基于航天領域CMF設計策略與方法研究

韓瑋　尹晶雯　聶冰雪

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）08-0038-04

引言

針對現(xiàn)有CMF設計僅僅停留在設計理念及前期設計分析的層面，并未形成足夠可操作、量化可執(zhí)行的設計體系，也遠沒有得到設計行業(yè)應有的重視程度，CMF設計師也僅僅根據(jù)設計經(jīng)驗和個人感覺進行相關(guān)的設計工作，并且由于目前可參考的理論材料并不多，仍處于探索階段。

另外，在航天領域，相關(guān)行業(yè)應用產(chǎn)品特殊的應用環(huán)境與特有的產(chǎn)品特點，例如可靠性、可達性、互換性、維修性等性能要求，都會對產(chǎn)品設計有著嚴格的約束作用，目前來講，隨著航天領域終端類產(chǎn)品小型化、輕量化的設計需求，以及北斗導航的商業(yè)化布局要求，民用市場將進一步打開，如何快速打開民用市場，成為當下航天工業(yè)設計及CMF設計需要急需解決的問題。可將CMF設計引入航天領域，并在設計的前期提前介入，在保證產(chǎn)品功能與美學元素平衡的前提下，將色彩、材料、工藝作為一種美學元素，創(chuàng)建不同的色彩、材料、工藝組合的戰(zhàn)略決策，實現(xiàn)不同部件的拆卸、維修和回收利用，減少成本的同時減少資源的浪費，從而更好地運用CMF驅(qū)動設計的思維方法，通過對功能性產(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)與解構(gòu)，打造航天領域特有的產(chǎn)品風格與品牌形象，同時促進北斗產(chǎn)業(yè)市場化應用，加快對北斗導航相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈的資源整合。

一、CMF設計概述

CMF（Color、Material&Finishing）傳統(tǒng)意義上是指產(chǎn)品設計中針對色彩、材料與工藝三者的總稱，通過對產(chǎn)品外觀進行色彩搭配、材料與工藝的運用，以達到最佳的視覺美感和最佳的產(chǎn)品性能。目前，隨著CMF設計的不斷深入，CMF逐步從傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計的模式剝離出來，成為連接設計對象和用戶并與之交互的深層感知部分。

作為一門設計細分學科，CMF聯(lián)結(jié)了感性與理性的綜合價值，從設計美學、色彩學、材料學、人機工程學到設計心理學等，是多學科、時尚趨勢、工藝技術(shù)、創(chuàng)新材料、審美觀念綜合的交叉產(chǎn)物，也是現(xiàn)在企業(yè)提升內(nèi)在品牌價值與外在產(chǎn)品形象特征的重要手段。CMF設計師需要從全新的設計視角，探索用戶和市場的細分需求，提供創(chuàng)新的產(chǎn)品色彩定義和產(chǎn)品圖案設計，設計方案的材質(zhì)與工藝規(guī)劃、細化設計手板生產(chǎn)及產(chǎn)品工程方案并收集研究新材料、新工藝、新色彩發(fā)展趨勢。

在CMF設計中，色彩是產(chǎn)品外觀效果呈現(xiàn)的首要視覺元素，也是感官最為顯著的部分，千變?nèi)f化的色彩搭配組合，能夠帶來不同的視覺效果。而產(chǎn)品表面的色彩計劃是借由材料與工藝的選擇決定的。材料是產(chǎn)品實現(xiàn)的物質(zhì)載體，直接對產(chǎn)品的色彩、工藝以及最終的視覺效果產(chǎn)生影響，材料的選擇決定了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與制造方式，也決定了可選擇的色彩計劃與工藝表現(xiàn)，因此，材料的選擇為CMF設計提供了更加廣闊的設計空間。工藝包括成型工藝與表面處理工藝，是產(chǎn)品成型及外觀效果實現(xiàn)的手段，工藝的選擇決定了可適用的材料與可實現(xiàn)的色彩，也決定了產(chǎn)品表面的處理效果。

二、CMF設計現(xiàn)狀及可行性分析

（一）CMF設計現(xiàn)狀

CMF設計作為工業(yè)設計的一部分，其不僅可以實現(xiàn)產(chǎn)品視覺美感的提升，包括產(chǎn)品的設計風格、流行趨勢，也承載著新興材料、工藝等創(chuàng)新技術(shù)的應用，例如成型工藝、表面處理工藝技術(shù)的創(chuàng)新。目前CMF設計對于產(chǎn)品研發(fā)與設計中的效用與價值在于：首先，針對色彩體系的研發(fā)，包括色彩趨勢的解讀來提升產(chǎn)品形態(tài)區(qū)域化美感的可讀性、易讀性;其次，憑借材料本身的特殊屬性來優(yōu)化與改善產(chǎn)品在特定使用場景下功能的實現(xiàn)效果;最后，通過對材料本身施以肌理質(zhì)感、紋樣圖案來增加產(chǎn)品的易用性、觸覺感知等。

