基于水力古機(jī)械的交互裝置的設(shè)計(jì)與制作1

文/周豐 周妍黎 劉小萱（河海大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)系）

基于水力古機(jī)械的交互裝置的設(shè)計(jì)與制作1

文/周豐 周妍黎 劉小萱（河海大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)系）

DOl編碼：10.3969/J.lSSN.1674-4187.2016.06.009

一、生態(tài)文明視角下水力古機(jī)械的美學(xué)價(jià)值

21世紀(jì)的今天，當(dāng)人類的工業(yè)文明取得長(zhǎng)足進(jìn)步的同時(shí)，自然環(huán)境正遭受前所未有的破壞，人類社會(huì)面臨著如何實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的問題。當(dāng)前，由于大規(guī)模的過度開發(fā)所帶來(lái)的物種滅絕、PM2.5等溫室氣體排放、污染橫行、水資源枯竭等危機(jī)頻頻出現(xiàn)，世世代代賴以生存的田園牧歌般的風(fēng)景正從我們的視野里迅速地消失。人們千百年中在固定的地域、社會(huì)、生態(tài)的環(huán)境下形成的包括水力古機(jī)械在內(nèi)的傳統(tǒng)知識(shí)技能，需要到博物館或文獻(xiàn)才能見到。

中華民族有著上下五千年的悠久歷史和文化，古人很早就懂得運(yùn)用水力古機(jī)械解決灌溉、飲水等問題。在長(zhǎng)期的生產(chǎn)生活中，中華各民族憑借對(duì)地域的氣象、水資源的了解，積累了豐富的與水的利用相關(guān)的本土知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，形成了豐富的地域知識(shí)技能，水力古機(jī)械就是最突出的亮點(diǎn)。從最初的桔槔、戽斗到逐漸成熟的水磨、水碓、龍骨水車等，在平原、丘陵、山區(qū)等不同地域，因地制宜的出現(xiàn)了不同形式及規(guī)模的水力古機(jī)械。從功能上古代水利機(jī)械可分為取水類機(jī)械、輸水類機(jī)械和水力利用類機(jī)械三類。

圖1　桔槔圖（采自《天工開物》）

圖2　臥輪上方石碾

a、取水類機(jī)械

漢代之后，利用杠桿原理的桔槔得到廣泛使用，桔槔不僅進(jìn)一步解決了取水的問題，更使取水變得省力（圖1）。直至近代，一些邊遠(yuǎn)地區(qū)仍然保留這種古老的取水裝置。

b、輸水類機(jī)械

筒車是古代效率較高的輸水裝置，發(fā)明于隋唐時(shí)期，又稱為筒輪。筒車一般架設(shè)于比較湍急的水流之上，依靠水流自身沖擊使水輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將水從河流中運(yùn)出，使用非常廣泛。龍骨水車是靠一個(gè)一個(gè)的刮水片將水通過水槽刮向高處，龍骨水車直到近代的農(nóng)村中都有使用。

c、水力利用類機(jī)械

水力的運(yùn)用可以帶來(lái)晝夜不停的工作。通過水輪將水力轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)能，進(jìn)而成為鼓風(fēng)機(jī)、磨子、舂米機(jī)的動(dòng)力來(lái)源，以此衍生出水排、水磨、水碓、礱等水力驅(qū)動(dòng)裝置。這些裝置一般由兩個(gè)部分組成：動(dòng)力采集裝置和動(dòng)力輸出裝置。采集裝置是帶有扇葉的水輪，包括立輪和臥輪兩種，通過水流的沖擊轉(zhuǎn)動(dòng)。立輪一般需要復(fù)雜的傳動(dòng)裝置才能將動(dòng)能較好利用，臥輪則可以為其上方動(dòng)力輸出裝置提供動(dòng)力。（圖2）動(dòng)力輸出裝置主要是農(nóng)業(yè)加工器具等，進(jìn)行農(nóng)作物的碾制工作。

