欽松 王毅 王紫君 宣怡瀟

摘要：探究增材制造思維對陶土樂器的設(shè)計方法、生產(chǎn)制造和藝術(shù)創(chuàng)造產(chǎn)生的影響。文章基于增材制造思維利用參數(shù)介入、拓撲優(yōu)化等數(shù)字手段開展設(shè)計實踐，在3D陶土打印制造技術(shù)的支持下完成符合聲學、力學等性能要求的陶鼓制造，并最終燒制完成，達到預設(shè)要求。文章提出了一種利用工程思維，結(jié)合科學思維和設(shè)計思維的系統(tǒng)性陶土樂器創(chuàng)新設(shè)計方法，將助力陶土樂器開拓出一種充滿激情和幻想的新陶土樂器語言。

關(guān)鍵詞：陶鼓 陶土樂器 增材制造思維 樂器設(shè)計 3D陶土打印

中圖分類號：TS936

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（ 2021） 03-0140-03

引言

陶鼓是人類擁有的最早的樂器之一，這種最為古老的“音樂藝術(shù)”伴隨著人類的童年共同成長。中國傳統(tǒng)陶土樂器從其產(chǎn)生，經(jīng)歷數(shù)千年的文明更迭進步，逐漸形成了獨具中國地域特征的陶土樂器的“復合型”美學。這種從泥土到音樂的呈現(xiàn)形式，作為陶的一種多維藝術(shù)形式還將伴隨著人類設(shè)計活動持續(xù)制作。

增材制造對藝術(shù)創(chuàng)造、設(shè)計思維、生產(chǎn)制造和人們的藝術(shù)審美產(chǎn)生了巨大影響。當下增材制造已經(jīng)完成從數(shù)字設(shè)計到數(shù)字制造整個閉環(huán)構(gòu)建，具有傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)的設(shè)計、制造優(yōu)勢，如參數(shù)介入、拓撲優(yōu)化、3D打印等手段突破了傳統(tǒng)工藝手段的限制，為未來帶來無限的可能性[1]。增材制造思維作為一種工程思維，將為連接科學和設(shè)計思維、促進傳統(tǒng)文化產(chǎn)品再創(chuàng)造提供一種新的路徑和方法。當下隨著數(shù)字核心技術(shù)縱深發(fā)展，陶土樂器在傳統(tǒng)形式的傳承，新藝術(shù)形式拓展等核心問題上，面臨著理論滯后于技術(shù)的現(xiàn)實狀況，也折射出陶土樂器的藝術(shù)語言理論的缺失。當下僅僅將增材制造作為傳統(tǒng)制造的一個輔助環(huán)節(jié)，顯然已經(jīng)不能滿足更深層次的需求[2]。因此需要利用增材制造的思維，以突破性的視角與思維重構(gòu)傳統(tǒng)設(shè)計思想和方法。本文利用增材制造思維作為一種系統(tǒng)化的協(xié)作手段，在滿足陶鼓的使用功能需求和出色演出效果的外觀需求下，提出了一種新的陶土樂器設(shè)計方法。

一、陶鼓的產(chǎn)生、發(fā)展

陶鼓是新石器時代伴隨著陶制缶、甕等食器的發(fā)展而逐漸出現(xiàn)的一種樂器[3]，由于用手敲擊、鼓擊或摩擦都可以發(fā)出聲音，使人們認識到鼓腔作為共鳴體發(fā)聲的道理，從出土遺存中清晰得知陶鼓的演變脈絡(luò)，從自然材料的相互擊打出聲逐漸發(fā)展到器物體鳴發(fā)音和膜鳴發(fā)音。