目前，大多數(shù)國內(nèi)企業(yè)并沒有形成較為職業(yè)化的CMF設計師，也并沒有嚴格意義上的自主創(chuàng)新路徑，仍然采用追隨策略，以模仿歐美日韓企業(yè)的產(chǎn)品材質(zhì)設計方案為主，缺乏引領市場和消費趨勢的能力。CMF設計師在進行方案設計時多依據(jù)個人經(jīng)驗和主觀感受，并沒有切實可行的量化執(zhí)行的方法和工具，并且目前關(guān)于CMF的設計研究成果并不多，可參考的設計方法也乏善可陳，總體處于起步階段，缺少相對系統(tǒng)的量化推理方法和研究數(shù)據(jù)支撐。

（二）CMF設計可行性分析

隨著近年來感性工學、情感計算、可拓學以及色彩和材料學的不斷發(fā)展，尤其是大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)物種的問世，對于大量數(shù)據(jù)、圖案、紋樣、材料樣例等元素均可實現(xiàn)方便快捷的理性分析，運用感性工學、可拓學與工業(yè)設計專業(yè)的深度融合，研究材質(zhì)的情感化設計方法，實現(xiàn)典型用戶情感意象與產(chǎn)品材質(zhì)設計之間的雙向可拓推理，為感性設計、CMF設計和設計方法學提供新的思路和方法，是解決產(chǎn)品設計同質(zhì)化、準確匹配用戶需求、提高設計創(chuàng)新策略等問題的有效途徑。

感性工學作為一門新興的感性與工學相結(jié)合的新興工學學科，是利用現(xiàn)代技術(shù)對人的感知過程進行測定、量化和分析，通過分析人的主觀感性和個人喜好來設計、制造產(chǎn)品，掌握其中的規(guī)律，將人的主觀感覺特性轉(zhuǎn)化為感性價值，啟發(fā)和引導產(chǎn)品的設計變革。最早的感性分析導入工學領域的是日本廣島大學工學部的研究人員，最初的研究方向是在住宅設計中，綜合考慮居住者的情感和欲求，研究如何將居住者的感官需求轉(zhuǎn)換為具體化的理性技術(shù)。感性工學一經(jīng)問世，馬自達就率先成立感性工學研究室，并將此技術(shù)應用于新產(chǎn)品的設計開發(fā)中，并在汽車設計領域打開了市場，例如其采用感性工學研發(fā)的跑車Miyata（在歐洲被稱為MX5），采用軟制頂蓬構(gòu)造以及前翻燈的造型，增加了活潑的性格，形成并延續(xù)了跑車的經(jīng)典元素。此車推出后連續(xù)十多年都是世界上最暢銷的跑車，于2000年獲得吉尼斯紀錄，并于2011年累計生產(chǎn)達成90萬臺，重新刷新其世界上最暢銷跑車吉尼斯紀錄，截止目前MX5系列共研發(fā)4代，見圖l。

另外，日本的夏普公司（Sharp）采用感性工學技術(shù)，觀察用戶在使用產(chǎn)品時的行為習慣，研發(fā)出一款帶有液晶顯示而不是傳統(tǒng)目鏡的攝像錄像組合機（VL-Z811D），在攝像機領域獲得了巨大的成功，市場份額也從3%增加到24%，見圖2。在冰箱領域，夏普同樣將感性工學引進，對家庭主婦烹飪時的行為習慣進行了感性意象分析，認識到彎腰取蔬菜的工作負荷遠遠大于站立時的工作負荷，將傳統(tǒng)冰箱冷凍在上層與冷藏在下層的位置進行了對位調(diào)整，這一改變也一直引領著現(xiàn)代冰箱的樣式布局。

