潘雨沛 顧峰豪

關鍵詞：生成設計 生物節(jié)律 4D打印 人機協(xié)同 工業(yè)設計

引言

隨著數(shù)字化技術的飛速發(fā)展，計算機算力呈幾何級數(shù)的上升，使得計算機可以在短時間內(nèi)嘗試大量的設計方案，由此誕生了生成設計這一計算機輔助設計的方法。而生成設計沒有嚴格的風格限制具有很強的包容性，這使得生成設計方法也具有多種可能性。得益于4D打印技術的發(fā)展，使得生物節(jié)律原理可以運用到生成設計中來，這種新的生成設計方法所產(chǎn)出的產(chǎn)品像有機物一樣可以隨自然環(huán)境的變化而改變自身形態(tài)，充滿了“生命力”?？蔀橛脩魩碛袦囟鹊那楦畜w驗，也更能滿足用變化中的需求。

一、生成設計的產(chǎn)生與發(fā)展

生成設計是來源于建筑設計領域的一種科學的設計方法，在20世紀80年代由米蘭理工大學的斯蒂諾·索杜教授提出。是一種在藝術與科學之間開辟出的全新的設計方法。這種全新的設計方法是通過計算機算法或者機器來完成設計的，設計師并不直接進行精確的設計活動，而是劃定設計范圍，如產(chǎn)品中所包含的形態(tài)元素、產(chǎn)品的大致體積、大致結構等。通過計算機的強大算力在限定條件內(nèi)“頭腦風暴”式的生成出大量的設計方案。最后計算機自行在這些方案中選出最優(yōu)方案[1]。所以生成設計這一方式有著較大的自主性、隨機性以及間接性。

從生成設計的誕生直到現(xiàn)在，索杜教授都沒有對其做出一個明確的設計學理論的定義，他本人也一直反對為其下定義。他希望生成設計變成一種沒有嚴格風格限制的產(chǎn)出方式，而不是某種具體的設計方法。這樣可以大大拓展生成設計的包容性，使其擁有無限的可能性，使這一新型領域充滿了活力。

生成設計在進入21世紀后被逐漸運用到商業(yè)設計領域中，在這二十年的實踐中，生成設計在藝術與科技之間開拓出了一個色彩斑斕的創(chuàng)作空間。大量研究音樂、建筑、工業(yè)設計的學者、設計師甚至工程師在這一領域創(chuàng)造了大量的作品和產(chǎn)品。生成設計最大的意義就是引發(fā)了對計算機算力與人腦的創(chuàng)造力如何協(xié)同合作這一問題的思考，為設計領域帶來一了全新的設計范式。在這新的范式下設計師變成了算法和規(guī)則的制定者，設計師只給出大概的靈感源空間，計算設備通過數(shù)據(jù)計算快速的生成出大量不同的設計方案。最后基于用戶的需求與限定從中篩選出符合條件的設計方案。隨著生成設計項目經(jīng)驗的積累，設計師所制定的目標與規(guī)則將會提煉得更準確，與計算機的配合也會更加高效快捷。這一新的設計理念將大大激發(fā)設計行業(yè)的方法創(chuàng)新[2]。

由于索杜教授在生成設計發(fā)展初期就沒有對其風格與方法進行限制，這使得對生成設計的實現(xiàn)方法的研究可以有著非常多不同的方向，這是生成設計擁有無限可能性的原因，也是本研究把生物節(jié)律原理運用到生成設計中來的基礎。

二、生物節(jié)律原理與影響機制

工業(yè)文明要求人類在生產(chǎn)與生活中對時間進行相對精準的把握，所以時鐘這一高度人工化的機械被制造出來用以精準計算時間。而制造出時鐘的人本身也被看不見的時鐘控制著，這就是“生物節(jié)律原理”。不只是人類，整個生物界都受到晝夜交替影響，所以這一原理又被稱為“晝夜節(jié)律原理”。正是由于從分子機制的角度解釋了生物節(jié)律的工作原理，邁克爾·楊、邁克爾·羅斯巴希以及杰弗理·霍爾在2017年被授予了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

