấy từ nguồn trực tuyến hoặc chụp từ mẫu in thực tế.

Từ các đầu vào này, một mô hình thị giác máy tính sẽ trích xuất các đặc điểm từ mẫu vật liệu, những đặc điểm quan trọng cho vẻ ngoài của vật thể.

Các đặc điểm này sau đó được đưa vào một mô hình AI sinh tạo, mô hình này tính toán hình học và cấu trúc của vật thể, đồng thời kết hợp với mô hình “cắt lát” mà đầu phun sẽ theo khi đắp từng lớp.

Điểm then chốt trong phương pháp của các nhà nghiên cứu là một phương pháp điều kiện đặc biệt. Phương pháp này liên quan đến việc điều chỉnh cẩn thận các hoạt động bên trong của mô hình để hướng dẫn nó, giúp mô hình theo đúng đường cắt lát và tuân thủ các giới hạn của quá trình in 3D.

Phương pháp điều kiện của họ sử dụng một bản đồ độ sâu (depth map) giữ nguyên hình dạng và bóng đổ của vật thể, cùng với bản đồ các cạnh phản ánh các đường viền bên trong và ranh giới cấu trúc.

“Nếu bạn không có sự cân bằng đúng giữa hai yếu tố này, bạn có thể kết thúc với hình học sai hoặc mô hình cắt lát không chính xác. Chúng tôi phải cẩn thận kết hợp chúng theo cách đúng đắn,” Perroni-Scharf cho biết.

Hệ thống tập trung vào người dùng

Nhóm nghiên cứu cũng đã tạo ra một giao diện dễ sử dụng, nơi người dùng có thể tải lên các hình ảnh cần thiết và đánh giá bản xem trước.

Giao diện VisiPrint cho phép những người dùng nâng cao điều chỉnh nhiều thiết lập, chẳng hạn như ảnh hưởng của một số màu sắc đến vẻ ngoài cuối cùng của vật thể.

Cuối cùng, bản xem trước về thẩm mỹ được thiết kế để bổ sung cho bản xem trước chức năng do phần mềm slicer tạo ra, vì VisiPrint không đánh giá khả năng in, tính khả thi về cơ học, hay khả năng thất bại của bản in.

Để đánh giá VisiPrint, các nhà nghiên cứu đã tiến hành một nghiên cứu người dùng, yêu cầu người tham gia so sánh hệ thống với các phương pháp khác. Gần như tất cả người tham gia đều cho rằng VisiPrint mang lại vẻ ngoài tổng thể tốt hơn cũng như độ tương đồng về kết cấu cao hơn với vật thể in thực tế.

Ngoài ra, quá trình tạo bản xem trước của VisiPrint mất trung bình khoảng một phút, nhanh hơn gấp đôi so với bất kỳ phương pháp cạnh tranh nào.

“VisiPrint thực sự nổi bật khi so sánh với các giao diện AI khác. Nếu bạn đưa cùng một ảnh chụp màn hình cho một mô hình AI tổng quát hơn, nó có thể ngẫu nhiên thay đổi hình dạng hoặc sử dụng sai mẫu cắt lát vì không có điều kiện trực tiếp,” cô nói.

Trong tương lai, các nhà nghiên cứu muốn giải quyết các hiện tượng lỗi có thể xảy ra khi bản xem trước của mô hình có các chi tiết cực nhỏ. Họ cũng muốn thêm các tính năng cho phép người dùng tối ưu hóa các phần của quá trình in ngoài việc điều chỉnh màu sắc vật liệu.

“Điều quan trọng là phải suy nghĩ về cách chúng ta chế tạo vật thể. Chúng ta cần tiếp tục nỗ lực phát triển các phương pháp giảm lãng phí. Trong bối cảnh đó, sự kết hợp giữa AI và quá trình sản xuất vật lý là một lĩnh vực đầy hứa hẹn cho các nghiên cứu trong tương lai,” Perroni-Scharf chia sẻ.

“Những gì bạn thấy là những gì bạn nhận được’ (WYSIWYG) là yếu tố chính đã giúp xuất bản trên máy tính để bàn ‘thành công’ vào những năm 1980, vì nó cho phép người dùng nhận được kết quả mong muốn ngay lần thử đầu tiên. Đã đến lúc áp dụng WYSIWYG cho in 3D. VisiPrint là một bước tiến tuyệt vời theo hướng này,” Patrick Baudisch, giáo sư khoa học máy tính tại Viện Hasso Plattner, người không tham gia nghiên cứu này, nhận định.

Nghiên cứu này được tài trợ một phần bởi Học bổng MIT Morningside Academy for Design và Học bổng MIT MathWorks.