目前色彩體系相對成熟度較材料及工藝的選用要高，例如瑞典NCS色彩體系，在接近2000個NCS的顏色里，通過量化的色彩編號，明確每個顏色中色彩以及黑白的占比，使得顏色加工能夠呈現(xiàn)出理想的效果。例如瑞典國家的國旗顏色（如圖3）就是采用了NCS標準色：黃色號：S 0580-Y1OR（含義：“S”表示NCS第2版（Second edition），也代表標準色樣（Standard）;“0580”表示黑度和彩度，也就是純黑色占5%，而純彩色占80%;“YIOR”表示色相，也就是色相為90%的黃色和10%的紅）：藍色號：S 4055-R95B（含義：“4055”表示純黑色占40%，純彩色占55%;“R95B”表示5%的紅色和95%的藍色）。這樣的色彩編號形式可借鑒吸收于CMF設計中，形成類似“PC1414-9D155（基礎創(chuàng)新材料）”這樣的生產(chǎn)語言，運用于航天產(chǎn)品設備的設計研發(fā)過程中，確保設計效果與生產(chǎn)效果的一致性。

另外，日本的NCD色彩研究體系將不同行業(yè)領域的感性意象進行信息化處理，以此來探求人們的心理以及時尚潮流的發(fā)展動向，并實現(xiàn)網(wǎng)絡化的信息處理。NCD色彩研究體系通過將表達心理色彩體驗的代表色與描述感性價值的形象詞銜接起來形成配色群組，形成不同意象感覺的配色方案，并對其進行分類，形成色彩形象坐標。這一形象坐標將用戶的心理感知與設計實踐、用戶需求銜接起來，對于色彩設計有著很好的技術(shù)指導，如圖4、5。

目前感性工學、可拓學、NCS色彩體系以及NCD色彩研究體系等相關(guān)理論的研究思路已相對明確，而在CMF設計領域并未形成體系化、可落地、可量化的程度，可將感性工學的理論引入CMF設計行業(yè)，其實現(xiàn)的基本路徑如下：首先，提取用戶在色彩、材料、工藝的情感意象方面的通用關(guān)鍵特征，建立情感與色彩、材料與工藝的相關(guān)性以及統(tǒng)一的評價標準;其次，明確情感意象與關(guān)鍵特征之間的量值范圍、優(yōu)先級別，建立評價標準量表;最后，建立用戶情感意象與產(chǎn)品CMF設計的雙向推導方案，生成特定情感意象的色彩、材料、工藝三要素組合的最優(yōu)設計方案。這一思路的實現(xiàn)路徑能夠根據(jù)市場最新的色彩、材料及工藝的趨勢進行實時的調(diào)整規(guī)劃，能夠科學理性地將CMF設計體系的邏輯框架建立起來。

三、基于航天領域CMF設計的策略與方法

（一）航天領域產(chǎn)品的特點及設計現(xiàn)狀分析

航天領域產(chǎn)品特殊的使用環(huán)境與應用場景，要求所有的導航、通信系統(tǒng)以及其他領域的航天設備有著嚴格的質(zhì)量管控，必須保證設備在工作過程中的長壽命、高可靠、強安全以及其他特殊的性能要求，尤其是航天產(chǎn)品的生產(chǎn)對于其加工、配置的精確度要求極高，所以，在產(chǎn)品設計的前期需要根據(jù)復雜的工作環(huán)境以及特殊的操作場景進行調(diào)研分析，尤其是色彩、特殊材料、特殊工藝的要求有著嚴格的設計要求，例如機載設備在色彩設計方面的相關(guān)規(guī)定：座艙內(nèi)的設備和緊固件表面應為無光黑色;座艙以外的設備表面一般應為無光灰色;其外部緊固件（在維修中需經(jīng)常拆裝的）的可見面應和設備表面的顏色形成明顯的對比等設計要求。另外，除了航天領域?qū)τ诳煽啃?、可達性、安全性及穩(wěn)定性方面的要求外，對于某些特定的設備會有互換性、維修性方面的要求，尤其是涉及到艙內(nèi)及艙外單元模塊的設計，要求設備的更換與維修迅速、快捷。

而對于CMF設計在航天領域并未形成嚴格的設計體系，一般均根據(jù)客戶要求或者設計師本身的感官經(jīng)驗而定，并未進行用戶在視覺、觸覺等五感環(huán)境下產(chǎn)品操作適應性的分析，使其在特殊環(huán)境下的操作行為或操作習慣受限，從而引發(fā)操作失誤或安全問題。目前，航天領域在材料及工藝方面的標準規(guī)范也僅僅從材料及工藝本身的特性進行要求，例如，針對材料表面涂覆方面，要求涂鍍層應均勻、光潔、美觀，不應有氣泡、龜裂、凝結(jié)、脫落等缺陷，并未將色彩、材料及工藝作為整體來看待，缺乏對其工業(yè)設備或應用產(chǎn)品進行深入的CMF層次的分析，例如色彩的冷暖感、膨脹感、輕重感、進退感以及材料及工藝帶來的表面質(zhì)感、粗糙感、柔軟度等都會對用戶操作行為產(chǎn)生影響。