獲得諾獎的三位教授以前人對果蠅的大量實驗研究為基礎，最終從模式生物中分離出了一種屬于蛋白質的基因。正是這種基因控制了日常生物的晝夜節(jié)律。這種蛋白質在夜晚時就積聚在細胞中，到了白天就會降解掉。這樣便隨著晝夜變化無形的在細胞內(nèi)形成了一種循環(huán)往復的變化機制，就像一種能自的我維持的發(fā)條一樣[3]。這就是生物鐘在人類以及其他生物的細胞中的工作原理。

由于生物節(jié)律的存在，大多數(shù)生物體都能預期到環(huán)境中的晝夜變化并適應。19世紀的時候法國科學家德·邁蘭就研究了含羞草的晝夜變化情況。發(fā)現(xiàn)它們的葉子在白天和晚上呈現(xiàn)不同的形態(tài)，在白天的時候葉子展開并向著太陽開放著，而到了晚上葉子就會閉合在一起，如圖1所示。

根據(jù)晝夜節(jié)律的生物學機制分析，光是影響晝夜節(jié)律的一個重要因素。除了光線，溫度也可以影響到晝夜節(jié)律。在德·邁蘭的含羞草實驗中，哪怕含羞草被完全放置在漆黑的環(huán)境中，它依舊能遵循晝夜節(jié)律，讓自己在白天與夜間呈現(xiàn)出不同的形態(tài)，此時的晝夜節(jié)律顯然不是由光線驅動的，而是由溫度驅動的。伊?！げ紶枺瑒⒊形跖c約瑟夫·高橋經(jīng)過多年的研究也證明了環(huán)境溫度的循環(huán)變化也是生物體水平上所有晝夜節(jié)律系統(tǒng)的普遍誘因。對溫度的不同敏感性同樣能驅動晝夜節(jié)律[4]。溫度的差異與變化可以作為全身細胞自主振蕩器所需要的信號與線索。這樣就可以理解盲人看不到光卻依舊受到晝夜節(jié)律的影響了。

無論是光線還是溫度，亦或是其他什么原因都屬于能推動晝夜節(jié)律的生物機制，深入研究下去還可能存在著多種可能性，甚至可能找出人類進化的一些遺傳學證據(jù)，不過這些是生物學的研究范疇了，本文就不再深入展開了。本文的研究核心是設計學領域，如何把生物節(jié)律原理運用到生成設計中，將會產(chǎn)生一種全新的設計方法，生產(chǎn)出的產(chǎn)品將會擁有無限的可能性。

三、生物節(jié)律原理在生成設計中的應用方法

（一）技術基礎

生物節(jié)律原理是來自生物學的理論，生成設計是來自設計領域的設計方法。想要把這二者結合起來，就需要一座能連接雙方的橋梁，而4D打印技術正是這樣一座橋梁。得益于4D打印技術的出現(xiàn)，使得生物節(jié)律原理可以順利地應用在生成設計當中。

4D這個D是dimensions的首字母縮寫，也就是維度的意思。2D只有長和寬，代表著平面。在此基礎上增加了一個高度，就變成了3D也就是立體的形態(tài)了，而4D就是在3D上增加上了時間維度[5]。而4D打印其實在3D打印技術問世后就開始被設計師關注，設計師對4D打印技術進行了大量的描述與理論建構，并開始進行實踐探索。

4D打印的造型機制和3D打印差別不大，本質上都屬于增材制造方法。它們關鍵區(qū)別是所用材料的區(qū)別。3D打印一般使用光敏樹脂，有很好的造型能力，而4D打印需要一種完成打印后還能自己改變形狀的新材料。所以在眾多工程師的技術攻關下選擇了可記憶高分子材料作為打印材料。一些研究人員嘗試使用慢回彈聚氨酯材料作為材料進行4D打印。

回彈聚氨酯材料就是我們俗稱的記憶海綿，受外力擠壓而變形后，不會馬上復原，而是緩慢地恢復形狀，這就是最早期的4D打印技術。這一打印方法從某種程度上說實現(xiàn)了可自己改變形狀這一預期，但是這種效果其實是非可控，且不可持續(xù)的，達不到設計師對4D打印效果的期待。