水力古機(jī)械是古人經(jīng)驗(yàn)的產(chǎn)物，是通過一次一次的實(shí)踐最終調(diào)整到適宜形態(tài)，水力古機(jī)械結(jié)構(gòu)有著不張揚(yáng)，不多不少，恰到好處的美感，一切都服務(wù)于提水功能。體現(xiàn)了中國(guó)獨(dú)特的農(nóng)事器具審美文化，具有獨(dú)特的美學(xué)價(jià)值。水力古機(jī)械與自然融為一體而不覺違和，水車轉(zhuǎn)動(dòng)的吱呀聲與水流聲交錯(cuò)，宛如自然的音樂，給人們帶來(lái)“鄉(xiāng)愁”的情感寄托。

二、水力古機(jī)械題材在交互裝置設(shè)計(jì)的缺失

本研究對(duì)象水力古機(jī)械這樣作為傳統(tǒng)文化在交互裝置的運(yùn)用情況進(jìn)行了廣泛的調(diào)研。首先，交互（Interaction），指兩個(gè)獨(dú)立單元之間的交流、相互反饋，信息化時(shí)代下，狹義的定義指人與設(shè)備之間的交流，包括立即回應(yīng)（immediacy of response）、回饋（feedback）等要素。交互裝置涉及人體感應(yīng)、動(dòng)作識(shí)別和數(shù)字多媒體等現(xiàn)代技術(shù)的運(yùn)用，設(shè)計(jì)者多傾向于對(duì)當(dāng)代藝術(shù)的表現(xiàn)及當(dāng)代事件的反思，其靈感及體裁多來(lái)源于當(dāng)下熱點(diǎn)，具有鮮明的現(xiàn)代藝術(shù)感與時(shí)代感。同時(shí)，當(dāng)前的交互裝置設(shè)計(jì)者多傾向于通過展示交互裝置技術(shù)和趣味性來(lái)吸引觀眾達(dá)到廣告、活動(dòng)、慶祝節(jié)日的目的或純粹只為展示能力和興趣。涉及到的設(shè)計(jì)元素大都包括燈光、預(yù)制單元陣列排布、人體鏡像、聲音等。

國(guó)內(nèi)近年來(lái)大型城市包括上海、北京、香港等地區(qū)都有交互裝置作品的產(chǎn)生，一類主要用于商業(yè)宣傳，如：愛的發(fā)聲裝置（Love cassette）、“非凡花漾季” 花海屏；一類出現(xiàn)于藝術(shù)展覽，屬于藝術(shù)家個(gè)人追求，如：姜延的交互裝置復(fù)制我（Copy me）和王萱設(shè)計(jì)的關(guān)于愛與擁抱（About love embrace）；還有一類是高校老師或?qū)W生對(duì)于交互裝置探索的研究。

在國(guó)際上，美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)在交互裝置上探索以各種形式出現(xiàn)以滿足不同目的需要，除了大多以?shī)蕵窞槟康牡慕换パb置之外，國(guó)外設(shè)計(jì)者嘗試將交互裝置應(yīng)用于公益宣傳等活動(dòng)中，既促進(jìn)更好的公益宣傳效果，又增添交互裝置的實(shí)用性，如：位于德國(guó)漢堡機(jī)場(chǎng)的交互硬幣捐款機(jī)、韓國(guó)的反虐童交互裝置、基于墨西哥學(xué)生群體集體被害事件的交互裝置置信程度（Level of Confidence）等。

綜上調(diào)研分析，目前國(guó)內(nèi)外交互裝置的題材主要以?shī)蕵窞橹鳎{(diào)研的案例中僅有《新年午夜》和《行氣》主題與傳統(tǒng)文化相關(guān)，而使用到傳統(tǒng)文化元素的僅有《Fan Mirror》，作品是以折扇為構(gòu)成元素?？梢哉f(shuō)，既以傳統(tǒng)文化為題材，并以傳統(tǒng)文化為主要構(gòu)成元素的作品尚未引起重視。本研究以水力古機(jī)械為切入點(diǎn)，從水力古機(jī)械的原理展示出發(fā)，利用交互裝置技術(shù)傳達(dá)人與自然和諧相處的理念的設(shè)計(jì)制作有其必要性。