體鳴發(fā)音是陶鼓的發(fā)聲方式之一，代表是陶缶如圖l，陶缶并不是專門的樂器，最初是新石器時代先民制造的一種陶容器，主要功能用來盛水、酒或其他食物，但缶在被有意打擊的一瞬間，就已經(jīng)具有了樂器的性質(zhì)。正如《文獻通考·樂考》記載“中虛而善容，外圓而善應(yīng)，中聲之所自出”。陶罐可以被敲擊產(chǎn)生聲音，與大多數(shù)其他鼓不同的是，陶罐“鼓”沒有膜，聲音完全是由陶罐內(nèi)的空氣共振產(chǎn)生的，這是最基本的“陶土之聲”之一;伽達姆（Ghatam）是印度最古老的打擊樂器之一，同“缶”發(fā)音原理一致屬于體鳴陶土樂器，圖2、圖3是印度南部發(fā)現(xiàn)的一種陶罐鼓，名為Ghatam。它是一種古老的鼓，用于為卡納蒂克古典音樂中的聲音和旋律樂器伴奏。伽達姆是一個大致呈球形的陶罐，它由陶土燒制而成，這給了加塔姆獨特的聲音，伽達姆有很多復雜的演奏技巧，演奏者用雙手、手腕、十個指關(guān)節(jié)和指甲擊打壺的頸部、中心和底部。左手握住的部分是用來產(chǎn)生低音的，而右手的手指和指甲是用來產(chǎn)生高音的，發(fā)出的音響明亮而富有光彩;起源于尼日利亞中西部的側(cè)孔壺鼓，成為風靡世界的UDU陶鼓（如圖4），國內(nèi)也有音譯稱為“巫毒鼓”。古人在傳統(tǒng)的陶土水罐的側(cè)面打了個洞，發(fā)現(xiàn)了可以產(chǎn)生共鳴的聲音，產(chǎn)生了適用在宗教儀式中使用的“祖先的聲音”。操作主要依靠掌心敲打鼓子L.摩擦有紋理的鼓身，或直接用手拍擊，既能產(chǎn)生輕如氣泡聲的音韻，又能發(fā)出深沉還帶有水的回響的獨特聲韻，直到今天UDU陶鼓仍然以各種形式活躍在世界舞臺上。

陶鼓由體鳴樂器進一步發(fā)展到膜鳴樂器，將其蒙上獸皮變?yōu)槟Q樂器之后，有著震撼人心的效果。我國史前膜鳴陶鼓流行的主要區(qū)域其中以黃河流域為代表，由于農(nóng)業(yè)的發(fā)展，黃河流域經(jīng)濟文化水平明顯高于其他周圍地區(qū)，華夏主體地位初步顯現(xiàn)。與之相對應(yīng)的是仰韶文化、馬家窯文化、龍山文化和大汶口文化等，這些文化出土的陶鼓極具代表性，都具有強烈的不同視覺符號化的呈現(xiàn)，含有不同地域?qū)徝?，彰顯特定美學思想的語言符號和獨特的傳統(tǒng)制造工藝。圖5為筆者依據(jù)黃河流域分布，分別拍攝于具有地域代表性的蘭州市博物館、山西省博物館、陜西省歷史博物館、山東省博物館、徐州市博物館。

二、增材思維與傳統(tǒng)陶土樂器的關(guān)聯(lián)

在人類文明漫長的發(fā)展中，陶鼓也在隨著文明不斷改變著自己的形態(tài)和職能。當下陶鼓是人類在聽覺藝術(shù)中常常使用的一種樂器，也是文化演變的活化石。隨著數(shù)字化設(shè)計核心算法逐漸完善和相關(guān)配套的數(shù)字化制造技術(shù)的不斷延伸，不同的藝術(shù)形式蓬勃發(fā)展，增材制造思維在此基礎(chǔ)上孕育而出。將推動新理論的縱深發(fā)展，也會產(chǎn)生新的工藝特點及美學特征[4]，給予陶土樂器“脫胎換骨”的進化可能。因此探究增材制造思維對中國傳統(tǒng)陶鼓設(shè)計產(chǎn)生的影響，將為陶土樂器的創(chuàng)新設(shè)計尋求到了一個可以突破的發(fā)展方向（如圖6）。

（一）思維方式從“單一”轉(zhuǎn)向“多維”。思維方式的改變，將涌現(xiàn)出截然不同的設(shè)計手段、表達方式和最終呈現(xiàn)。傳統(tǒng)陶土樂器的思維方式接近“線性”的思考方式，強調(diào)每一個步驟前后的關(guān)聯(lián)性。而增材制造思維更接近“立體”多維思考方式。因其全程采用數(shù)字化，所以具有從底層到最終整體的緊密關(guān)聯(lián)性，底層的更改可以直接致使最終形態(tài)的改變，反之亦可[5]。這種增材制造思維的“立體”的特點，也打破了傳統(tǒng)思維定勢。當復雜形態(tài)很難在設(shè)計構(gòu)思階段利用傳統(tǒng)簡單幾何元素去描繪和表達時，也意味著常規(guī)手繪作業(yè)以及一般繪圖軟件沒有能力去建構(gòu)、模擬這類復雜系統(tǒng)，往往需要通過計算機輔助才能準確再現(xiàn)與清晰表達，繁復的傳統(tǒng)制造工藝不在作為實現(xiàn)藝術(shù)創(chuàng)造的必要措施，規(guī)則形狀與精密尺寸配合亦不再是傳統(tǒng)設(shè)計所考慮的剛性約束。因此相較于傳統(tǒng)制造方式，利用增材制造的方法通過算法優(yōu)化確實更接近理想結(jié)構(gòu)形態(tài)，并由此帶來全新的視覺沖擊。

