從涌現(xiàn)理論到機(jī)械臂數(shù)字制造＊
——以作品“太湖石”為例

趙陽臣

（南京藝術(shù)學(xué)院,江蘇南京 210000）

“涌現(xiàn)”（Emergency）在漢語詞典中的解釋為：一種從低層次到高層次的過渡,是在微觀主體進(jìn)化的基礎(chǔ)上，宏觀系統(tǒng)在性能和機(jī)構(gòu)上的突變，在這一過程中從舊質(zhì)中可以產(chǎn)生新質(zhì)。這種基于邏輯規(guī)則生成復(fù)雜結(jié)果的運(yùn)作方式展現(xiàn)出了自然界與參數(shù)化設(shè)計(jì)之間巨大的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)下設(shè)計(jì)師如何有效地發(fā)揮參數(shù)化設(shè)計(jì)與數(shù)字制造技術(shù)優(yōu)勢，將自然界的混沌與復(fù)雜性映射到設(shè)計(jì)實(shí)踐中，是一個(gè)值得探索的課題。

一、涌現(xiàn)理論

美國約翰?霍普斯金大學(xué)心理學(xué)教授約翰?霍蘭德（John Holland）是涌現(xiàn)理論奠基人及遺傳算法之父，他在1998年出版的《涌現(xiàn)：從混沌到秩序》一書中最早提出了“涌現(xiàn)”的概念，書中他將涌現(xiàn)原理描述為小事物遵循規(guī)則發(fā)展為復(fù)雜事物的現(xiàn)象，即自下而上由局部到整體的質(zhì)變，在這個(gè)過程中系統(tǒng)整體出現(xiàn)了部分所沒有的新質(zhì)或者新量，而非簡單線性遞增疊加[1]?；籼m德在書中引用了童話故事《杰克與魔豆》來類比涌現(xiàn)這一現(xiàn)象，杰克種下魔豆的種子，種子生長成通天的藤蔓并將巨人的世界呈現(xiàn)于杰克眼前。這個(gè)過程點(diǎn)名了涌現(xiàn)的核心要素，即簡單事物通過特定規(guī)則產(chǎn)生復(fù)雜結(jié)果，其中種子可理解為初始的簡單事物，通天的藤蔓與巨人國可看作復(fù)雜結(jié)果，那么種子中所攜帶的基因便是促使涌現(xiàn)發(fā)生的規(guī)則。涌現(xiàn)是自然界中常見的現(xiàn)象，如魚群的集群活動，鳥類的遷徙、螞蟻的覓食等，都是自然界中涌現(xiàn)原理的體現(xiàn)。隨著人們對自然世界認(rèn)知的深入，涌現(xiàn)原理逐步改變了設(shè)計(jì)師看待事物的視角，即從外在表象到內(nèi)在邏輯的轉(zhuǎn)變[2]。

涌現(xiàn)原理與參數(shù)化設(shè)計(jì)有著密不可分的關(guān)系，涌現(xiàn)原理最核心的特征是事物遵循簡單規(guī)則產(chǎn)生復(fù)雜結(jié)果，而參數(shù)化設(shè)計(jì)是通過邏輯算法在輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)之間建立關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)方法[3]，由定義可見兩者存在巨大交集。參數(shù)化設(shè)計(jì)中有大量涌現(xiàn)原理的應(yīng)用，無論是遺傳算法的迭代優(yōu)化、還是磁場算法的場域模擬，都是基于涌現(xiàn)原理的運(yùn)算。

二、涌現(xiàn)的表現(xiàn)特征

1.隨機(jī)性

涌現(xiàn)是局部因素之間相互影響不斷推進(jìn)的過程，任何小的變化都會牽動整體的狀態(tài)與發(fā)展走向，雖然涌現(xiàn)是遵循明確規(guī)則邏輯的演進(jìn)，但是過程通常復(fù)雜到無法被人們所完全理解。因此涌現(xiàn)所呈現(xiàn)的結(jié)果往往是不可預(yù)知的。

2.非線性

涌現(xiàn)是在復(fù)雜系統(tǒng)或過程中出現(xiàn)的、不容易通過簡單線性關(guān)系來解釋或預(yù)測特征或行為，這些特征通常涉及多個(gè)變量之間的復(fù)雜相互作用，其發(fā)展過程不是簡單的線性累加，無法對其過程做線性的邏輯推理。

