摘要：

本文旨在分析在生產(chǎn)力高度發(fā)達(dá)的未來，材料學(xué)及力學(xué)能給兒童書籍帶來的多種革新的可能性。材料工程是一門龐大復(fù)雜的科學(xué)，當(dāng)我們了解了它的巨大作用并利用它的具體特性于兒童書籍之中時(shí)，兒童書籍將會(huì)產(chǎn)生許許多多浪漫而又實(shí)用的變化。同樣，力學(xué)原理也是一門可以改變具體生活的科學(xué)，當(dāng)我們充分利用力學(xué)原理設(shè)計(jì)兒童立體書籍時(shí)就能夠更理想地展示兒童立體書籍的魅力了。

關(guān)鍵詞：

材料工程 力學(xué) 兒童立體書 設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2015）04-0128-02

運(yùn)用紙張就能玩出花樣的兒童立體書看起來相當(dāng)有趣，其中也蘊(yùn)含著奧秘。有著創(chuàng)新精神的設(shè)計(jì)師們把靈感的觸角延伸到各個(gè)領(lǐng)域與方向。未來產(chǎn)品將會(huì)是多重學(xué)科知識(shí)疊加的產(chǎn)物。關(guān)于材料、力學(xué)與設(shè)計(jì)，是科學(xué)與藝術(shù)的結(jié)合，也是理性與感性的碰撞。材料將在更多領(lǐng)域發(fā)揮它的作用，力學(xué)也變成了創(chuàng)新的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)更不僅僅是設(shè)計(jì)師涂鴉在紙上無法實(shí)現(xiàn)的想象。

1 材料工程在兒童立體書設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

材料工程是工程的研究、開發(fā)、生產(chǎn)和各種材料的應(yīng)用。人類的文明史是人類利用材料改造自然的歷史。人類最早利用石頭，樹枝作為工具來建造房屋，制作武器。在商周時(shí)代開始冶煉金屬，制作青銅器、鐵器。到了近代，化工原料的使用使我們的生活更加便利，塑料、橡膠、高分子材料用品充斥著我們的生活。納米材料制作的產(chǎn)品也將邁入我們的眼簾，帶我們進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。材料基本具備兩種作用：提供技術(shù)功能，創(chuàng)造產(chǎn)品的性能。在兒童立體書設(shè)計(jì)時(shí)，我們可以通過采用新的材料得到很多的可能性：

1.1 復(fù)合材料

復(fù)合材料是指由兩種或多種不同性質(zhì)的材料，通過物理、化學(xué)等方法組成的具有新性能的材料。性能上的協(xié)同作用，使其優(yōu)于原材料中的任意一種，可以滿足現(xiàn)代生活的不同需求。復(fù)合型材料有多種實(shí)現(xiàn)的方式，纖維復(fù)合材料便是其中一種。纖維復(fù)合材料是將各種纖維增強(qiáng)體置于基體材料內(nèi)復(fù)合而成。如果將纖維復(fù)合材料應(yīng)用于兒童立體書籍的設(shè)計(jì)中，取代傳統(tǒng)單純的紙質(zhì)材料，勢(shì)必將會(huì)得到顯而易見的改良效果。介于復(fù)合型材料的優(yōu)勢(shì)特征，兒童立體書籍將會(huì)擁有更加結(jié)實(shí)的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)很多傳統(tǒng)紙質(zhì)材料達(dá)不到的造型設(shè)計(jì)效果。例如傳統(tǒng)材料做如下圖的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)折部分因需反復(fù)折疊導(dǎo)致極易破損，而使用復(fù)合材料就能解決這個(gè)問題。（圖1）

1.2 光伏材料及熒光材料

1.2.1 光伏材料

又名太陽(yáng)能材料，是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能運(yùn)用的材料。若是將此類材料運(yùn)用于兒童圖書中，可使白天置于陽(yáng)光下照射過的書籍在夜間發(fā)出柔和的光線，營(yíng)造新的閱讀體驗(yàn)。

1.2.2 熒光材料

熒光材料是將金屬硫化物（或稀土氧化物）與微量活性劑配合經(jīng)煅燒而成。無色或淺白色，是在紫外光照射下，依材料中金屬和活化劑種類、含量的不同，呈現(xiàn)出各種顏色的可見光。遙控器上的熒光材料按鈕，手機(jī)貼紙上的熒光圖案在白天吸收光線后，夜間都會(huì)發(fā)出柔和的光。我們希望把這種材料運(yùn)用到兒童立體書的設(shè)計(jì)中去，使夜間讀書也有足夠柔和的光線。將點(diǎn)狀、線狀或面狀的夜光材料運(yùn)用于立體書的某些結(jié)構(gòu)點(diǎn)上，在可見光不足的空間中能得到不同的閱讀體驗(yàn)，營(yíng)造一種氛圍，同時(shí)還能強(qiáng)調(diào)立體書的空間感和趣味性。（圖2）