（二）增材制造思維助力陶鼓與時俱進的進化。由于工程、科學和藝術(shù)跨學科的交融，增材制造思維和技術(shù)創(chuàng)造的新藝術(shù)形式，將出現(xiàn)有別于傳統(tǒng)制造工藝如手工捏塑、拉坯、灌漿模具等新形式[6]。陶土樂器利用參數(shù)化與仿真等數(shù)字手段開展設(shè)計，在3D陶土打印制造技術(shù)的支持下，陶土樂器具備鈍化形態(tài)外部空間的輪廓的效用，強調(diào)了內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)能力，打破了內(nèi)外部空間過渡的界限。通過使用了拓撲優(yōu)化等的程序算法，具有適合復雜和輕量化結(jié)構(gòu)的形體，來滿足符合聲學、力學等性能要求，最終陶鼓能夠以清晰、通透、合理的秩序性體現(xiàn)整體空間之美。

三、設(shè)計流程

增材制造利用數(shù)字模型、核心算法和關(guān)鍵3D陶土打印制造設(shè)備，將陶瓷藝術(shù)帶入嶄新的數(shù)字陶瓷藝術(shù)時代，數(shù)字將成為增材制造中的精確、清晰的“語言”[7]。將從傳統(tǒng)設(shè)計、制造思路中跳脫出來，直接面向生成制造的視角，增材思維由此也將產(chǎn)生全新的設(shè)計方式、生產(chǎn)工藝、功能結(jié)構(gòu)、視覺呈現(xiàn)，具有巨大的創(chuàng)造力[8]，圖了為整個陶土樂器數(shù)字設(shè)計流程圖。

（一）數(shù)字模型構(gòu)建。文章在對史前黃河流域的中國傳統(tǒng)陶鼓進行收集、解讀的基礎(chǔ)上[9]，基于增材制造思維，利用參數(shù)介入、拓撲優(yōu)化等數(shù)字手段的開展設(shè)計實踐。既要考慮陶鼓具有現(xiàn)場表演和渲染氣氛的外形，也要具備發(fā)音功能與聲學結(jié)構(gòu)，于是設(shè)計方案采用八個類似外骨髂形態(tài)的肢體造型代替了鼓本身所需要的支架結(jié)構(gòu)。八個外骨骼都保持中空的結(jié)構(gòu)，在敲擊鼓身產(chǎn)生震顫音時，八個中空的外骨骼會使得聲音多次震顫，產(chǎn)生復合音效。這種中空外骨骼支撐結(jié)構(gòu)，充分思考聲音傳送、功能結(jié)構(gòu)，在設(shè)計階段反復推敲、演算、模擬，可以依賴3D打印設(shè)備后期制作而成與傳統(tǒng)制作方式有本質(zhì)的不同[10]。建模采用Rhinoceros5中的T-Spline插件進行制作（如圖8和圖9），對陶鼓進行空間堆疊的方式進行設(shè)計，這種造型中空、輕量的設(shè)計可以在保證結(jié)構(gòu)剛度和承載能力的基礎(chǔ)上，具有優(yōu)化分布、融合一體的優(yōu)點。增材制造技術(shù)具有能夠滿足拓撲優(yōu)化面向自由形狀設(shè)計制造要求的可能，顯示出相對于傳統(tǒng)手工方式的極大優(yōu)勢。

（二）泰森多邊形的肌理設(shè)計。泰森多邊形（Voronoidiagram），是由一組由連接兩鄰點線段的垂直平分線組成的連續(xù)多邊形組成的圖形[11]。能夠通過迭代、對稱、螺旋等邏輯算法，引發(fā)二維、三維圖形的變化。陶鼓的參數(shù)化肌理采用Rhinocer05中的Grasshopper插件完成（如圖10），利用泰森多邊形原理進行形態(tài)分割，將點陣隨機分布密鋪在陶鼓八個旋轉(zhuǎn)的外骨骼和八個獨立的面運算后進行整合優(yōu)化。該方法可以通過參數(shù)的調(diào)節(jié)，改變多種泰森多邊形形態(tài)與結(jié)構(gòu)的變化，從而可以得到所需3D打印陶鼓的形態(tài)方案。