圖3　水力古機(jī)械交互裝置組合方案

圖4　卡紙安裝示意圖—側(cè)視圖

三、課題的研究目的

本課題研究的目的是：通過對(duì)交互裝置的本土化、傳統(tǒng)化的探索，尋覓傳統(tǒng)的歷史遺產(chǎn)對(duì)于現(xiàn)代社會(huì)有益的啟示。具體是將水力古機(jī)械與現(xiàn)代交互技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)作一種實(shí)用性強(qiáng)、操作性高的交互裝置，借用這個(gè)交互裝置形式，再現(xiàn)古人使用傳統(tǒng)機(jī)械與自然和諧相處的理念。本研究也是對(duì)博物館等場(chǎng)所使用的教具進(jìn)行制作與展示形式的探索。

四、水力古機(jī)械的交互裝置的構(gòu)思與設(shè)計(jì)

4.1交互裝置的類型設(shè)定

交互裝置按照其展現(xiàn)形式可劃分為機(jī)械類和影像類兩大類。由于水力古機(jī)械屬于傳統(tǒng)文化的一部分，具有歷史感、厚重感。水力古機(jī)械的厚重情感，可以通過其具有時(shí)代特色的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式，機(jī)械本身使用材料的質(zhì)感來(lái)體現(xiàn)，包括各類木材、竹子、石頭等等。水力古機(jī)械的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式主要包括旋轉(zhuǎn)、提拉等表達(dá)出來(lái)。雖然，影像類能模仿得及其逼真，但不能滿足觀眾觸覺、視覺要求及表達(dá)豐富的傳統(tǒng)手工制作的氣息，因此，本課題最終將作品定位于機(jī)械教育類交互裝置。

4.2功能設(shè)定及水力古機(jī)械的確定

本設(shè)計(jì)方案將選取龍骨水車、桔槔、筒車和水磨，這四種具有代表性的水力古機(jī)械，這四種機(jī)械功能上涵蓋取水裝置、輸水裝置和水力利用裝置，驅(qū)動(dòng)來(lái)源包括人力與水力，運(yùn)動(dòng)方式包括旋轉(zhuǎn)、提拉、平移，整體概括性和代表性比較強(qiáng)。通過交互裝置展示水力古機(jī)械的運(yùn)作原理及具體功能，通過該裝置內(nèi)部運(yùn)作系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，體現(xiàn)中國(guó)古代農(nóng)村和諧生活的理念。水力古機(jī)械交互裝置的功能上包括以下幾個(gè)方面：

（1） 結(jié)構(gòu)特征要求模型的材料符合實(shí)際機(jī)械的要求；

（2） 等比例縮小的模型不能由于體型縮小而損失連接件之間的精度；

（3） 展現(xiàn)水力古機(jī)械的功能性展示離不開水，各部分之間的整合也需要通過水連接；

（4） 整合各部分所需要的大環(huán)境應(yīng)與自然相關(guān)；

（5） 水流在整體環(huán)境中以循環(huán)的方式存在；

（6） 互動(dòng)的觸發(fā)器為人體感應(yīng)；

（7） 根據(jù)水的流動(dòng)特性，各個(gè)機(jī)械應(yīng)按順序逐個(gè)開啟。

4.3水力古機(jī)械交互裝置組合方案設(shè)定

考慮到水力古機(jī)械所安置的自然環(huán)境，以及體現(xiàn)與自然和諧相處的理念，決定以“山”的形式對(duì)各個(gè)水力古機(jī)械交互裝置進(jìn)行組合，最終選?。▓D3）方案進(jìn)行制作。

方案說(shuō)明：此方案采用彩色的硬卡紙剪成山的輪廓，拉開距離層疊放置形成層巒疊嶂的視覺效果。四個(gè)水力古機(jī)械裝置依圖示（圖4）放置于其上。彩色的卡紙可吸引觀眾目光，同時(shí)與四個(gè)裝置拉開顏色差別，突出主體，每一層紙片后方可以隱藏電機(jī)等硬件設(shè)備。硬卡紙貼在薄木板上，并在后方制作支架支撐，同時(shí)制作一個(gè)底座加以固定，解決硬卡紙硬度不夠問題。（圖4）

