物聯(lián)時代陶瓷包裝容器的智能設計與“智”造

張玉山 文衛(wèi)民

(1. 中南林業(yè)科技大學中國文化創(chuàng)意研究中心，湖南 長沙 410004；2. 長沙理工大學設計藝術學院，湖南 長沙 410114)

20世紀90年代，由華盛頓西雅圖發(fā)現研究院(The Discovery Institute)支持的智能設計運動(IDM)提出了一個類似于自然系統(tǒng)和人類工件的理論[1-2]——智能設計，現指應用現代信息技術，采用計算機模擬人類智能，能夠更廣泛有效地承擔復雜的設計任務。智能設計的特點是：以設計方法學為指導；以人工智能技術為手段；以CAD技術為計算和圖形處理工具；面向集成智能化；具有強大的人機交互功能。

陶瓷包裝容器是以黏土作為基本材料，通過形態(tài)塑造高溫燒制成型的內包裝產品，根據產品功能用途決定不同的表現形式；陶瓷包裝容器往往不是簡單的形體表達，與創(chuàng)作者的精神表達密不可分[3]。日用生活陶瓷的設計不僅僅是“美化生活”，而是真正考慮人的生活所需和生活品質的提升，是一種“創(chuàng)作生活”的方式[4]。智能設計與陶瓷包裝容器設計不可避免地交集在一起，相互促進，智能設計使陶瓷包裝容器設計更為高效和便捷，并產生全新的設計；而陶瓷包裝容器設計則為智能設計提供新的應用研究課題。

1 陶瓷包裝容器造型的智能設計

1.1 人工智能成為產品設計師

當代智能技術正在將產品設計師自動化。谷歌公司通過與德國時尚平臺Zalando合作，進行繆斯項目計劃，試驗測試了用戶驅動的人工智能時尚設計，該項目致力于研究顏色、紋理、風格偏好和其他“美學參數”，使用一種算法來創(chuàng)建基于用戶興趣的設計，并與網絡識別的風格偏好保持一致。目前用戶創(chuàng)建的許多設計雖無法識別和接受潦草的書寫和涂鴉，但人工智能已經在幫助品牌制造企業(yè)更快速地創(chuàng)建和迭代他們的設計。不久，陶瓷包裝容器領域必將仿效時尚界應用人工智能充當設計師。

1.2 人工智能數字建模與虛擬仿真

數字建模和虛擬仿真是數字設計制造的重要環(huán)節(jié)，包括產品的設計、開發(fā)、流程、工廠或供應鏈。在產品開發(fā)階段采用建模和仿真設計，以確保生產效率，同時降低打樣、測試和大生產的風險，數字建模工具也壓縮了產品上市時間，通過簡化設計和制造之間的切換來實現新產品上線。世界頂尖生活方式品牌美國Tommy Hilfiger集團最近與IBM和時裝技術學院合作，使用IBM人工智能工具來解密實時時尚行業(yè)趨勢，產品和跟蹤客戶情緒的圖像，在圖案、輪廓、顏色和樣式趨勢中匯聚主題，人工智能系統(tǒng)的數據被傳回給設計師，從而為下一次設計開發(fā)作出明智的設計決策[5]。

與此類似的技術和運營模式也在中國家居行業(yè)推行，客戶選擇陶瓷產品時，設計師和制造企業(yè)可以通過共享的智能平臺獲得很好的數據，并可以用它調整開發(fā)和拓展銷售。像“我家我設計軟件V7.0智能版”和酷家樂這樣的3D設計平臺也可以輕松地動態(tài)調整設計。家居平臺酷家樂推出的VR智能設計平臺(圖1)，獨創(chuàng)ExaCloud云技術渲染引擎，10 s生成效果圖，5 min生成設計方案[6]，可隨心改戶型、任意擺家具和陳設品。日產設計方案數萬套，每套均可快速生成720°全景圖，并可通過VR眼鏡加以呈現。

1.3 主要應用軟件和建模的主要流程

陶瓷產品的造型計算機輔助設計主要應用AutoCAD、3D MAX、犀牛(Rhino)、MAYA等軟件，圖2為3D建模的舍得酒酒瓶。

先將設計線描稿或矢量線條在AutoCAD或3DMAX中將陶瓷器皿的基本輪廓勾畫出來，導入3DMAX生成立體效果圖，然后進行編輯修改輪廓線，并可以對陶瓷器物施加貼圖材質編輯，渲染成最終的效果圖。數字化設計既可以圖形“速寫式”表現靈感，又能夠精細刻畫。當然，平面造型、立體渲染圖、燈光模擬設計等設計技術表達，是創(chuàng)意表現的技能和重要的設計環(huán)節(jié)，最后用PS等平面軟件進行構圖排版 (圖3)。