2013年麻省理工學院的斯凱拉·蒂比茨（Tibbits）帶領其團隊在材料學與計算機的跨領域研究中取得了突破性的進展，并在當年的美國TED大會上向世界展示了可用于4D打印的新型材料——結構化異質晶格[6]。這種晶格的特點是可隨光線、溫度和濕度等條件的變化而改變自己的形態(tài)。下圖所示就是晶格在光線強弱變化時形態(tài)隨之變化的視頻截圖，如圖2。

使用結構化異質晶格作為打印材料輸出的成品同樣也可以受到環(huán)境的刺激而改變形態(tài)。從這方面說4D打印技術本來就和生物節(jié)律原理有很強的關聯(lián)性，都是由微小組織的變化帶動整體的變化，而且其變化機制都受自然條件影響。因此4D打印可以很容易地創(chuàng)建出具有很強擴展性且受自然環(huán)境影響的產(chǎn)品。

Tibbits在打印材料上的突破使得4D打印真正可以運用到設計中來了。在成型方面4D打印和3D打印是完全一樣的，都是通過逐層堆積的方法，一層一層地把立體的復雜構建給“打印”出來[7]。與3D打印不同的是4D打印使用的是新型的智能材料，突破了3D打印的靜態(tài)局限性，可以根據(jù)預先設定的程序使產(chǎn)品在接受到特定刺激的時候發(fā)生彎曲、收縮，甚至還可以模擬人體組織的愈合與再生過程。這樣就滿足了動態(tài)結構的需求。自此為止4D打印技術真正為產(chǎn)品增加了“時間”這一維度，可以非常方便地建構出各種變化的動態(tài)結構。碩打印出的產(chǎn)品隨著時間的推移，形態(tài)可以不斷發(fā)生改變。

（二）應用步驟

得益于4D打印技術的成熟，生物節(jié)律原理得以能運用到生成設計當中。當一個設計概念產(chǎn)生后，傳統(tǒng)的設計方法一般是直接開始進行不同方案的設計，然后進行迭代，進而逐步完善設計方案。而運用生物節(jié)律原理的生成設計方法將采用完全不同的設計方法，其步驟如圖3所示。

從設計概念到產(chǎn)品的形態(tài)不再是由設計師進行方案迭代。而是在算法的支持下直接生成出大量的可行方案，并且，這些可行方案都不是對形態(tài)進行直接設計，而是通過對組成產(chǎn)品的結構“分子”的設計而構建起來的。對設計方案的選擇也不再是設計師一一推敲，而是通過機器算法的枚舉選定最符合設計師要求的設計方案。最后設計師為靜態(tài)的產(chǎn)品設定其所需遵守的生物節(jié)律原理，讓靜態(tài)的產(chǎn)品變成能有規(guī)律運動的產(chǎn)品。下面詳細解釋一下應用步驟。

1.解構產(chǎn)品，構建“分子”。

前文提到過，在生成設計這一新的領域中設計師不需要對產(chǎn)品進行直接設計，直接設計工作被計算機接管，計算機用自己的發(fā)展為人類服務[8]，人類設計師只需間接完成設計。而生物節(jié)律原理本質上來說就是“生物鐘”的分子機制，是由組成生物的分子的變化所驅動生物的變化的。從設計角度來看，設計師第一步就需要構建出組成產(chǎn)品的“分子”。

所謂“分子”就是組成產(chǎn)品的最小單位。產(chǎn)品的形態(tài)變化，是由組成產(chǎn)品的“分子”的變化而引起的。所以在這一設計方法中，設計師需要抱有微觀思維，第一步就是要對概念中產(chǎn)品進行解構，把產(chǎn)品的最小組成單元設計出來。就像樂高積木的組件一樣，產(chǎn)品“分子”就是構建起產(chǎn)品的部件。

圖4展示了麻省理工學院Tibbits實驗室由分子組成的一個小型設計裝置。這一裝置作品由一個個網(wǎng)狀格子組成，當其被放入鹽水中后，由于其濕度與溫度的變化變化，組成作品的網(wǎng)格也隨之逐漸發(fā)生了比較明顯變化，從而帶動整個作品的運動，它在水中自由地舞動了起來[9]。