3.歷時(shí)性

涌現(xiàn)是一個(gè)隨時(shí)間不斷演進(jìn)的過程，所有的局部遵循特定的規(guī)則自下而上推進(jìn)從而促使整體發(fā)生變化，并且在不同時(shí)間尺度下可能出現(xiàn)的不同特征和行為。涌現(xiàn)的歷時(shí)性決定了涌現(xiàn)是不可逆的過程[4]。

4.自組織性

系統(tǒng)內(nèi)部的局部規(guī)則和相互作用使得系統(tǒng)能夠自主協(xié)同合作，形成整體結(jié)構(gòu)或特定行為，每個(gè)局部遵循規(guī)則運(yùn)作，無需外部指導(dǎo)或控制，在規(guī)則的作用下局部之間相互關(guān)聯(lián)相互影響形成一定的秩序并促成整體的演變。

5.復(fù)雜性

涌現(xiàn)原理中雖然是簡單局部遵循簡單規(guī)則，但是局部之間遵循規(guī)則相互作用會形成復(fù)雜系統(tǒng)，再加上過程中的隨機(jī)性與跳突性的作用，通常形式上會呈現(xiàn)出復(fù)雜的整體現(xiàn)象。

6.跳突性

涌現(xiàn)現(xiàn)象的發(fā)生通常是非線性的混沌過程，過程中不同的狀態(tài)之間沒有穩(wěn)定漸進(jìn)的過渡狀態(tài)，后一個(gè)狀態(tài)總是突然出現(xiàn)甚至發(fā)生質(zhì)的改變，所以涌現(xiàn)的表現(xiàn)形式通常伴隨著突變。

三、基于涌現(xiàn)原理的形式生成

自然界中的很多復(fù)雜形式或復(fù)雜現(xiàn)象的產(chǎn)生都來源于涌現(xiàn)原理，太湖石的造型生成便是涌現(xiàn)原理的典型體現(xiàn)。太湖石是我國四大名石之一，以其奇特的形態(tài)與紋理而聞名，這些形態(tài)與紋理是多方面因素共同影響產(chǎn)生的，風(fēng)吹日曬的自然風(fēng)化、水流的沖刷侵蝕、礦物質(zhì)引發(fā)的化學(xué)作用等因素共同造就了每一個(gè)獨(dú)一無二的太湖石造型，有趣的是經(jīng)研究表明，這些自然生成的形態(tài)不僅有奇異的美學(xué)價(jià)值，也具備結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性[5]，可見自然界生形法則是設(shè)計(jì)師絕佳的老師。

參數(shù)化作品“太湖石”便是采取了向自然現(xiàn)象學(xué)習(xí)的策略，在計(jì)算機(jī)中沿用涌現(xiàn)原理再現(xiàn)太湖石復(fù)雜形態(tài)，進(jìn)而構(gòu)建一套系統(tǒng)化的參數(shù)化設(shè)計(jì)與數(shù)字制造流程。該作品是2022年南京藝術(shù)學(xué)院參數(shù)化設(shè)計(jì)工作坊“機(jī)械臂數(shù)字建構(gòu)”中的一組實(shí)驗(yàn)性創(chuàng)作，作品由工作坊中9位學(xué)生各自完成的雕塑單體構(gòu)成。作品將太湖石作為研究對象，試圖以參數(shù)化設(shè)計(jì)及當(dāng)下前沿的機(jī)械臂數(shù)字制造方法模擬和再現(xiàn)自然界涌現(xiàn)原理產(chǎn)生的復(fù)雜形態(tài)。

作品采用了磁場算法以及ISO等值曲面算法等參數(shù)化設(shè)計(jì)中典型的涌現(xiàn)原理算法，核心思路是在空間范圍中建立一個(gè)三維磁場，利用磁場運(yùn)算找形?？臻g中需要設(shè)定若干個(gè)磁力點(diǎn)，這些磁力點(diǎn)具備不同的電荷參數(shù)值，正數(shù)值作為正電荷，負(fù)數(shù)值作為負(fù)電荷，所有點(diǎn)位置數(shù)據(jù)以及電荷數(shù)值大小等參數(shù)共同構(gòu)成了區(qū)域內(nèi)的一個(gè)磁場，該虛擬磁場區(qū)域范圍尺寸對應(yīng)現(xiàn)實(shí)世界中加工材料尺寸。計(jì)算機(jī)中磁場區(qū)域內(nèi)任何一個(gè)點(diǎn)都可以和所有的磁力點(diǎn)發(fā)生計(jì)算并根據(jù)其獨(dú)特位置參數(shù)以及與各磁力點(diǎn)的距離得到相應(yīng)數(shù)值，這些值隨位置的變化存在一定的連續(xù)性，假設(shè)可以將所有計(jì)算結(jié)果等于某個(gè)常數(shù)的點(diǎn)位全部提出來，會發(fā)現(xiàn)這些點(diǎn)的集合會形成連續(xù)性的曲面，這種曲面生成方法便稱為ISO等值曲面，而設(shè)定的常數(shù)就是ISO值。

