基于參數(shù)化造型的柔性材料形變?cè)O(shè)計(jì)研究

張帆　崔藝銘　朱澤一

摘要：為了適應(yīng)日益豐富、復(fù)雜的人機(jī)交互形式，擴(kuò)展產(chǎn)品造型的維度，文章利用柔性材料特性，研究了基于參數(shù)化造型的形變?cè)O(shè)計(jì)方法，并將該方法應(yīng)用于智能交互產(chǎn)品，達(dá)到產(chǎn)品材料、形態(tài)、結(jié)構(gòu)、交互方式的統(tǒng)一。文章首先利用柔性材料特性，分析了生成參數(shù)化造型的折疊結(jié)構(gòu);其次，探索了如何利用充氣技術(shù)來驅(qū)動(dòng)折疊結(jié)構(gòu)形變;最后，闡述了將柔性材料形變應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可能性。參數(shù)化形變的造型有利于提升產(chǎn)品加工效率并適應(yīng)更多產(chǎn)品狀態(tài)，對(duì)造型的空間適立性、功能性、智能性、可持續(xù)性的建立起到積極作用。

關(guān)鍵詞：參數(shù)化?動(dòng)態(tài)造型?形變?交互技術(shù)?折疊結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TU986

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2019）05-0079-03

Abstract：In order to adapt to the increasingly rich and complex human-computer?interaction forms and expand the dimensions of product modeling，this paper studies the deformation design method based on parametric modeling by utilizing?the characteristics of flexible materials，and applies the method to intelligent?interactive products to achieve the unification of product materials，forms，structures and interaction modes.Firstly，the folded structure of parametric modeling is analyzed by using the characteristics of flexible materials.Secondly，how to use inflatable technology to drive folding structure deformation is explored.Finally，the possibility of applying deformation of flexible material to product design is discussed.Parametric modeling is conducive to improving the processing efficiency of products and adapting to more product states，and plays a positive role in the establishment of spatial adaptability，functionality，intelligence and sustainability of modeling.

Keywords：Parameterization Dynamic form Deformation Interaction techniqueFolded structure

引言

產(chǎn)品造型即人工塑造產(chǎn)品的形態(tài)，是在考慮產(chǎn)品美學(xué)的基礎(chǔ)上，將設(shè)計(jì)概念通過幾何形態(tài)表達(dá)出來的過程。產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)可被歸納為布局設(shè)計(jì)、形狀設(shè)計(jì)和人機(jī)工學(xué)設(shè)計(jì)。根據(jù)前人研究，影響工業(yè)產(chǎn)品造型的因素包括產(chǎn)品功能、技術(shù)條件和造型藝術(shù)[1]。因此，對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品來說，造型并不獨(dú)立存在于美學(xué)范疇，而是由形態(tài)、功能、技術(shù)等諸多要素構(gòu)成的綜合概念。

近年來，人工智能、3D打印、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用促使傳統(tǒng)靜態(tài)造型很難適應(yīng)產(chǎn)品交互設(shè)計(jì)在互動(dòng)性、變化性方面的需求。諸多學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行形變技術(shù)研究，如MIT Media lab的Neri Oxman教授將微生物用于3D打印材料，打印的可穿戴產(chǎn)品具有一定的生長(zhǎng)特性，材質(zhì)發(fā)生形狀及色彩變化[2];MIT Media lab的姚力寧等研究了納豆生物材質(zhì)在濕度變化下的形變，設(shè)計(jì)了“會(huì)呼吸的運(yùn)動(dòng)衣”[3];CMU的學(xué)者王冠云研究了基于PLA材料受熱彎折原理的紙片形變，將其應(yīng)用在裝置藝術(shù)、互動(dòng)產(chǎn)品等領(lǐng)域[4]。以上研究全部為基于材料特性產(chǎn)生形變并驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品外觀改變，另外，也有學(xué)者張周捷研究基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的造型自動(dòng)演化軟件，設(shè)計(jì)了