4.4水力古機(jī)械裝置的交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)定

圖5　有效感應(yīng)范圍　

圖6　本裝置人體紅外傳感器安裝位置

圖7　Arduino UNO R3結(jié)構(gòu)圖

水力古機(jī)械裝置的互動(dòng)效果實(shí)現(xiàn)，需要硬件與軟件兩方面的配合，硬件包括適當(dāng)?shù)挠布O(shè)施選擇及搭配，軟件包括適配硬件的搭載環(huán)境和控制代碼。

4.4.1硬件技術(shù)設(shè)定

水力古機(jī)械裝置的硬件包括三個(gè)部分：信號(hào)接收裝置，信號(hào)處理裝置和行為輸出裝置。對(duì)于三個(gè)部分的硬件選擇分別為a，人體紅外感應(yīng)器，光傳感器；b，Arduino UNO R3控制板；c，步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，繼電器拓展板。

a、人體紅外熱釋傳感器

人體紅外熱釋傳感器由三個(gè)部分組成：敏感單元、阻抗變換器和濾光窗。普通人體紅外熱釋感應(yīng)器只能感應(yīng)運(yùn)動(dòng)的人或者動(dòng)物，當(dāng)對(duì)象靜止時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤判，通過尋找后發(fā)現(xiàn)改良版的人體紅外熱釋傳感器，可檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的或靜止的人。

人體紅外熱釋傳感器感應(yīng)范圍以傳感器本身為圓心，角度小于100度，邊緣至直徑3-4米，中間直徑5-7米。（圖5）由于人體紅外釋熱傳感器的特殊性，對(duì)于橫向經(jīng)過的人感應(yīng)更加靈敏，豎直由遠(yuǎn)及近靠近裝置會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)失效，本課題裝置將使用兩個(gè)人體紅外熱釋傳感器傾斜安裝，并聯(lián)入電路，不論哪個(gè)方向有人靠近，都能有平行于傳感器方向的運(yùn)動(dòng)（圖6）。水力古機(jī)械裝置的人體紅外熱釋傳感器設(shè)置與裝置的下方，不易被觀眾注意之處。

b、 水力古機(jī)械交互裝置采用Arduino UNO R3控制板

水力古機(jī)械交互裝置選用Arduino UNO R3，Arduino由一個(gè)小型微處理器和一個(gè)電路板構(gòu)成，除卻基本的USB接口、電源接口，還包括14個(gè)數(shù)字引腳——可以在程序中設(shè)置為輸入或者輸出功能，可用于燈光、電機(jī)輸出端的控制；6個(gè)模擬輸入引腳——可以讀取各種模擬輸入信號(hào)，并對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換為0-1023之間的數(shù)值，連接各種傳感器后可以讀取具體數(shù)值交給控制器處理；6個(gè)模擬輸出引腳（實(shí)際上是6個(gè)數(shù)字引腳），可以根據(jù)程序指定變?yōu)槟M的輸出，包括電源輸出。（圖7）

c、步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板/繼電器拓展板

本裝置中的不同水力古機(jī)械的摩擦負(fù)載不盡相同，其中筒車摩擦負(fù)載最大，龍骨水車與水磨次之，桔槔最小，均可使用28BYJ-48型步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電力轉(zhuǎn)化為角位移或者線位移的輸出裝置，根據(jù)不同輸出力矩，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過“步”計(jì)算，每一“步”都是精確的角度，減小水力古機(jī)械交互裝置出現(xiàn)誤差的可能。步進(jìn)電機(jī)大小需要根據(jù)具體情況的力矩大小進(jìn)行選擇，力矩大小與負(fù)載相關(guān)，一般是摩擦負(fù)載的2-3倍以內(nèi)。