圖1 酷家樂人工智能虛擬仿真全屋定制系統(tǒng)運行圖Figure 1 Kujiale artificial intelligence virtual simulation of whole house customization system

圖2 3D建模的陶瓷酒瓶Figure 2 3D Modeling wine bottle

圖3 儒風宋韻——墨莊韻文化茶葉罐設計三維建模過程(張玉山)Figure 3 Confucianism Song Yun-Mo Zhuangyun culture tea pot design 3D modeling process by Zhang Yushan

2 陶瓷包裝容器裝飾智能設計

陶瓷包裝容器在制造過程中經常裝飾圖案，以突出其品質。智能設計模擬陶瓷圖案設計是傳承、理解和創(chuàng)造文化的一種新途徑。陶瓷包裝產品的外觀美除了造型，主要取決于其裝飾圖案，需要個性化、藝術化的設計創(chuàng)作，才足以吸引顧客購買，因此必須實現其外部美學表現的突破。

2.1 陶瓷圖案裝飾由傳統(tǒng)模式向專家系統(tǒng)的轉型

設計師利用計算機輔助圖案設計可以加快圖案的制作速度，如何利用人工智能快速、自動地產生新穎美觀的藝術圖案，是計算機輔助圖案設計的一個重要課題[7]。圖案裝飾計算機輔助設計的推廣，引起了裝飾設計的革命，它是設計觀念向多元化、靜與動交互式的藝術表現形式的巨大飛躍[8]。傳統(tǒng)圖案設計模式，設計師以基礎圖案素材，采用Photoshop、Adobe illustrator、Coredraw等平面軟件進行設計處理，傳統(tǒng)平面設計軟件雖然功能強大，但只是提供了設計和修改的工具，操作復雜，需要設計人員有深厚的美術基礎，而且創(chuàng)作的效率較低。而在陶瓷圖案裝飾設計中引入專家系統(tǒng)可以克服傳統(tǒng)圖案裝飾系統(tǒng)的缺陷[7]。專家系統(tǒng)的特點是：① 匯集多領域的知識、經驗系統(tǒng)；② 強大的協(xié)同與交互能力；③ 透明性的、無障礙推理和解釋；④ 及時的圖案裝飾知識獲取與更新。

2.2 陶瓷圖案知識的提取與表達

專家系統(tǒng)的開發(fā)過程中，知識獲取需要消耗較多的時間、人力、財力，是最困難的環(huán)節(jié)，也是專家系統(tǒng)乃至其它知識系統(tǒng)的一個“瓶頸”問題[9]。知識獲取就是把知識從知識源中抽取出來，并轉換為一特定的計算機表示[8]。知識主體(人類)必須通過不懈努力來提取和表達所需要的知識。

傳統(tǒng)圖案學理論從分型結構上把圖案作為“整型結構”，而現代圖形設計學，從宏觀的角度分析各種圖案裝飾模式，以類似解剖學方式分解(或分割)這些模式內的各種特征及其關系。分解法便于解模式結構和內在美，并能體會到任何局部變化都將影響

整體模式形態(tài)[10]。圖案裝飾專家系統(tǒng)引入了“案例”術語來代表多個模式所使用的共同模型[11]?！鞍咐逼浔举|表示模式的結構，而單元則是模型形態(tài)不可再分割的最小元素。一個模式分解后可以提取一個案例(或模型)和多個單元(或原語)，通過打散、分解，重組案例和單元，就會創(chuàng)建新的內容和新的形式[11]。

圖4給出了模式分解和演繹的說明。圖4(a)中的模式被分解；在圖4(b)中給出其抽象的事例結構；然后推斷出圖4(c) 中所示的新模式(圖案)。

圖4 圖案的打散分解與演繹Figure 4 Pattern Scatter decomposition and deduction

單元形可以通過平移、旋轉、縮放、扭曲、旋轉等各種操作，并結合重組以構成豐富的圖案。對于一個單元形而言，其連續(xù)轉化不是簡單的積累，而是相互依存的積累。單元形轉化的最優(yōu)化以確保模式獨特性與完美性。一個模式就是一個案例與多個單元格構成的圖案。智能設計將分別演示模式和單元形，然后通過結合兩者，來實現預期的模式知識表達。