一款“計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)師”，讓計(jì)算機(jī)通過設(shè)定的程序、邏輯來造物，程序自身演化，無法預(yù)判最終形態(tài)，突破設(shè)計(jì)師的想象[5]。

除技術(shù)之外，產(chǎn)品自身形態(tài)是產(chǎn)生形變的另一必備要素，如柔性材質(zhì)的折疊結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代參數(shù)化造型主要由單元形以及之間的組合關(guān)系構(gòu)成，關(guān)鍵要素的縮放、變形及相互連接可以控制整體形態(tài)，獲得不同的外觀設(shè)計(jì)效果。[6]參數(shù)化造型的這種特征在柔性材料形變方面具備優(yōu)勢(shì)。

因此，本文選取柔性材質(zhì)產(chǎn)品形變作為切入點(diǎn)，將交互功能、形變技術(shù)與參數(shù)化造型三者整合在一起進(jìn)行探討，共研究三方面問題：1.產(chǎn)品外形的動(dòng)態(tài)可能性，包括產(chǎn)生形變的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)效果;2.實(shí)現(xiàn)自動(dòng)產(chǎn)生形變的技術(shù)原理，技術(shù)如何與形態(tài)相配合;3.不同形變樣式的應(yīng)用場(chǎng)景。

一、工業(yè)產(chǎn)品的參數(shù)化造型研究

參數(shù)化設(shè)計(jì)定義為將設(shè)計(jì)的要素及環(huán)節(jié)參變量化，通過控制參變量生成造型。其本質(zhì)在于數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)元素賦予可量化的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)學(xué)邏輯調(diào)整數(shù)據(jù)并生成不可量化的豐富造型結(jié)果[7]。參數(shù)化設(shè)計(jì)過程的核心是建立參數(shù)化模型，包括單元構(gòu)件的結(jié)構(gòu)約束及尺寸約束，結(jié)構(gòu)約束是指如平行、垂直、對(duì)稱的幾何關(guān)系;尺寸約束是指如距離、角度的尺寸標(biāo)注。

參數(shù)化造型最早應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)，近年來，更多學(xué)者進(jìn)行產(chǎn)品領(lǐng)域的參數(shù)化設(shè)計(jì)探索及研究。例如，Zaha Hadid根據(jù)“游牧思想”設(shè)計(jì)的參數(shù)化形態(tài)代表作“流動(dòng)家具”，體現(xiàn)出開放、自由、不受理性約束的設(shè)計(jì)理念;根據(jù)L-system設(shè)計(jì)的新加坡濱?；▓@“超級(jí)樹Supertree”，具有如植物“生長(zhǎng)”的仿生造型，并且利用其結(jié)構(gòu)特征，起到收集雨水、溫室通風(fēng)的功能作用（如圖1）所示;“Nervous” 網(wǎng)站可調(diào)節(jié)參數(shù)定制的首飾造型則是典型運(yùn)用維諾圖（Voronoi）模擬細(xì)胞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)（如圖2）所示。

經(jīng)過持續(xù)的設(shè)計(jì)沉淀和反思，參數(shù)化設(shè)計(jì)逐漸從潮流回歸為一種常用、必備的設(shè)計(jì)思維及手法，存在于設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)之中。由于參數(shù)化造型的內(nèi)在邏輯性、可控制調(diào)節(jié)性、單元化等特性，文章基于參數(shù)化形態(tài)來研究柔性材料的動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)方法，即形變?？蓞⒖嫉木唧w參數(shù)化造型原理包括拓?fù)鋷缀螌W(xué)、分形學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)等（如表1）。

（一）拓?fù)鋷缀螌W(xué)