針對航天領域目前在工業(yè)設計、CMF設計方面存在的缺失，進行設計策略與方法的研究，本著量化可執(zhí)行、可落地的方案進行探究，包括色彩體系的規(guī)范、材料及工藝技術(shù)層面的創(chuàng)新、創(chuàng)建組合性的戰(zhàn)略決策等方面。

（二）色彩設計的策略與方法

1.色彩體系的建立：

隨著商業(yè)航天的市場開拓與不斷發(fā)展，航天產(chǎn)品逐漸從軍品市場轉(zhuǎn)移到民品市場，而民品市場的產(chǎn)品定位需要更多地面向普通消費者用戶，而非專業(yè)用戶，因此，企業(yè)形象識別系統(tǒng)（CI）對于商業(yè)航天整體市場的開拓具有重要的作用，色彩識別作為企業(yè)形象識別系統(tǒng)的要素之一，需要具備代表自己企業(yè)的標準色以實現(xiàn)識別功能，“航天藍”色彩體系的建立，象征航天電子產(chǎn)品的科技感與現(xiàn)代感，確保企業(yè)始終秉持著沉著、冷靜、穩(wěn)定的心態(tài)面對多變的競爭市場，在品牌發(fā)展過程中樹立自己鮮明的識別性。

基于感性工學及NCD色彩研究體系，深入航天特定領域，借助特定的工具與方法，將航天特定用戶隱性的感性需求轉(zhuǎn)換為顯性的設計元素，建立航天專屬的色彩體系，可以科學合理地定義“航天藍”的色譜范圍、配色體系及色彩流行趨勢，在日常的色彩設計過程中，可以從定義好的色彩庫中進行產(chǎn)品設計的配色、絲印、以及平面、海報、多媒體、品牌推廣等視覺輸出物，從而通過更科學的方式約束設計師僅憑借感官經(jīng)驗來進行設計工作，同時保障航天應用產(chǎn)品的輸出質(zhì)量與品牌形象的延續(xù)性與合理性。

另外，針對航天電子設備，深入特定使用環(huán)境進行人機分析，包括環(huán)境光線對視知覺的影響及人機操作行為中色彩的識別對應急處置的影響等內(nèi)容，將產(chǎn)品特殊的使用環(huán)境中涉及的色彩功能納入航天色彩體系的建立，從而豐富整個色彩體系的深度與廣度。

2.工程實現(xiàn)：

基于瑞典NCS色彩體系和日本NCD色彩研究體系以及感性工學的理論研究為基礎，在產(chǎn)品外觀設計及批產(chǎn)加工過程中，可嘗試通過色彩編號與色料或者油漆編號一一對應的形式進行色彩體系的構(gòu)建，并結(jié)合工廠實際的色彩調(diào)色工程經(jīng)驗，給出對應的浮動空間，將設計語言轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)語言，減少出廠效果與預期設計效果差異過大的情況出現(xiàn)，同時減少返廠重修的概率。

（三）材料工藝技術(shù)層面的創(chuàng)新

材料是設計造物的基礎，是創(chuàng)新與設計的驅(qū)動器?？沙掷m(xù)設計的發(fā)展，要求我們的設計工作必須注重材料思維，以材料為核心，研究和探索材料，尤其是在航天產(chǎn)品的設備，對材料的約束更加嚴格，而目前材料的選擇集中在傳統(tǒng)材料上，對材料自身的特性要求約束更高，所以對傳統(tǒng)材料性能的升級是目前發(fā)展空間比較大的一種創(chuàng)新方式。另外，也可在高新材料上進行設計策略的思考，例如超材料，由于傳統(tǒng)材料在設計上暴露的局限性，對材料的綜合性能要求更高，發(fā)展超越常規(guī)的材料性能的設計思路，成為新材料研發(fā)的關(guān)鍵點。其次，在材料的選擇上，也越來越提倡定制化材料，例如3D打印、4D打印，一方面可以降低材料設計的成本，另一方面更快成形，4D打印還可以實現(xiàn)在新環(huán)境的下物體的變形，實現(xiàn)物體的自組裝。例如麻省理工的Self-Assembly Lab（自組裝實驗室）已經(jīng)研發(fā)出能自我組裝的桌子、能夠在幾分鐘內(nèi)快速液體打印的花瓶、燈具等（如圖6）。4D打印的問世，將材料與結(jié)構(gòu)的變形設計內(nèi)置到物料中，簡化了設計造物的過程，讓物體能自主組裝構(gòu)型，實現(xiàn)了產(chǎn)品設計、制造和裝配的一體化融合。