由于Arduino本身提供的電流過小，不足以ULN2003驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，因此步進(jìn)電機(jī)需要搭配對(duì)應(yīng)型號(hào)驅(qū)動(dòng)板才可使用。驅(qū)動(dòng)通過弱電控制強(qiáng)電，Arduino提供電流控制驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)板上外接較大電流用于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。不同型號(hào)步進(jìn)電機(jī)需要搭配固定驅(qū)動(dòng)板，水力古機(jī)械交互裝置中搭配ULN2003步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。

圖8　Arduino基本操作流程

圖9　“龍骨”結(jié)構(gòu)示意　

圖10　轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)示意

4.4.2軟件開發(fā)環(huán)境

水力古機(jī)械裝置的交互中Arduino開發(fā)板的軟件開發(fā)環(huán)境采用官方的Arduino IDE Intergrated Development Environment集成開發(fā)環(huán)境）進(jìn)行軟件開發(fā)。IDE可以加載于微軟Visual Studio環(huán)境下的Arduino for Microsoft Visual Studio插 件 和與Ardublock一樣的圖形化編程環(huán)境等。Arduino IDE軟件基于Processing編程語(yǔ)言進(jìn)行執(zhí)行程序開發(fā)。（圖8）

4.5材料及部件組合的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.5.1材料的選擇優(yōu)化

本裝置的整合需要水流循環(huán)貫穿四個(gè)不同的水力古機(jī)械，本交互裝置采用二極管燈陣列模擬流水，目的既是豐富裝置的表現(xiàn)形式，又有容易操作的好處。裝置中水力古機(jī)械的模型細(xì)小零件較多，均由天然素材（例如：椴木，竹篾，麻繩等）制成，易于加工。本課題選用的筒車與水磨兩種水力古機(jī)械中，水輪部分需要制作環(huán)形木條，選擇彎折性好，色澤與木頭接近的竹篾作為替換材料。

4.5.2局部組合優(yōu)化

為保證選擇的四種水力古機(jī)械所構(gòu)成的交互裝置能還原傳統(tǒng)文化的韻味，包括連接軸在內(nèi)的所有部件都將使用木頭或竹篾制作，局部細(xì)節(jié)的組合方式也盡量與真實(shí)的水力古機(jī)械一樣，以下就關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明：

a、龍骨水車刮水板鏈接結(jié)構(gòu)

龍骨水車“龍骨”部分為閉合鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，每一個(gè)鏈節(jié)單元由刮水板、鏈?zhǔn)絾卧瓦B接軸組成。鏈?zhǔn)絾卧ㄟ^規(guī)格為3*10*30mm的木片鋸成（圖9）。

b、水磨轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)

水磨轉(zhuǎn)輪的扇葉要承受水流沖擊，需要比較牢固，銜接處是在軸上打孔，將扇葉嵌入軸內(nèi)，嵌入部分不超過軸半徑的二分之一（圖10）。

c、筒車撐架部分捆繩

水力古機(jī)械交互裝置中筒車撐架部分需要三根圓木棍通過捆綁組合，同時(shí)兩端需要捆繩，以體現(xiàn)濃郁的鄉(xiāng)土氣息。

五、水力古機(jī)械交互裝置的制作與效果測(cè)試

以下從水力古機(jī)械模型與交互功能兩個(gè)方面介紹具體制作過程。交互功能分為硬件連接和軟件編程；測(cè)試主要是模擬不同情景以測(cè)試裝置的反饋能力與模型的運(yùn)行流暢性。

5.1水力古機(jī)械模型制作

前期的制作過程包括1：1圖紙繪制，四種水力古機(jī)械的模型制作過程主要包括部件制作，組合拼裝，細(xì)節(jié)修改和整體組合。

a、部件制作

水力古機(jī)械交互裝置的部件制造，主要包括將大木塊按照尺寸細(xì)分為小木塊，在木塊上畫出大形后鋸出大致形狀，用砂紙進(jìn)行細(xì)節(jié)調(diào)整并打磨圓角，最后進(jìn)行打孔。

b、組合拼裝

水力古機(jī)械交互裝置嚴(yán)格按照?qǐng)D紙進(jìn)行組合拼裝，主要包括軸連接、嵌入連接、麻繩捆扎連接等，例如：水車的龍骨部分通過打孔嵌入；并通過砂紙條細(xì)細(xì)打磨以調(diào)整。最終四個(gè)模型制作效果如圖（圖11-14）所示：

