基于參數化造型的柔性材料形變設計研究

張帆　崔藝銘　朱澤一

摘要：為了適應日益豐富、復雜的人機交互形式，擴展產品造型的維度，文章利用柔性材料特性，研究了基于參數化造型的形變設計方法，并將該方法應用于智能交互產品，達到產品材料、形態、結構、交互方式的統一。文章首先利用柔性材料特性，分析了生成參數化造型的折疊結構;其次，探索了如何利用充氣技術來驅動折疊結構形變;最后，闡述了將柔性材料形變應用于產品設計的可能性。參數化形變的造型有利于提升產品加工效率并適應更多產品狀態，對造型的空間適立性、功能性、智能性、可持續性的建立起到積極作用。

關鍵詞：參數化?動態造型?形變?交互技術?折疊結構

中圖分類號：TU986

文獻標識碼：A

文章編號：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

產品造型即人工塑造產品的形態，是在考慮產品美學的基礎上，將設計概念通過幾何形態表達出來的過程。產品外觀設計可被歸納為布局設計、形狀設計和人機工學設計。根據前人研究，影響工業產品造型的因素包括產品功能、技術條件和造型藝術[1]。因此，對于工業產品來說，造型并不獨立存在于美學范疇，而是由形態、功能、技術等諸多要素構成的綜合概念。

近年來，人工智能、3D打印、增強現實等技術的發展和應用促使傳統靜態造型很難適應產品交互設計在互動性、變化性方面的需求。諸多學者及研究機構進行形變技術研究，如MIT Media lab的Neri Oxman教授將微生物用于3D打印材料，打印的可穿戴產品具有一定的生長特性，材質發生形狀及色彩變化[2];MIT Media lab的姚力寧等研究了納豆生物材質在濕度變化下的形變，設計了“會呼吸的運動衣”[3];CMU的學者王冠云研究了基于PLA材料受熱彎折原理的紙片形變，將其應用在裝置藝術、互動產品等領域[4]。以上研究全部為基于材料特性產生形變并驅動產品外觀改變，另外，也有學者張周捷研究基于機器學習方法的造型自動演化軟件，設計了

一款“計算機設計師”，讓計算機通過設定的程序、邏輯來造物，程序自身演化，無法預判最終形態，突破設計師的想象[5]。

除技術之外，產品自身形態是產生形變的另一必備要素，如柔性材質的折疊結構。現代參數化造型主要由單元形以及之間的組合關系構成，關鍵要素的縮放、變形及相互連接可以控制整體形態，獲得不同的外觀設計效果。[6]參數化造型的這種特征在柔性材料形變方面具備優勢。

因此，本文選取柔性材質產品形變作為切入點，將交互功能、形變技術與參數化造型三者整合在一起進行探討，共研究三方面問題：1.產品外形的動態可能性，包括產生形變的產品結構與動態效果;2.實現自動產生形變的技術原理，技術如何與形態相配合;3.不同形變樣式的應用場景。

一、工業產品的參數化造型研究

參數化設計定義為將設計的要素及環節參變量化，通過控制參變量生成造型。其本質在于數據，為設計元素賦予可量化的數據，根據數學邏輯調整數據并生成不可量化的豐富造型結果[7]。參數化設計過程的核心是建立參數化模型，包括單元構件的結構約束及尺寸約束，結構約束是指如平行、垂直、對稱的幾何關系;尺寸約束是指如距離、角度的尺寸標注。

參數化造型最早應用于建筑設計，近年來，更多學者進行產品領域的參數化設計探索及研究。例如，Zaha Hadid根據“游牧思想”設計的參數化形態代表作“流動家具”，體現出開放、自由、不受理性約束的設計理念;根據L-system設計的新加坡濱海花園“超級樹Supertree”，具有如植物“生長”的仿生造型，并且利用其結構特征，起到收集雨水、溫室通風的功能作用（如圖1）所示;“Nervous” 網站可調節參數定制的首飾造型則是典型運用維諾圖（Voronoi）模擬細胞結構的設計（如圖2）所示。