與CMF設計相關(guān)的技術(shù)層面包括成型工藝與表面處理工藝，成型工藝是產(chǎn)品物化的基礎，表面處理工藝影響著產(chǎn)品表面質(zhì)感、色感，在CMF設計的技術(shù)層面的創(chuàng)新的關(guān)鍵在于產(chǎn)品成型加工耗時與獲取精致的表面質(zhì)感之間的平衡，例如越細致光滑的加工紋理意味著越長的加工時間和越少的后期打磨需求。而這種平衡的形成需要C、M、F三者的綜合作用。所以，CMF技術(shù)層面的創(chuàng)新可以帶來產(chǎn)品設備的豐富性與多樣性，對于航天特殊使用環(huán)境下的設備，在充分考慮到使用者的使用習慣及特殊性能的情況下，依據(jù)工藝創(chuàng)新可以實現(xiàn)“高顏值”和“輕量化”的工業(yè)化產(chǎn)品。例如，微發(fā)泡工藝（Foam Pro）的研發(fā)可以實現(xiàn)輕量化的要求，與傳統(tǒng)注塑工藝相比可減重20%，成型周期可大幅縮減30%，生產(chǎn)效率大幅提升，也可降低50%的鎖模力，消除翹曲、縮水等問題。另外，Neal Feay工作室針對制模工藝的創(chuàng)新，實現(xiàn)了表面紋理加工與完成產(chǎn)品設計的完美融合，做到了在各個層級上的經(jīng)濟適用。這些工藝技術(shù)層面的創(chuàng)新均可為航天行業(yè)的產(chǎn)品設備設計研發(fā)提供一定的設計思路，如圖了。

（四）創(chuàng)建材料組合的戰(zhàn)略決策

基于航天領域相關(guān)模塊化設備存在著互換性與快速維修性的特點，在進行尺寸外觀約束的前提下，還需要在CMF設計層面建立相應的策略與方法。例如組合材料的可拆卸性設計，要保證不同的產(chǎn)品零部件和材料要方便裝配和拆卸后進行維修、翻新或循環(huán)利用，就必須注重材料結(jié)合的方式對產(chǎn)品功能和美學元素平衡方面產(chǎn)生的影響。這種策略來源于產(chǎn)品設計中經(jīng)常會遇到的一種矛盾：不同的材料通過物理或化學方式一旦融合在一起，結(jié)構(gòu)上就會成為一個整體，變成一個單一產(chǎn)品，但是在產(chǎn)品的使用過程中，有的部件會先損壞，而有的部件則依舊能夠使用。這種矛盾就會造成資源的浪費。以通過共注成型工藝設計的牙刷為例：在日常的使用過程中，牙刷毛會先于牙刷柄扭曲變形而損壞，而此時卻不能只換牙刷毛而不換刷柄。另外，在處理廢棄牙刷過程中，由于回收物流線受到固體雜質(zhì)的污染，牙刷也無法實現(xiàn)循環(huán)再利用。

所以，在進行模塊化設備的設計研發(fā)時，建立色彩、材料及工藝組合作用時的戰(zhàn)略決策，充分考慮產(chǎn)品模塊單元的結(jié)構(gòu)與解構(gòu)方式，避免出現(xiàn)“局部損壞即全部報廢”的局面，確保所研發(fā)產(chǎn)品設備的互換性與維修性，以及產(chǎn)品的更換效率、回收利用率，實現(xiàn)最大限度的產(chǎn)品價值，節(jié)約設計成本，延長產(chǎn)品的生命周期。

總結(jié)

CMF設計在產(chǎn)品的設計研發(fā)中起著越來越重要的作用，本文基于航天領域特殊的產(chǎn)品特點及特殊的使用環(huán)境，進行CMF設計策略與方法的分析研究，從定性推演、量化分析的視角，分別從色彩設計體系的建立、材料及工藝的技術(shù)創(chuàng)新、材料組合的戰(zhàn)略決策等方面進行了設計分析，通過有效的系統(tǒng)工具對設計元素進行分類、選擇，轉(zhuǎn)化為可量化執(zhí)行的生產(chǎn)語言，實現(xiàn)產(chǎn)品設計中色彩、材料、工藝的量化管理，從而建立可管控的設計管理體系，為未來的航天領域產(chǎn)品的設計研發(fā)奠定技術(shù)基礎。