拓?fù)鋵W(xué)（topology）是研究幾何圖形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的性質(zhì)的學(xué)科，其性質(zhì)包括連通性與緊致性。依據(jù)拓?fù)鋵W(xué)理論，設(shè)計(jì)師利用扭曲、折疊、褶皺、嵌入等變形技術(shù)設(shè)計(jì)出異性建筑外觀。拓?fù)鋵W(xué)中的圖形關(guān)系可被視作參數(shù)化設(shè)計(jì)中的一種關(guān)系式，通過調(diào)節(jié)可變參數(shù)或關(guān)系式，獲得具有拓?fù)涮卣鞯脑煨?。在此基礎(chǔ)上，學(xué)者們延伸出“褶子”、“游牧/平滑”、“圖解”、“生成”四種方法。其中，“褶子”思想和“游牧/平滑”強(qiáng)調(diào)連續(xù)變化、空間流動(dòng)性、動(dòng)態(tài)性和無中心性，使無論建筑還是產(chǎn)品的造型連續(xù)過渡，消除了內(nèi)外的概念8。

（二）分形學(xué)

分形學(xué)是以不規(guī)則幾何形態(tài)為研究對(duì)象的幾何學(xué)，將幾何形狀分成若干的細(xì)小部分，而每一部分近似整體縮小后的形狀，具有自相似的“層次”特征，甚至具有無窮層次，適當(dāng)縮放事物的幾何尺寸，整個(gè)結(jié)構(gòu)并不發(fā)生改變。如自然界中云、閃電的形態(tài)等。參數(shù)化造型設(shè)計(jì)深受分形學(xué)影響，常用創(chuàng)建方法包括迭代、放射、非線性變換等，可以用雪花形狀的“科赫曲線”（Koch Curve）、H樹等分形模型建立設(shè)計(jì)元素之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形體。

（三）微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)

微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)是根據(jù)自然界微觀結(jié)構(gòu)的豐富造型法則得到的幾何學(xué)算法，參數(shù)化關(guān)系式可根據(jù)這些算法來建立，例如，描述植物生長(zhǎng)規(guī)律的L-system，模擬細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)的Voronoi圖，以及用細(xì)胞單元、演變規(guī)則等因素構(gòu)成算法的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)。

二、折疊方法研究

折疊結(jié)構(gòu)（Deployable Structures）由兩個(gè)以上具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件組成，采用能使兩構(gòu)件產(chǎn)生一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的連接形式，使整體造型在空間產(chǎn)生伸縮和形變，因此構(gòu)件不能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也不能連成剛體[9]。折疊結(jié)構(gòu)具有多樣性，是高度抽象化的結(jié)果，一般分為以點(diǎn)基準(zhǔn)、線基準(zhǔn)、和無確定基準(zhǔn)折疊的三種類型。點(diǎn)基準(zhǔn)即以點(diǎn)為中心的折疊結(jié)構(gòu)，展開及收攏均在切線方向，如折扇開合，雨傘開合;線基準(zhǔn)形為平行開合的形態(tài)，如燈籠、手風(fēng)琴的褶皺;無確定基準(zhǔn)一般為依靠材料結(jié)構(gòu)特性的結(jié)構(gòu)。折疊包括形態(tài)性（參數(shù)化形態(tài)）、結(jié)構(gòu)性、功能性三方面特性：

形態(tài)性，在本文中指產(chǎn)品的參數(shù)化形態(tài)，線與線之間形成面，面與面連接形成體，點(diǎn)、線、面形成的新型體量關(guān)系就形成了折疊結(jié)構(gòu)。這種簡(jiǎn)單一致的重復(fù)，能構(gòu)成秩序美。主要具備對(duì)稱、秩序、節(jié)奏、韻律、平衡等特征。就折疊結(jié)構(gòu)的形式美學(xué)來說，符合均衡與對(duì)稱、比例與尺度、對(duì)比與特異等一系列美學(xué)基本原則[10]。

結(jié)構(gòu)性，折疊結(jié)構(gòu)包括一體連接和運(yùn)動(dòng)副連接。一體連接的折疊結(jié)構(gòu)，材料本身是一體性的，設(shè)計(jì)者按照材料上的折疊線折疊，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在空間中的縮放;另一種折疊結(jié)構(gòu)是運(yùn)動(dòng)副連接，兩個(gè)構(gòu)件直接接觸，同時(shí)能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)連接，如形成回轉(zhuǎn)副的軸承結(jié)構(gòu)，形成移動(dòng)副的滑塊與滑槽結(jié)構(gòu)。