2.3 陶瓷圖案裝飾推理算法與設計實現

推理機制是專家系統(tǒng)的核心，它決定求解過程知識的優(yōu)選與運用，推理方式決定了具體知識的運用。通常采用基本框架形式的推理機制，通過填槽和匹配都能引起推理。

圖案單元形數據庫的設計：根據常用圖案單元形的特點，圖案單元形可分為七類：植物單類型、動物單類型、風景類型、人物類型、幾何類型、骨格類型以及綜合類型[12-13]。各類型圖案單元形存儲在文件夾中并由其管理，圖案單元數據庫的各圖案類型以樹形結構歸類分布(圖5)。

圖5 推理引擎的推理流程圖[11]Figure 5 Reasoning flow of the inference engine

圖案設計的過程見圖6。由設計想法到設計草圖、設計提煉、設計定稿到最終圖案的過程，其中圖案案例與圖案單元穿插于此過程中。

2.4 智能防偽技術

不可否認，在利益驅動下，目前仍有不法商家使用假冒偽劣商品充斥市場，不僅危害了市場經濟秩序的正常運行，也危害了消費者健康甚至生命安全。傳統(tǒng)的技術手段很難實現有效監(jiān)控和杜絕造假，陶瓷包裝容器尤其在酒瓶行業(yè)最早引入智能防偽技術。

目前酒瓶行業(yè)防偽主要有兩種方法：非接觸式射頻(RFID)識別技術及近場通信(NFC)識別技術。采用UV噴墨印刷工藝在酒瓶瓶身或瓶蓋上印制RFID射頻識別技術二維碼防偽標簽，客戶即可掃出酒的商品信息，如西鳳酒鳳香經典500 mL裝10年45% vol白酒瓷瓶最早采用此技術；而五糧液紀念版陶瓷酒瓶上則運用NFC技術微信二維碼標簽，此種防偽標簽，還能擴展消費受眾，提升品牌并贏得市場。

最近幾年，一些IT企業(yè)開始在智能防偽中嘗試物聯(lián)網技術的應用，通過智能技術實現物物相連，防偽信息加密存儲在防偽媒介中，并鏈接商品數據庫遠程云計算平臺。

3 陶瓷包裝容器的“智”造

3.1 3D打印產品模型制作

“三維打印”技術成型快，生產方式靈活多變，適合個性化、小批量和豐富性定制生產，為日用陶瓷產品的個性化設計提供了技術手段[14]。3D打印需要三維軟件和模型文件，運用數字材料打印設備將可粘合粉末材料以分層打印的手段實現成三維型的技術。這項技術常被應用于模型制造及產品直接定制。包括先進陶瓷企業(yè)在內的很多工業(yè)生產中已經開發(fā)應用多種快速成型技術來制作模型。3D打印技術還結合使用CAD數控設備，這樣為設計人員和陶瓷企業(yè)提供了更快速、更經濟的產品模型制作方式。3D打印材料主要有ABS樹脂、PLA (聚乳酸) 和 PVA (聚乙烯醇) 3種樹脂，還有石膏、塑料、尼龍、金屬、楓木、陶瓷、水泥等，實現了傳統(tǒng)的手工藝與現代化技術的完美結合。

3.2 陶瓷3D打印

一些陶瓷企業(yè)使用聚合物樹脂制作模具，但石膏材質與低溫素燒陶瓷的感覺較為相似，比樹脂能更好地呈現陶瓷設計效果。英國皇家道爾頓公司則使用一種CAD控制的三軸研磨設備來切割半水石膏，先進的CAD制模不僅減少實物大模型轉換的時間，還能制出大量不同的、復雜的表面紋樣與肌理，大大優(yōu)于傳統(tǒng)成型手段。圖7為湖南某陶瓷企業(yè)采用3D打印模型制作的茶葉罐(張玉山設計)。

圖7 3D打印的墨莊韻文化茶葉罐模型(張玉山)Figure 7 Mozhuang Yun Zhuang 3D printed tea pot model(by Zhang Yushan)