2.人機協(xié)同，生成產(chǎn)品。

當組成產(chǎn)品基本的單位結構也就是上文中所說的“分子”構建好之后，接下來就要讓“分子”構建起產(chǎn)品了，這部分工作由人機協(xié)同完成。設計師只需要對最終效果的形態(tài)和預期功能設定一些要求與目標，由計算機在條件內(nèi)進行方案模擬，通過虛擬仿真技術把構建組成最終成品，選出最優(yōu)方案，并生成產(chǎn)品。

人機協(xié)同工作的生成設計平臺目前技術已經(jīng)相對成熟了，有多款軟件可供選擇。Autodesk公司開發(fā)的Fusion 360多用于產(chǎn)品設計領域，犀牛平臺（Rhino）中的Grasshopper Architecture多用于建筑設計領域，還有國內(nèi)阿里巴巴的鹿班平臺多用于平面設計、網(wǎng)頁設計中。通過使用這些軟件，計算機會自動把“分子”構筑成符合要求的產(chǎn)品，完成整個產(chǎn)品的結構、形態(tài)設計。

3.生物節(jié)律，賦予靈魂。

這是最后一個步驟，也是本研究所提出的這一新型生成設計方法區(qū)別于傳統(tǒng)生成設方法的重要環(huán)節(jié)。本設計方法所生成的產(chǎn)品是受生物節(jié)律原理影響而能改變自身形態(tài)的。文章前面對生物節(jié)律原理進行的分析可以看出，生物節(jié)律原理本質上是生物的分子感受到了光線或溫度的變化而改變自身形態(tài)，從而導致整個生物形態(tài)改變以更好地適應當前的溫度和光線條件。

從生成設計角度來看，光線、溫度條件屬于信息，一種由大自然傳遞而來的信息，這些信息被產(chǎn)品接收后刺激組成產(chǎn)品的“分子”發(fā)生形態(tài)變化，從而引起整個產(chǎn)品的形態(tài)發(fā)生改變。這就要求設計師需要對這一機制進行設定。主要從三個方面需要進行設定，一是引起刺激的因素。根據(jù)產(chǎn)品最終變化形態(tài)確定好有哪些自然信息會引起產(chǎn)品形態(tài)改變，是光線還是溫度，甚至是濕度。二是產(chǎn)品受到刺激后組成產(chǎn)品的最小單位會發(fā)生怎樣的變化，也就是組成產(chǎn)品的“分子”會發(fā)生怎樣的變化。三是“分子”的變化會引起產(chǎn)品最終形態(tài)發(fā)生如何的改變。而這三個方面最終由設計師落實到變算法與規(guī)則的制定上。通過設定的算法，讓產(chǎn)品接收到外界刺激信息時驅動變化程序完成形態(tài)的變化。

如著名的西班牙建筑師圣地亞哥·卡拉特拉瓦經(jīng)常以大自然作為靈感獲取的源泉[10]，并巧妙地把生物節(jié)律原理運用到自己的建筑作品中。密爾沃基美術館便是其重要的代表。這個能自己動起來的建筑被世人稱為“復雜的有機體”

美術館是可以隨著大自然規(guī)律而自由運動的。根據(jù)陽光和風力的變化美術館頂部的遮陽層會自行開啟和關閉，這使得整個美術館就如同巨鳥揮動著翅膀，如圖5所示。

遮陽層的展開除了表達出設計師對自由的追逐之外，同時也調(diào)節(jié)了美術館的室內(nèi)光照情況，讓美術館中的觀眾擁有了更好的觀展體驗。

四、4D打印技術下生物節(jié)律原理在生成設計中的應用價值

（一）賦予了產(chǎn)品“生命”。

采用傳統(tǒng)設計方法設計制作的產(chǎn)品無論功能再強，外形再漂亮，也只是一件冰冷的無機體。已經(jīng)越來越難以滿足用戶不斷變化的需求，特別是對產(chǎn)品的情感需求。把生物節(jié)律原理運用到生成設計中后所制作的產(chǎn)品能隨著環(huán)境變化而改變自身形態(tài)，讓產(chǎn)品充滿了生機，具有了“生命力”。有了一定的情感表達能力。這樣可以拉進與用戶的情感距離，增強了產(chǎn)品的親和力，把產(chǎn)品的用戶體驗提升到了一個新的高度。