（三）數(shù)字模型切片。陶鼓選擇熔融沉積技術(shù)（FDM） 3D陶土打印機完成生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，在數(shù)字模型與3D陶土打印機進行對接的過程中，需要在打印之前進行機器加工路徑規(guī)劃，這樣的關(guān)鍵步驟稱為切片，切片也是快速成形軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟之一[12]。其工作原理是計算每一層的截面輪廓，然后有序地連接起來，得到模型在該層的截面輪廓（如圖11），最后由3D打印機根據(jù)這樣的輪廓線層層疊加打印。切片過程中不僅需要參數(shù)準確，也要考慮陶泥的材料特性。例如對于壁厚整體較薄且軌道角度變化大于45度的體塊要采用雙層打印，因為單層泥條無法承受上層泥條帶來的壓力，由于大于45度的縱向軌道實際打印寬度比數(shù)據(jù)小，大于45度時使用單層打印，底層沒有落泥點，容易導致坍塌。

（四）3D陶土打印實驗與實踐。陶鼓在進行打印過程中，進行了多次的嘗試。由于設(shè)計的陶鼓整體造型呈現(xiàn)下小上大的結(jié)構(gòu)以及陶泥材料的特性特殊，無法做到迅速凝固，這樣的結(jié)構(gòu)由于下小上大，坡度大于45度，并且胎體單層并且較薄，在打印過程中會出現(xiàn)坍塌，因此采用特殊的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計。支撐的作用類似于建筑上常用的支撐結(jié)構(gòu)，作為關(guān)鍵的輔助結(jié)構(gòu)，可以避免打印的模型塌陷。由此設(shè)計了針對性的支撐結(jié)構(gòu)（如圖12）并進行切片數(shù)據(jù)規(guī)劃，但通過實驗證明效果并不理想（如圖13）。盡管采用特殊的支撐輔助，依然在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)了坍塌的缺陷，因此放棄這種打印步驟。

由于陶鼓采用上大下小的結(jié)構(gòu)并且坡度大于45度，使得（FDM）3D陶土打印機面臨復雜的技術(shù)挑戰(zhàn)。因此調(diào)整了制作步驟，重新制作切片，規(guī)劃新的打印路徑，更改重心翻轉(zhuǎn)打印，解決了坡度導致陶鼓塌陷的問題。另外，由于陶鼓鏤空結(jié)構(gòu)較多，在鏤空的結(jié)構(gòu)打印中，使用泥條打印脆弱的鏤空結(jié)構(gòu)難度高，因為鏤空結(jié)構(gòu)所需打印泥條的用量與普通物體用量并不相同，需要不斷地調(diào)整泥條擠出的用量和速度，才能保證輸出的平穩(wěn)打印，并且出口的泥條淤積需要及時人工處理。最終通過該方式的打印步驟（如圖14），能夠制作出符合設(shè)計預期的陶鼓，由此證明該打印方式合理。

（五）燒制與測音。打印成功后的陶土打印陶鼓并不能真正投入使用，因為質(zhì)地脆弱強度差，無法承作為打擊樂器長期使用的要求，所以最終作品采用電窯燒制，燒制規(guī)劃溫度800℃，材質(zhì)由生泥轉(zhuǎn)換為陶質(zhì)（如圖15、16）。此時真正可以被稱為陶鼓，因為燒制導致密度增加，內(nèi)部失水的同時體積也有一定縮小，晾干未燒時尺寸為21cm×21cm×23cm，初次800℃燒制后，尺寸為20.5cm×20.2cm×21cm。燒制后的陶鼓經(jīng)過實際測試更耐用，而且由于質(zhì)地的變化，音色能夠更加響亮通透，音質(zhì)效果比生泥更佳。因為設(shè)置共鳴腔和八個輔助腔，使得鼓的音量和音域較廣，高中低音明確，鼓音色鏗鏘有力而且音色豐富，適合實際樂器演奏用，通過聲音測試，達到設(shè)計最初預期。

結(jié)論

自古人們都在用雙手去體驗、用智慧去觸摸，用傳統(tǒng)的方式思考和感悟泥土。陶土樂器在不同的思維、技術(shù)與文化的發(fā)展過程中不斷的交融、并蒂共生。“知者創(chuàng)物，巧者述之，守之，世謂之工”，從陶鼓的發(fā)展歷程來看，每一次變革也是一次技術(shù)的升級和思維方式的改變，增材制造思維結(jié)合陶土樂器，無疑是一個很好的契機，不止是技術(shù)升級釋放，也能協(xié)助設(shè)計者突破所受的限制，使人類的創(chuàng)作能力得到延伸。這種陶土樂器與新思維的全新融合，將助力陶土樂器開拓出新的形式語言，也能更好地滿足當代陶鼓的文化傳播特性。

基金項目：2020年度教育部人文社會科學基金項目《中國傳統(tǒng)陶土樂器多維設(shè)計的文化價值考證》20YJC760074;西安理工大學教育教學改革研究項目《陶藝課程中的3D陶瓷打印技術(shù)引入研究》xjy1738。

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