圖11　龍骨水車模型成品　

圖12　水磨模型成品

圖13　筒車模型成品

圖14　桔槔模型成品　

圖15　整體步進(jìn)電機(jī)連接效果　

圖16　LED矩陣示意圖

c、整體組合

水力古機(jī)械交互裝置的整體組合包括“背景的制作”和“水力古機(jī)械模型的整合組合”。組合背景用方案所述用的彩色硬卡紙進(jìn)行制作，由于卡紙過于柔軟無(wú)法直立與承重，本裝置通過在硬卡紙背面粘貼寬木條的方式增強(qiáng)其穩(wěn)固性，部分承重較多的部位用整塊薄木板進(jìn)行加固。四個(gè)水力古機(jī)械通過麻繩捆綁的方式固定于底座上。

5.2水力古機(jī)械交互裝置硬件模塊連接

5.2.1人體感應(yīng)硬件模塊連接

人體感應(yīng)通過人體紅外熱釋傳感器實(shí)現(xiàn)，人體紅外熱釋傳感器有三個(gè)接口，其中兩個(gè)連接電源正負(fù)極保證傳感器的通電，第三個(gè)是信號(hào)輸出口，傳感器將感應(yīng)結(jié)果通過信號(hào)輸出口反饋給Arduino控制板，進(jìn)而控制電機(jī)及水流燈的開關(guān)。

5.2.2電機(jī)部分硬件模塊連接

該交互裝置共有四個(gè)水力古機(jī)械，分別需要四個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。雖然每個(gè)水力古機(jī)械的傳動(dòng)原理不同，但每一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊連接原理相同（圖15）。整體步進(jìn)電機(jī)連接需要電源轉(zhuǎn)接板接入外接電源，以提供步進(jìn)電機(jī)所需電力。

5.2.3水流燈硬件模塊連接

水力古機(jī)械交互裝置中，水流燈的硬件模塊連接由于涉及到的連接口較多比較復(fù)雜。一個(gè)Arduino控制板有14個(gè)數(shù)字引腳，除卻電機(jī)和人體感應(yīng)模塊的需要，一個(gè)Arduino控制板至多10個(gè)數(shù)字引腳可用于燈光控制。因此本裝置使用矩陣連接方法控制LED燈。

圖17　LED矩陣連接原理示意圖

圖18　LED燈不同數(shù)量閃爍情況　

圖19　人體感應(yīng)模塊程序

圖20　單向電機(jī)控制代碼

圖21　方向輪換電機(jī)控制代碼1（桔槔）

圖22　方向輪換電機(jī)控制代碼2（桔槔）

矩陣連接的原理即通過控制LED燈兩個(gè)引腳處的高電平或者低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的開合，LED由四個(gè)組成一組，每一組的LED燈的正極共用同一個(gè)數(shù)字引腳，每組的第一個(gè)LED的負(fù)極共用同一個(gè)數(shù)字引腳，每組第二個(gè)的負(fù)極也共用統(tǒng)一個(gè)數(shù)字引腳，以此類推。如果有N個(gè)LED燈，只需（4+N/4）個(gè)數(shù)字引腳。（圖16）電路連接示意圖展示兩組LED燈的連接。（圖17）

由于矩陣連接法的限制，裝置不能同時(shí)打開超過一個(gè)組的二極管燈，但裝置需要多個(gè)燈同時(shí)點(diǎn)亮，因此利用視覺恒常性原理，通過高速輪換閃爍以達(dá)到效果。由于閃爍速度過快達(dá)到人眼不能追蹤的速度，在視覺上形燈一直亮著的錯(cuò)覺（圖18），以模擬水流的效果。