除了情感表達的提升，產(chǎn)品的功能性也得到了很大的延展。隨著數(shù)字技術的深入發(fā)展用戶的需求已經(jīng)到了一個新階段[11]。而能隨著自然環(huán)境而改變形態(tài)的產(chǎn)品可以滿足用戶變化的需求。以屋頂這一產(chǎn)品的構建為例，一天當中陽光和溫度會發(fā)生規(guī)律性的改變，而屋頂可以隨著陽光和溫度的變化而調(diào)整自己的形態(tài)，在白天有陽光的時候屋頂可以打開讓陽光照進屋內(nèi)，而太陽落山溫度降低后屋頂合攏起到保溫作用。這種有“生命”的產(chǎn)品，讓用戶不斷變化的需求得到了滿足。

（二）優(yōu)化了設計流程。

傳統(tǒng)的設計方法主要是由設計師獨立完成，生成設計的到來讓計算機能夠輔助設計師完成設計，計算機成為了輔助制圖的工具，利用生成軟件可以繪制更精確、真實的效果圖，同時還能在眾多選項中選擇相對合理的答案。

而生物節(jié)律原理運用到生成設計中后開啟了人機協(xié)同設計的大門。計算機不再是輔助設計進行設計的工具，而成了與設計師一同工作的“合作伙伴”。設計工作真正變成了人機協(xié)同的工作。設計師制定出一套算法與規(guī)則后，計算機在算法的指導下與設計師一起完成產(chǎn)品的結構、功能的設計，計算機不再單單只是輔助制圖以及替設計師做出選擇了，而是參與到產(chǎn)品變化規(guī)則的討論中來，這一人機協(xié)同的方法發(fā)揮了計算機的算力優(yōu)勢，計算機可以快速大量地進行枚舉，并自行對每一種原則進行模擬測試并選擇最優(yōu)解。人機協(xié)同的設計流程可以很好地發(fā)揮出設計師的創(chuàng)造力優(yōu)勢以及計算機的算力優(yōu)勢，真正對設計流程做出了優(yōu)化。

（三）提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了計算機算力。

生產(chǎn)設計出形態(tài)能自行變化，像有機體一樣的產(chǎn)品擁有諸多好處，這種產(chǎn)品也一直是設計行業(yè)追尋的重要目標。但是這種形態(tài)的產(chǎn)品目前市面上依舊非常罕見，歸根到底就是其復雜的制作工藝與生產(chǎn)成本。也有一些著名設計師設計并實踐了這種高級的設計作品。

如果利用4D打印技術把生物節(jié)律原理運用到生成設計中，就可以大大減少施工難度，只需要為新材料設定好生物節(jié)律規(guī)則，組成產(chǎn)品的“分子”接收到自然界信號后會自己改變形態(tài)從而驅動整個產(chǎn)品形態(tài)的改變產(chǎn)。這樣也不需要傳感器的參與，更不需要計算機來指揮產(chǎn)品的交互動作，大大節(jié)省了計算機算力。

結語

得益于4D打印技術的發(fā)展，生物節(jié)律原理得以能運用到生成設計當中。這一創(chuàng)新拓展了生成設計的應用方法。在這樣新的技術背景下計算機不再是輔助設計師完成設計的工具，而是與設計師協(xié)同工作的“伙伴”。自然界本來的光照、溫度、濕度等信息成為了驅動產(chǎn)品自我完善形態(tài)的“催化劑”，這讓同樣在生物節(jié)律規(guī)律下生存的人類能感受到設計的產(chǎn)品的溫度，產(chǎn)品不再是冰冷的工業(yè)品，而是擁有了“生命力”。在4D打印技術的背景下把生物節(jié)律原理運用到生成設計中將能不斷深化設計工作的深度，持續(xù)推動行業(yè)創(chuàng)新。帶動設計師與計算機協(xié)同工作方法的思考，也體現(xiàn)了設計行業(yè)在數(shù)字時代藝術與科技緊密結合的新特征。