這種利用三維磁場進(jìn)行ISO等值曲面生成的找形模式鮮明體現(xiàn)了涌現(xiàn)原理的隨機(jī)性、非線性、跳突性等特征，運(yùn)算中任何一個(gè)磁力點(diǎn)的位置或電荷數(shù)值發(fā)生變化都會改變整個(gè)磁場的狀態(tài)，ISO等值曲面也會整體隨之發(fā)生變化，因此雖然基于涌現(xiàn)原理可以巧妙地實(shí)現(xiàn)千變?nèi)f化的復(fù)雜形態(tài)，但同時(shí)設(shè)計(jì)師很難預(yù)先判斷過程中某個(gè)參數(shù)變化會帶來的具體變化結(jié)果，因此需要在不斷測試參數(shù)的過程中摸索規(guī)律并微調(diào)數(shù)據(jù)，使造型逐漸逼近預(yù)期范圍。

基于磁場算法與ISO等值曲面算法提供了一種復(fù)雜形式生成策略，但其結(jié)果是一種單層網(wǎng)格曲面，如果要將其物質(zhì)化，需進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為有厚度可加工的三維實(shí)體。針對這個(gè)問題有多種解決方法，一是直接對網(wǎng)格曲面偏移施加厚度，這種方式簡單直接但是會讓形態(tài)呆板無趣，并且直接偏移無法保證形態(tài)還在原先空間范圍內(nèi)，不利于現(xiàn)實(shí)制造。另一種方式是將生成的ISO等值曲面作為切面將空間劃分為兩組體塊，即場域中數(shù)值大于ISO值的點(diǎn)集組成的三維造型與小于ISO值的點(diǎn)集組成的三維造型，求出同一磁場生成的一組正負(fù)形，這種方式不足之處在于造型過于敦實(shí)缺乏靈動感，并且造型中很容易出現(xiàn)懸浮形態(tài)。基于形式、結(jié)構(gòu)及加工等多方面因素考慮，作品中采用了第三種實(shí)體化方法：設(shè)定一個(gè)厚度參數(shù)值，通過對每個(gè)磁力點(diǎn)電荷絕對值加上厚度參數(shù)值和減去厚度參數(shù)值來建立兩個(gè)存在差值的相似磁場，用同一個(gè)ISO值對兩個(gè)磁場進(jìn)行計(jì)算，加上厚度參數(shù)值的磁場生成的曲面會整體被正電荷磁力點(diǎn)向外排斥以及被負(fù)電荷吸引，反之則整體會被負(fù)電荷磁力點(diǎn)排斥被正電荷磁力點(diǎn)吸引，這樣可以得到兩組完全不相交的ISO等值曲面作為實(shí)體形態(tài)正反兩面。

另一個(gè)困難的問題是如何確定兩組ISO曲面之間的銜接面，也就是現(xiàn)實(shí)中材料塊保留的外表面，由于兩個(gè)ISO曲面之間不是簡單的放樣關(guān)系，且ISO曲面輪廓線都是細(xì)小線段，所以無法用放樣處理，較好的解決方案是用兩個(gè)曲面的輪廓對體塊進(jìn)行裁剪分割，但是分割同樣面臨問題就是如何對分割后的面進(jìn)行保留和剔除的篩選，計(jì)算機(jī)并不能識別哪些塊面是需要保留的銜接面。針對這個(gè)問題，案例中利用了ISO曲面的底層邏輯進(jìn)行計(jì)算，在每個(gè)塊面中設(shè)定一個(gè)隨機(jī)點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)點(diǎn)再加上厚度參數(shù)值的磁場及減去厚度參數(shù)值的磁場這兩個(gè)磁場中的數(shù)值，如果其再加上厚度參數(shù)值的磁場中的數(shù)值小于ISO值并且在減去厚度參數(shù)值的磁場中的數(shù)值大于ISO值，就可以認(rèn)定這個(gè)點(diǎn)位置在兩個(gè)ISO曲面之間，進(jìn)而得出該點(diǎn)所在塊面是位于兩個(gè)ISO曲面之間，反之則剔除，這些銜接面與兩組ISO曲面整合最終構(gòu)成了實(shí)體形態(tài)（圖1）。