功能性，除了收納節(jié)省空間、便攜，本文的視角在于折疊的運(yùn)動(dòng)功能，即動(dòng)態(tài)性，折疊的動(dòng)態(tài)功能與參數(shù)化形態(tài)以及結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。結(jié)構(gòu)是構(gòu)成形態(tài)的重要因素，同時(shí)結(jié)構(gòu)也驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)。

三、柔性材料的形變研究

（一）形變?cè)?/p>

文章中采用氣囊充放氣來驅(qū)動(dòng)參數(shù)化造型的形變，分別為：（1）氣囊自身形變，在充放氣過程中產(chǎn)生造型，以柔性材質(zhì)制作氣囊可直接應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì);（2）氣囊驅(qū)動(dòng)形變，氣囊充放氣驅(qū)動(dòng)折紙結(jié)構(gòu)以扭轉(zhuǎn)、放射等形狀開合。根據(jù)氣囊自身形變的形式和折疊結(jié)構(gòu)的組合，可產(chǎn)生更豐富的變化效果。

1.氣囊自身形變

文章根據(jù)氣囊加工性質(zhì)，共研究了三類氣囊變化方式：?jiǎn)误w式、連接式、組合式（如圖3）所示。（1）單體式是最基本的單元形態(tài)，為獨(dú)立充放氣的一個(gè)氣囊。在放氣狀態(tài)下，單體式氣囊可根據(jù)需要制成矩形、圓形等形狀。可依據(jù)程序控制單體形變的快慢程度以及變化幅度。（2）連接式為多個(gè)單體氣囊相連，中間有氣孔連同，根據(jù)形變需要控制壓痕，可產(chǎn)生單軸向起伏和多軸向起伏。（3）組合式為多個(gè)單體氣囊依據(jù)程序來控制充放氣順序、速度等，而形成組合變化。

2.柔性材料折疊形變

根據(jù)前文研究的折疊結(jié)構(gòu)，參數(shù)化形態(tài)的形變主要分為一體式形變和運(yùn)動(dòng)副式形變：

本文首先研究了一體式形變結(jié)構(gòu)，經(jīng)過大量折疊實(shí)驗(yàn)，根據(jù)開合的形態(tài)總結(jié)為平行開合、扇形開合、扭轉(zhuǎn)開合、放射開合等，用于表達(dá)參數(shù)化形態(tài)并產(chǎn)生形變（如表2）。

平行開合，以某一軸向平行抻拉;

扇形開合，以某一基準(zhǔn)點(diǎn)為圓心，向切線方向開合;

扭轉(zhuǎn)開合，在折疊造型基礎(chǔ)上進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，使平面變?yōu)榍?

放射開合，通常以某一基準(zhǔn)點(diǎn)為圓心，呈放射狀、球狀展開。

其次，研究了運(yùn)動(dòng)副式伸縮形變結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)將獨(dú)立的單元形態(tài)進(jìn)行連接，并使單元形態(tài)之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)開合的形態(tài)總結(jié)為軸連接伸縮開合及滑槽連接伸縮開合（如表3）。運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)可使產(chǎn)品形態(tài)變化具備一定的伸縮性，而與一體式折疊結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于單元形間的相對(duì)獨(dú)立性。

3.參數(shù)化形態(tài)的變形

本文中，參數(shù)化形態(tài)的變形主要通過氣囊與折疊結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)二者組合的形式，可歸納為“氣囊支撐”以及“折疊結(jié)構(gòu)支撐”兩種?！皻饽抑巍钡男问綖闅饽以趦?nèi)、折疊的造型在外，氣囊驅(qū)動(dòng)折疊造型起伏、伸展，（如圖4上）所示;“折疊結(jié)構(gòu)支撐”為氣囊包裹折疊結(jié)構(gòu)，充放氣時(shí)，氣囊形態(tài)隨著折疊結(jié)構(gòu)的變化而改變（如圖4下）所示。