個人電腦和一系列數字化進步之后，個人制造者的出現激發(fā)了創(chuàng)造自我個性產品想法的盛行。有一種新的設計——半工業(yè)手工藝品種，它反映了通過使用新的工具和實踐技能與商業(yè)結合來建立新知識系統(tǒng)。在設計和制造越來越數字化的時代，設計師的作用發(fā)生極大變化。由荷蘭克萊爾·沃妮爾和迪雷·弗布拉根在比利時成立的Unfold工作室，開發(fā)了一些創(chuàng)造性的項目，將前工業(yè)經濟的各個方面與高科技工業(yè)生產方法和數字通信網絡相結合，于2009年在美國阿爾弗雷德大學成功進行了陶瓷3D打印試驗[15](圖8)。由于玻璃和陶瓷的主要材質都是SiO2(二氧化硅)，屬于姊妹材料，玻璃的融程(熔點區(qū)間)在600～800 ℃，而陶瓷的燒結溫度在900～1 250 ℃，兩者已被設計師綜合應用，一般先燒制好陶瓷部分，再燒制玻璃部分。據此工藝特點，2014年Unfold工作室又成功在3D打印陶瓷上吹制玻璃，實現手工和數字技能的完美融合[15](圖9)。

3D打印機的高性能陶瓷包裝容器，增材制造業(yè)有可能改變未來產品的設計、銷售和消費方式，使多變、個性、小批次定制成為可能。

3.3 智能雕刻

機器人雕刻機系統(tǒng)又稱數控雕刻技術，融合了設計、編排、掃描、雕刻等，能快速、便捷地在多種材料上雕刻二維、二維半圖案及圓雕造型?？蛇\用多軸聯(lián)動臂軸、離線編程、軌跡插補等智能技術，同時兼具PCNC硬件結構和CAD/CAM軟件，能運用于產品雕刻、工藝品制作及模具雕刻。

圖8 3D打印陶瓷奶罐Figure 8 3D printing ceramic milk jar

圖9 在3D打印的陶瓷上吹制玻璃Figure 9 Blown glass on 3D printed ceramic

目前6軸機器人雕刻機已被廣泛應用，而最先進的7軸機器人雕刻機其操作的靈活性更大、旋轉角度更細、雕刻更精致。無論從頂部、側面加工、從下向上負仰角傾斜加工，都可以一次完成，加工效率、精度極高。最先進的7軸機器人雕刻機系統(tǒng)由電動主軸(機器人手臂)、SmartMill多軸自動編程軟件和RobCode機械手臂運行軟件組合集成，可實現復雜三維造型的自動化雕刻加工。以木材、復合木、樹脂、EPS泡沫、油泥、石膏及非金屬復合材料等為加工材質，可廣泛應用于模具、雕塑制作、工藝品制造、木雕等領域的加工、生產。陶瓷生產行業(yè)則可利用軸機器人雕刻進行產品模型和成品制作。目前，廣東潮州的陶瓷企業(yè)已經可以成熟地采用智能雕刻和激光雕刻技術在成瓷表面進行雕刻，甚至鏤空，可以設置任何雕刻二維紋樣和雕刻深度，完全顛覆了只能雕刻生坯的傳統(tǒng)工藝(圖10)。

圖10 智能雕刻機激光雕刻的陶瓷酒瓶Figure 10 Ceramic bottle for laser engraving of the intelligent engraving machine

4 物聯(lián)時代陶瓷包裝容器行業(yè)的發(fā)展趨勢

4.1 從勞動密集型向信息智能技術密集型轉變

過去陶瓷包裝容器主要由小型陶瓷廠和作坊生產，傳統(tǒng)的設計和制作基本上處于手工藝制作狀態(tài)，但最近5年稍有規(guī)模的企業(yè)都已采用智能化設計和物聯(lián)跟單，更不要說未來的智能時代了。數據作為一種資源的重要性不斷增長，制造業(yè)實現智能化，將產品制造的真實和虛擬世界匯聚在物聯(lián)網、服務和數據中。將機器、工件、運輸工具和貨物都配有嵌入式系統(tǒng)，即微型計算機、傳感器和執(zhí)行器，并相互連接。IT支持靈活、智能的陶瓷包裝容器開發(fā)與制造，使自己組織工廠的愿景成為現實，在整個價值創(chuàng)造鏈中重新設計未來的陶瓷包裝容器開發(fā)和生產。

4.2 靈活的可轉換智慧工廠盛行

未來20年，靈活的可轉換智慧工廠將十分盛行。設計師和陶瓷制造商將通過創(chuàng)建數字模型和可視化技術，將現實世界與數字世界連接起來，工作序列圖像實時傳輸到虛擬模型，并為智能生產控制提供支持。數據可以從任何地方通過平板電腦或智能手機等移動設備進行訪問，并以易于理解的形式進行可視化，實現人機相連。它有助于生產計劃人員優(yōu)化流程，并在需要進行緊急更改時作出現場決策，以便靈活地響應特定的客戶需求，或避免由于生產瓶頸造成的交貨延遲。未來，機器能夠與更高層次的IT系統(tǒng)以及工件和生產工人進行溝通，新的人機界面——智能設備更趨完備。