圖1 生形圖解（筆者自繪）

四、機(jī)械臂數(shù)字制造

由于參數(shù)化設(shè)計(jì)具有復(fù)雜性以及非標(biāo)準(zhǔn)化特點(diǎn)，需要計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)、材料、制造工藝之間的高度契合來實(shí)現(xiàn)。數(shù)字制造工藝的發(fā)展為參數(shù)化設(shè)計(jì)形態(tài)所呈現(xiàn)的復(fù)雜性提供了現(xiàn)實(shí)可能性，材料以及數(shù)字制造工藝的選擇是本案例中至關(guān)重要的因素。案例中所生成的多維復(fù)雜形態(tài)對加工工藝有著極高要求，即使是3D打印這種以解決復(fù)雜形態(tài)問題見長的數(shù)字制造技術(shù)也存在打印角度限制或成本高昂等諸多問題。另一種思路是雕刻銑削等減材制造技術(shù)，具有代表性的傳統(tǒng)減材制造工藝是五軸雕刻，該工藝雖然可以多角度雕刻但是同樣存在加工角度的局限性。面對這種情況機(jī)械臂展現(xiàn)出了其巨大優(yōu)勢，機(jī)械臂可以沿曲面五軸加工，且相對于五軸雕刻具有更自由靈活的加工角度，如機(jī)械臂可以從材料下方往上加工，這是一般的五軸雕刻機(jī)無法達(dá)到的，相比而言機(jī)械臂在操作過程中有比較多的可實(shí)現(xiàn)性。可見機(jī)械臂銑削的多維加工特性使其成了該作品加工工藝的最佳選擇。

考慮到加工所需臂展、功率及荷載，機(jī)械臂選用KUKA中的kr60-3型號，刀具選用了長度200毫米、16毫米直徑銑削刀具。材料選取了密度為25K（3.1kg/m3）EPS高密度泡沫塊，由于銑削刀具的長度有限以及機(jī)械臂各個(gè)角度姿態(tài)所能達(dá)到的最大銑削深度不同，加工前對方案模型進(jìn)行了拆分，每塊體塊被拆分為三個(gè)部分銑削加工，每三個(gè)一組拼合為完整形體，這樣可以大幅降低銑削所需深度，避免銑削刀頭在某些角度觸及不到目標(biāo)區(qū)域或碰撞材料的情況。

如果以光滑表面作為銑削目標(biāo)，銑削無法一次性完成，需要由粗雕到細(xì)雕進(jìn)行數(shù)次銑削才能達(dá)到細(xì)膩光滑的曲面效果，方案中并沒有追求完全的光滑表面，而是保留了銑削不同階段的肌理效果，一部分單體保留了粗雕粗獷鮮明的雕刻紋理，另一部分呈現(xiàn)的是細(xì)膩靈動的細(xì)雕肌理，還有一部分是完成全部加工的光滑曲面，這樣既展示了機(jī)械臂銑削在不同階段的美學(xué)特征，也讓作品給人一種帶有過程的歷時(shí)感（圖2）。

圖2 作品拍攝（筆者拍攝）

五、結(jié)語

從設(shè)計(jì)發(fā)展歷程上看，雖然數(shù)字設(shè)計(jì)發(fā)展快于數(shù)字制造技術(shù)，很多數(shù)字設(shè)計(jì)方法還停留在虛擬設(shè)計(jì)階段，但是整體上兩者在同步推進(jìn)并逐漸減小差距，不斷趨近于平衡?；谟楷F(xiàn)原理的形式生成方法為參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了復(fù)雜形態(tài)的找形思路，打通了自然界生形法則與數(shù)字算法之間的關(guān)聯(lián)。而機(jī)械臂數(shù)字制造工藝在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用為涌現(xiàn)原理所衍生的復(fù)雜形式結(jié)果提供了具體的物質(zhì)化方法，一定程度上填補(bǔ)了數(shù)字設(shè)計(jì)與數(shù)字制造之間的鴻溝。