5.3水力古機(jī)械裝置交互程序語(yǔ)言編寫

5.3.1人體感應(yīng)程序編寫

由于有兩個(gè)人體紅外熱釋傳感器同時(shí)檢測(cè)周圍是否有人，不論只有一個(gè)檢測(cè)到或兩個(gè)同時(shí)檢測(cè)到都應(yīng)觸發(fā)開關(guān)，因此通過“if...else”語(yǔ)句將兩個(gè)傳感器輸出信號(hào)連接（圖19）。

本裝置使用的電機(jī)為四相電機(jī)，均勻分布四組線圈。通過四組線圈的輪流通斷電實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)每次接通一組線圈電機(jī)力矩過小，不足以帶動(dòng)裝置，因此本裝置中電機(jī)一次接通兩組線圈以達(dá)到所需力矩。

四個(gè)水力古機(jī)械中龍骨水車、筒車與水磨的電機(jī)為單向旋轉(zhuǎn)，桔槔需要電機(jī)雙向輪換旋轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)代碼有所不同。（圖20-22）

5.3.3水流燈程序編寫

圖23　水流燈代碼1

圖24　水流燈代碼2

水流燈按照前文（5.2.3）所述的矩陣方式控制，具體代碼如下（圖23-24）。

5.4水力古機(jī)械交互裝置的模塊整合與調(diào)整

程序模塊整合需要重新安排邏輯結(jié)構(gòu)。水力古機(jī)械交互裝置一共使用三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，分別承載不同模塊代碼，大致分布為：人體感應(yīng)模塊；龍骨水車、筒車與水磨的電機(jī)共用1號(hào)Arduino；桔槔電機(jī)單獨(dú)通過2號(hào)Arduino控制；所有LED燈共用3號(hào)Arduino。通過1號(hào)Arduino設(shè)置一個(gè)輸出口分別連接2號(hào)與3號(hào)Arduino進(jìn)行開關(guān)控制（圖25）。

5.5交互裝置作品測(cè)試

前期測(cè)試主要從裝置對(duì)不同情況下人體的感應(yīng)能力、反饋效果和四個(gè)水力古機(jī)械在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下運(yùn)轉(zhuǎn)的流暢性進(jìn)行測(cè)試，通過測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)一些問題并進(jìn)行調(diào)整，完成后的水力古機(jī)械交互裝置如（圖26）所示，可以平穩(wěn)運(yùn)行。

結(jié)論

本課題融合了機(jī)械科學(xué)技術(shù)史、交互技術(shù)、民間工藝等多學(xué)科的知識(shí)，通過將傳統(tǒng)文化中的水力古機(jī)械知識(shí)與現(xiàn)代交互技術(shù)進(jìn)行整合與探索，完成了可用于博物館、學(xué)校等場(chǎng)所的水力古機(jī)械交互裝置《車水》這樣一件充滿文化氣息的教具。

本研究水力古機(jī)械交互裝置《車水》作品的完成，《車水》作為水力古機(jī)械的交互組合裝置，可以應(yīng)用于水力古機(jī)械的教育教學(xué)的原理解說(shuō)課程；也可以用于博物館等場(chǎng)所的公開展示中。在觀眾與作品的交互過程中，《車水》的自然素材和傳統(tǒng)制作工藝能夠喚起人們內(nèi)心“鄉(xiāng)愁”的情感；同時(shí)，水力古機(jī)械利用自然之水傳達(dá)了與自然和諧相處、可持續(xù)發(fā)展的理念。

圖25　水力古機(jī)械交互裝置整體控制結(jié)構(gòu)

圖26　水力古機(jī)械互動(dòng)裝置“車水”

交互裝置作為新技術(shù)環(huán)境下形成的藝術(shù)形式，由于受眾群體的年輕化，其藝術(shù)形式多以強(qiáng)烈現(xiàn)代感的視覺形式出現(xiàn)。然而，在全球化過程中，文化是本土設(shè)計(jì)葆有自身鮮明特色的利器。本課題將傳統(tǒng)文化中的水力古機(jī)械融入交互裝置，既是對(duì)水力古機(jī)械進(jìn)行功能展示，又填補(bǔ)交互裝置中傳統(tǒng)元素（水力古機(jī)械）有效融合的空缺，是對(duì)傳統(tǒng)技藝與現(xiàn)代技術(shù)的結(jié)合做出積極有益的探索，傳統(tǒng)文化與現(xiàn)代技術(shù)的碰撞產(chǎn)生出新的感官效果。