1.3 智能皮膚

智能皮膚是一種頗具科幻色彩的高科技材料。將其包裹于書籍的表面，通過皮膚上的上萬個(gè)微型傳感器可以使書籍感受得到周圍的環(huán)境，從而產(chǎn)生一系列的反應(yīng)。我們想借由相同的原理，得到紙質(zhì)的智能皮膚材料。在書籍的紙張中預(yù)埋上大量的中空纖維，纖維中灌滿黏合劑。當(dāng)皮膚感應(yīng)到書籍的損壞，相應(yīng)位置的纖維會(huì)斷開，釋放出黏合劑，將裂紋自動(dòng)黏合住。這樣就得到了一本能自我修復(fù)的書籍。雖然這種設(shè)計(jì)現(xiàn)在還只是一種暢想，但英國(guó)的一家公司已經(jīng)率先開始著手研究在戰(zhàn)斗機(jī)上運(yùn)用這種材料，使得戰(zhàn)斗機(jī)可以感知周圍的環(huán)境，從而對(duì)危險(xiǎn)情況產(chǎn)生預(yù)判。

1.4 形狀記憶材料

形狀記憶材料是一種新的材料?，F(xiàn)在已存在用形狀記憶材料制作的家具，設(shè)計(jì)師將這款新型材料制作的家具壓制成一個(gè)方便運(yùn)輸?shù)钠桨?，在需要的時(shí)候，通過將之接上電源，就能在十分鐘之內(nèi)使其從平板恢復(fù)成一個(gè)家具。在設(shè)計(jì)兒童立體書時(shí)，我們可以將想要表達(dá)的立體場(chǎng)景預(yù)先設(shè)計(jì)好，然后利用形狀記憶的先進(jìn)技術(shù)將每一個(gè)的立體場(chǎng)景壓縮為一層薄薄的書頁(yè)，然后接上電源或者接受陽(yáng)光的照射使立體的場(chǎng)景再現(xiàn)。通過利用這一技術(shù)我們完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兒童立體書的一次創(chuàng)新。立體書將不再被紙張創(chuàng)作的局限性所約束，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的、逼真的，紙張無法做到的立體場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)對(duì)兒童立體書籍設(shè)計(jì)的變革也是本文探索的主旨。

2 力學(xué)原理在兒童立體書設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

力學(xué)是屬于自然科學(xué)的一門古老學(xué)科，是自然科學(xué)中運(yùn)用定量分析的工具。它在我們的生活中運(yùn)用十分廣泛?，F(xiàn)在我們來分析—下，有哪些力學(xué)原理適合運(yùn)用到兒童立體書的設(shè)計(jì)之中，從而給兒童立體書帶來怎樣的改變。

2.1 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)

結(jié)構(gòu)靜力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)中的分支，它主要研究工程結(jié)構(gòu)在靜荷作用下的彈塑性形變和應(yīng)力狀態(tài)，以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。由于在兒童立體書籍的設(shè)計(jì)中無法避免會(huì)出現(xiàn)較多的纖細(xì)結(jié)構(gòu)，以及材料本身薄軟的特性。導(dǎo)致它們?cè)谑軌簳r(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生過大的形變，從而無法提供足夠的支撐力。

如圖，當(dāng)我們?cè)谠O(shè)計(jì)立體書的結(jié)構(gòu)時(shí)，需要更多地考慮在集中應(yīng)力的結(jié)構(gòu)點(diǎn)做加強(qiáng)強(qiáng)度或韌性的處理，從而能保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在紙質(zhì)模型試驗(yàn)中我們通過增加紙張的厚度來加大它的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，或者將集中應(yīng)力的部位替換為穩(wěn)定性更高的復(fù)合型材料來達(dá)到增加穩(wěn)定性的目的，從而實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。（圖3）

2.2 摩擦力

下面我們要探究的是在日常生活中隨處可見的摩擦力。

物理告訴我們：人類在光滑的平面上行走非常困難，因?yàn)楣饣钠矫鏁?huì)減少鞋底與地面之間的摩擦力；增大摩擦力對(duì)人們的生活有種種好處，但有時(shí)減少摩擦力也是必要的，例如在機(jī)械中加入潤(rùn)滑劑是為了減小齒輪之間的摩擦力，增加機(jī)械的壽命。在滑梯上我們保持滑道的光滑是為了減少摩擦力從而保證更有趣的體驗(yàn)。