（二）驅(qū)動(dòng)形變的技術(shù)

為產(chǎn)生更豐富的形變效果，文章采用Arduino電子模塊實(shí)現(xiàn)了多氣囊的控制，原理（如圖5）。整個(gè)電路包括Arduino控制主板，3V充氣泵、抽氣泵、電子閥門、氣囊以及電源等。充氣泵及抽氣泵通電即進(jìn)入工作狀態(tài)，閥門起到氣泵和氣囊之間的連通作用，控制主板的程序用來控制閥門的開啟和關(guān)閉，使氣體通過。整套電路可任意控制氣囊的充放氣時(shí)長(zhǎng)、每個(gè)單體氣囊充放氣的先后順序等。

（三）案例應(yīng)用

根據(jù)形變方法，本文設(shè)計(jì)了部分應(yīng)用方法，來證明參數(shù)化形變?cè)煨脱b置的潛在用途，并選擇了有代表性的應(yīng)用來說明不同形變方法適合的場(chǎng)景。具體應(yīng)用的思路（如圖6）所示。

1.海洋生物—放射開合的仿生設(shè)計(jì)

本案例利用了放射開合的折疊結(jié)構(gòu)以及單體式氣囊，模仿河豚遇敵時(shí)的膨脹反應(yīng)。傳統(tǒng)仿生造型多為提取生物靜止的外觀形態(tài)，本研究提取生物結(jié)構(gòu)，模仿河豚有代表性的動(dòng)態(tài)效果。并且，安裝了“輕觸”傳感器，當(dāng)用戶觸碰時(shí)模以遇敵狀態(tài)，并用折疊實(shí)現(xiàn)了單元形從聚集到展開的效果，使造型更加生動(dòng)（如圖7）。

2.昆蟲—伸縮開合的甲片

本案例為基于運(yùn)動(dòng)副伸縮開合的形變研究，通過片材之間的長(zhǎng)螺釘連接形成一定的運(yùn)動(dòng)空間，實(shí)現(xiàn)甲片角度變化，模仿昆蟲鳴叫時(shí)的身體形態(tài)（如圖8）。

3.燈具—扇形開合設(shè)計(jì)

本案例用連接式氣囊配合扇形開合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款可形變的燈罩，當(dāng)用戶開啟燈具，伴隨著燈光變亮，燈罩從閉合狀態(tài)逐漸變飽滿。本研究探討了家居產(chǎn)品功能與形態(tài)在動(dòng)態(tài)層面的一致性（如圖9）。

結(jié)論

文章研究重點(diǎn)在于突破傳統(tǒng)產(chǎn)品的靜態(tài)造型，通過電子模塊驅(qū)動(dòng)柔性材質(zhì)的折疊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生參數(shù)化動(dòng)態(tài)效果，并將形變研究的成果用于智能交互產(chǎn)品，達(dá)到形態(tài)、功能、交互方式的統(tǒng)一。文章研究的形變強(qiáng)調(diào)了產(chǎn)品外觀動(dòng)態(tài)性，補(bǔ)充了交互設(shè)計(jì)中聲音、圖文信息、光影等感官形式以外的觸覺感官，同時(shí)提升了產(chǎn)品在空間中的適應(yīng)性;參數(shù)化的形態(tài)使產(chǎn)品造型模塊化、秩序化，提升制造效率。本文總結(jié)的形變?cè)砑凹夹g(shù)不但可用于工業(yè)產(chǎn)品，在機(jī)器人、智能可穿戴、裝置藝術(shù)等領(lǐng)域均有延展空間。m

基金項(xiàng)目：北京市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)IDHT20180511項(xiàng)目：北京服裝學(xué)院高水平教師隊(duì)伍建設(shè)新進(jìn)青年教師啟動(dòng)計(jì)劃BIFTXJ201914項(xiàng)目。

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