AI 自己造“乐高积木”：生成式 AI 设计可拼装模块化硬件的实战笔记
一、背景：硬件设计为何不能“拼积木”？
传统硬件设计 = 画原理图 → 画 PCB → 打样 → 焊接 → 调试，周期 4-8 周。
模块化方案（Micro:bit、Grove、Seeed）只能“插线”，无法机械拼装。
乐高式“机械 + 电气 + 功能”三统一模块，设计空间爆炸，人工规则覆盖不到 0.1%。
2025 年，我们团队把 扩散模型 搬进硬件领域：
• 输入：一句需求（“我要一个 3 电机 + 9 轴惯性导航的桌面小车底盘”）
• 输出：可 3D 打印、可拼装、可插线、直接能跑的模块组合 + 装配动画
• 实测：从需求到实物 48 小时，0 手工连线，误差 <0.2 mm
本文复盘：如何把“硬件”建模成 3D 体素 + 电路图 + 网络拓扑 三通道图 → 条件扩散生成 → 自动出 BOM + 3D 打印文件 的全链路，代码、模型、打印文件全部开源。
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二、任务定义：把硬件变成“3D 像素 + 电路边”
模态 表示方式 分辨率 通道数
机械 3D 体素 64×64×64 1（材料编号）
电气 电路超图 128 节点 4（电源/GND/信号/差分）
功能 模块标签 一热编码 256 类
输出：
• 拼装步骤（离散序列）
• 3D STL（可直接打印）
• BOM + 价格（实时对接立创 API）
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三、数据：从 0 到 12 万条“乐高式硬件”
1. 数据源
• GrabCAD、Thingiverse 30 万 STL
• KiCad 官方库 + Seeed 开源模块 1.2 万原理图
• 自研 Python 脚本自动对齐 → 12 万条 {STL, 原理图, 功能标签} 对
2. 自动化标注
STL → 体素化 → 电路节点匹配 → 功能标签 → 拼装顺序（广度优先）
增强：随机旋转/镜像/缩放 20 倍 → 240 万训练样本
3. 条件文本
用 ChatGLM3-6B 生成 42 万句自然语言需求，覆盖 95% 常用电子模块
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四、模型架构：HardwareDiff-LM（三通道条件扩散）
文本需求 → Sentence-BERT → 条件向量 c
↓
噪声体素 + 噪声电路图 → Swin3D-UNet → 去噪体素 & 电路
↓
后处理 → STL + 网络表 → 立创 API → BOM & 价格
• Swin3D-UNet：3D 窗口注意力，窗口 4×4×4，下采样 8 倍
• 电路分支：GraphTransformer，节点 128×128 注意力
• 条件融合：Cross-Attention 注入文本向量，维度 768
总参数量：198 M，FLOPs≈120 G@64³
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五、训练策略：硬件也要“QAT”
1. 体素级一致性损失
去噪后体素 → Marching Cubes → STL → 重新体素化，MSE 与原图对齐，梯度回传
2. 电路连通性奖励
用 SPICE 快速仿真 直流导通，Reward=∑(导通路径)，REINFORCE 微调 1 epoch，电气错误率↓ 37%
3. 多尺度噪声
64³→32³→16³ 渐进式训练，收敛速度↑55%
4. 条件 Dropout
训练阶段 10% 概率丢弃文本条件，防止过拟合关键词
训练资源：8×RTX 4090 48G，FP16 + DeepSpeed Zero-3，72 h 收敛
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六、实验结果：48 小时从需求到实物
指标 手工设计 KiCad 插件 HardwareDiff-LM
一次成功率 75% 82% 96.4%
拼装间隙误差 0.35 mm 0.21 mm 0.08 mm
设计时间 5-8 周 2-3 天 2.5 h
成本估算误差 ±20% ±12% ±3%（实时 API）
典型案例：
需求——“做一个 3 电机 + 9 轴 IMU 的桌面小车底盘，尺寸 <15 cm”
模型生成 12 个模块 + 3 步拼装动画 → STL 打印 6 h → 直接插线即用 → MPU6050 + DRV8833 全部识别正常
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七、后处理：从体素到 STL + BOM
1. Marching Cubes
二值体素→STL，平滑迭代 3 次，表面误差<0.1 mm
2. 电路图还原
节点坐标→KiCad pcbnew Python API → 自动布局布线 → PCB 文件
3. BOM 实时报价
立创 API → 实时价格+库存 → 总成本写入 BOM.csv
4. 拼装动画
广度优先搜索 → 关键帧插值 → Blender Python 脚本 → mp4 演示
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八、开源工具链
模块 地址
训练代码 https://github.com/ai4hw/HardwareDiff-LM
数据集 https://huggingface.co/datasets/ai4hw/lego-hw-240w
在线 Demo https://hardware-diff.ai（输入文本→3 min 出 STL）
打印文件 同 repo /stl
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九、未来 roadmap
1. 机电一体化：电机、轮子、减速箱 也画进体素，<50 零件整机
2. 柔性 PCB：生成可弯折连接片，真正“无导线”
3. 实验闭环：3D 打印 + 贴片机 + 机械臂，24 h 自动验证
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十、结语
当 AI 学会画“乐高式硬件”，硬件设计终于从 artisan 走向 automation。
HardwareDiff-LM 让 “一句话→可打印模块→直接拼装” 缩短到 48 小时，成本误差 <3%。
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