由于傳統(tǒng)文化題材的內(nèi)容豐富，將現(xiàn)代交互技術(shù)與傳統(tǒng)文化結(jié)合，將會(huì)產(chǎn)生一批具有文化氣息與地域特色的交互裝置作品。這樣的本土化設(shè)計(jì)作為文化傳播的載體，具備更強(qiáng)的傳播力與感染力；從未來(lái)的教學(xué)視角看，利用交互裝置制作某些原理展示類博物館、學(xué)校教具可以更加直觀與高效的進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)。因此，此類互動(dòng)裝置具有廣闊的未來(lái)發(fā)展空間。

未來(lái)將會(huì)有更多的傳統(tǒng)文化與現(xiàn)代交互技術(shù)相結(jié)合的嘗試，把傳統(tǒng)文化以更加具有趣味性與吸引力的方式展現(xiàn)出來(lái)，時(shí)代的發(fā)展、科技的進(jìn)步、數(shù)字化藝術(shù)的壯大、人們生活需要等造就了交互裝置藝術(shù)設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展。

（責(zé)任編輯：張同標(biāo)）

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Design of Interactive Device Based on Ancient Hydraulic Machinery

交互裝置近年來(lái)較多出現(xiàn)在人們的視野中，本研究從當(dāng)前國(guó)內(nèi)外交互裝置中傳統(tǒng)文化的缺失為切入點(diǎn)，探討水力古機(jī)械與交互裝置結(jié)合的可能與具體的組合方式。通過對(duì)傳統(tǒng)文化在設(shè)計(jì)中應(yīng)用的分析，水力古機(jī)械的歷史研究以及交互裝置的案例分析，對(duì)各種水力古機(jī)械和交互裝置進(jìn)行不同依據(jù)下的分類，在研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并制作一個(gè)可作為水力古機(jī)械文化教具的交互裝置作品，名為《車水》。四種水力古機(jī)械的工作原理和傳統(tǒng)的勞動(dòng)智慧在與該裝置的趣味互動(dòng)中得以自然體現(xiàn)。筆者認(rèn)為，傳統(tǒng)文化與現(xiàn)代技術(shù)的有效結(jié)合可以產(chǎn)生集藝術(shù)性、趣味性與教育性于一體的設(shè)計(jì)作品。

In recent years， more and more interactive devices appeared in people's field of vision. This research starts with the lack of the traditional culture in recent interactive devices development both at home and abroad. Through the analysis of the application of traditional culture in design， the history research of ancient hydraulic machinery and the case analysis of interactive devices， I designed an interactive devices named ‘Lifting water' based on the research， and this device can be regarded as a realia about hydraulic machineries. The working principles of these four ancient hydraulic machineries and traditional labor wisdom are reflected naturally when participants interact with this device. The author believes that the effective combination of traditional culture and modern technique can bring us designs with artistry， interest and education.

交互裝置；傳統(tǒng)文化；水力古機(jī)械

interactive devices；traditional culture；ancient hydraulic machinery

周豐，河海大學(xué)副教授、博士，研究方向：知識(shí)科學(xué)為背景的設(shè)計(jì)學(xué)研究。

1本文系江蘇高校哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)目：生態(tài)文明建設(shè)背景下的中華傳統(tǒng)水利機(jī)械之美的研究（項(xiàng)目編號(hào)：2016SJD720001）、2016年常州軟科學(xué)研究項(xiàng)目：“工匠精神”與“十三五”常州工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新發(fā)展與探索（項(xiàng)目編號(hào)：20160709）、2014年江蘇省教育廳研究生培養(yǎng)項(xiàng)目：機(jī)械工學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)教育的研究（項(xiàng)目編號(hào)：JGLX14_030）的階段成果。