兒童在翻閱書籍的時(shí)候，由于皮膚細(xì)嫩，手指短小，所以無法獲得足夠的摩擦力導(dǎo)致不易翻閱，也易造成對(duì)書籍的損害。所以在設(shè)計(jì)兒童書籍的時(shí)候，我們可以利用增大摩擦力的原理在圖書底面處使用表面粗糙的紙張。這樣兒童在翻閱書籍時(shí)會(huì)更加自如，也延長(zhǎng)了兒童書籍的壽命。如圖，當(dāng)接觸面越粗糙的時(shí)候摩擦力越大。而紙質(zhì)模型圖的冷灰色底面就是更加粗糙的紙質(zhì)材料，可以幫助兒童更加容易地翻閱圖書。而在立體書的立體部分，我們需要減小摩擦力，所以使用光滑的材料（象牙白色紙張），使書籍立體的動(dòng)態(tài)過程中減少阻力的產(chǎn)生，使閱讀的過程更加順暢。（圖4）

2.3 彈力

在日常生活中，也有一個(gè)重要的力：彈力。其兩個(gè)重要形成條件：接觸和變形。

物體在力的作用下發(fā)生的形狀或體積改變叫作形變。在外力停止作用后，能夠恢復(fù)原狀的形變叫作彈性形變。彈力是指彈性形變而引起的應(yīng)變力。例如將彈簧拉長(zhǎng)后其要恢復(fù)原來的形狀，就會(huì)有力，這個(gè)力就是彈力。

在兒童立體書中我們運(yùn)用彈力原理可以將書籍的故事情節(jié)與立體結(jié)構(gòu)結(jié)合做設(shè)計(jì)。如圖，講述的是鯉魚躍龍門的故事，小鯉魚躍入水塘，留下漣漪。當(dāng)讀者拉出小鯉魚的尾巴時(shí)產(chǎn)生彈性形變，而因巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的應(yīng)變力拉小鯉魚回歸平面（水面）。這樣巧妙地運(yùn)用彈力，我們得到了一本能與讀者互動(dòng)的兒童立體書。如圖5、圖6嘗試小鯉魚身體的不同結(jié)構(gòu)帶來的不同彈力效果。結(jié)果顯示圖5的結(jié)構(gòu)更具彈力。如圖7螺旋切割的紙張也是一種彈力控制的運(yùn)用。在立體書的設(shè)計(jì)中加入如彈簧般螺旋的結(jié)構(gòu)，能夠在靜止的立體結(jié)構(gòu)中增加一絲動(dòng)感。使用巧妙的剪裁能在閉合書籍的時(shí)候毫不費(fèi)力。

3 總結(jié)

書籍可以啟迪兒童幼小的心靈，立體書籍更加適合兒童的特殊讀物。探究?jī)和Ⅲw書籍未來的創(chuàng)新形式是一次充滿童趣的旅程。通過對(duì)材料科學(xué)以及力學(xué)的研究，我們更加意識(shí)到在未來兒童立體書籍可以發(fā)生的種種改變。采用這些概念設(shè)計(jì)的兒童立體書籍不僅可以更加生動(dòng)地?cái)⑹?，同時(shí)也在孩童的心中埋下了科學(xué)的種子。從而達(dá)到拓展立體書籍發(fā)展寬度的目的。

當(dāng)孩童翻開一本由形狀記憶材料設(shè)計(jì)的立體書時(shí)，他不僅僅獲得了故事里的啟迪，同時(shí)也定會(huì)對(duì)科技產(chǎn)生濃厚的興趣。當(dāng)孩童打開書籍看見一個(gè)個(gè)由纖薄的紙張制作的惟妙惟肖、窮工極態(tài)的立體場(chǎng)景時(shí)，他定會(huì)對(duì)力學(xué)有了新的認(rèn)知。

當(dāng)然，超前的設(shè)計(jì)理念同樣意味著現(xiàn)實(shí)與未來的距離。比如智能皮膚就是一種離我們的生活還有些遙遠(yuǎn)的材料科學(xué)。但未來并不是完全不可見的。任何天馬行空的想象都可能會(huì)成為人類開啟下一個(gè)文明時(shí)代的關(guān)鍵鑰匙。下一位愛因斯坦的誕生也許就會(huì)從他翻開一本神奇的兒童立體書開始。