4.3 可持續(xù)設計制造的接受和支持增強

綠色環(huán)保計、可持續(xù)制造概念的出現或可持續(xù)發(fā)展在制造業(yè)中廣泛應用?？沙掷m(xù)設計(也稱為環(huán)境可持續(xù)設計、環(huán)境意識設計等)是設計實物、建造環(huán)境和遵循社會、經濟和生態(tài)可持續(xù)性原則的服務的哲學[16]。使用無污染、節(jié)約的材料、能源以及工藝來制造工業(yè)產品與能源，在經濟上對雇員、社區(qū)和消費者來說是安全可靠的?；谥悄芑目沙掷m(xù)設計制造解決方案將會更強化，以防止由于物質短缺可能導致的供應鏈中斷。

4.4 工業(yè)數據空間信息安全將更受保護

數字化也會帶來一定的風險，當所有這些組件彼此聯(lián)網時，公司或個人信息數據可能會被竊取，這樣需要開發(fā)一個國際開放且安全的數據空間——工業(yè)數據空間，以確保對自我信息的控制保護。物聯(lián)時代設想實現基于行業(yè)標準的集成安全技術的即插即用機制，只允許授權合作伙伴(組件、機器和IT系統(tǒng))鏈接到生產系統(tǒng)，并在必要時加密通信。

4.5 全球供應鏈結構調整和管理創(chuàng)新

未來陶瓷包裝容器制造的又一趨勢是全球供應鏈管理的復雜化。企業(yè)高管們愈來愈關注相關風險，預測結構響應的仿真模型，作為一種替代傳統(tǒng)的“大容量、低成本”生產方法外包生產，使用該模型，客戶可以使用清單一般規(guī)則指定他們想購買的產品。物流服務供應商將與采購員、服務集成商和顧客直接合作，以實現靈活性企業(yè)資源規(guī)劃的物流解決方案，創(chuàng)新的供應鏈管理可減少完成客戶訂單的時間，可能在一兩天內制造出通常需要一兩個月的產品。

4.6 將更加注重情感體驗與人生價值取向

人工智能虛擬仿真無論多真實，也會存在弊端，如雖然效果圖很絢麗，但一些尺度和功能與真實空間場景還是存在偏差。人工智能是人類智能的工具，它缺乏主動性亦即發(fā)起性能力[17]。馬斯洛提出了需要層次論，如藝術創(chuàng)作是藝術家長期人生閱歷和精神的凝練，交織于無數的意識和潛意識創(chuàng)造而來，人工智能永遠不可模仿。人類根本價值觀的精神創(chuàng)造和價值的評判都來源于先賢們深厚的人生經歷、領悟、洞察，這是人工智能永遠無法企及的[18]。

盡管人工智能和物聯(lián)網越來越發(fā)達和便捷，但人類不會成為人工智能的奴隸。與此同時，人們的自我情感和自我價值實現的需求會越來越高，未來的陶瓷包裝容器將凝結人們對文化性、人生價值、設計倫理和生活詩化意境的追求，將同步恢復手工的原生態(tài)體驗，及加強“非遺”文化記憶的“重現”。

5 結論

廣泛采用數字技術和人工智能，使得當代陶瓷產品設計、制造呈現系統(tǒng)化、集成化，與銷售聯(lián)系起來，構成一站式服務。如英國瓷都斯托克市，中國的潮州、景德鎮(zhèn)、淄博等陶瓷產區(qū)，能提供各種陶瓷產品從設計、制模、打樣、生產、包裝、物流運輸到宣傳，從裝飾到功能“一站式”的產品供應服務。智能設計引領陶著陶瓷產品的設計和制造，大大地提高了設計和生產的效率、質量以及管理的精準科學性，從而提高的企業(yè)的經濟效益。未來先進陶瓷制造業(yè)將日益自動化和全球化；設計、制造對數字建模與虛擬仿真將更加依賴，自適應傳感器網絡將促進全球物聯(lián)和企業(yè)科學分析和決策，使個性化或限量定制生產更靈活；節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)設計制造業(yè)將更受推崇。然而，智能設計無法取代人的情感體驗和價值取向，在反思中國設計各種問題的時候，人們最需用心的是價值的確立[19]。設計師在關注智能技術的同時，更應當從“情感關懷”的角度出發(fā)，設計出慰藉消費者心理的產品[20]。