經過持續的設計沉淀和反思，參數化設計逐漸從潮流回歸為一種常用、必備的設計思維及手法，存在于設計的各個環節之中。由于參數化造型的內在邏輯性、可控制調節性、單元化等特性，文章基于參數化形態來研究柔性材料的動態化設計方法，即形變。可參考的具體參數化造型原理包括拓撲幾何學、分形學、微觀結構形態等（如表1）。

（一）拓撲幾何學

拓撲學（topology）是研究幾何圖形或空間在連續改變形狀后還能保持不變的性質的學科，其性質包括連通性與緊致性。依據拓撲學理論，設計師利用扭曲、折疊、褶皺、嵌入等變形技術設計出異性建筑外觀。拓撲學中的圖形關系可被視作參數化設計中的一種關系式，通過調節可變參數或關系式，獲得具有拓撲特征的造型。在此基礎上，學者們延伸出“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”強調連續變化、空間流動性、動態性和無中心性，使無論建筑還是產品的造型連續過渡，消除了內外的概念8。

（二）分形學

分形學是以不規則幾何形態為研究對象的幾何學，將幾何形狀分成若干的細小部分，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，適當縮放事物的幾何尺寸，整個結構并不發生改變。如自然界中云、閃電的形態等。參數化造型設計深受分形學影響，常用創建方法包括迭代、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計元素之間的關系，實現復雜形體。

（三）微觀結構形態

微觀結構形態是根據自然界微觀結構的豐富造型法則得到的幾何學算法，參數化關系式可根據這些算法來建立，例如，描述植物生長規律的L-system，模擬細胞組織結構的Voronoi圖，以及用細胞單元、演變規則等因素構成算法的細胞自動機。

二、折疊方法研究

折疊結構（Deployable Structures）由兩個以上具有相對運動的構件組成，采用能使兩構件產生一定相對運動的連接形式，使整體造型在空間產生伸縮和形變，因此構件不能獨立運動，同時也不能連成剛體[9]。折疊結構具有多樣性，是高度抽象化的結果，一般分為以點基準、線基準、和無確定基準折疊的三種類型。點基準即以點為中心的折疊結構，展開及收攏均在切線方向，如折扇開合，雨傘開合;線基準形為平行開合的形態，如燈籠、手風琴的褶皺;無確定基準一般為依靠材料結構特性的結構。折疊包括形態性（參數化形態）、結構性、功能性三方面特性：

形態性，在本文中指產品的參數化形態，線與線之間形成面，面與面連接形成體，點、線、面形成的新型體量關系就形成了折疊結構。這種簡單一致的重復，能構成秩序美。主要具備對稱、秩序、節奏、韻律、平衡等特征。就折疊結構的形式美學來說，符合均衡與對稱、比例與尺度、對比與特異等一系列美學基本原則[10]。

結構性，折疊結構包括一體連接和運動副連接。一體連接的折疊結構，材料本身是一體性的，設計者按照材料上的折疊線折疊，實現產品在空間中的縮放;另一種折疊結構是運動副連接，兩個構件直接接觸，同時能產生相對運動的活動連接，如形成回轉副的軸承結構，形成移動副的滑塊與滑槽結構。

功能性，除了收納節省空間、便攜，本文的視角在于折疊的運動功能，即動態性，折疊的動態功能與參數化形態以及結構緊密相關。結構是構成形態的重要因素，同時結構也驅動動態。

三、柔性材料的形變研究

（一）形變原理

文章中采用氣囊充放氣來驅動參數化造型的形變，分別為：（1）氣囊自身形變，在充放氣過程中產生造型，以柔性材質制作氣囊可直接應用于產品設計;（2）氣囊驅動形變，氣囊充放氣驅動折紙結構以扭轉、放射等形狀開合。根據氣囊自身形變的形式和折疊結構的組合，可產生更豐富的變化效果。

1.氣囊自身形變

文章根據氣囊加工性質，共研究了三類氣囊變化方式：單體式、連接式、組合式（如圖3）所示。（1）單體式是最基本的單元形態，為獨立充放氣的一個氣囊。在放氣狀態下，單體式氣囊可根據需要制成矩形、圓形等形狀。可依據程序控制單體形變的快慢程度以及變化幅度。（2）連接式為多個單體氣囊相連，中間有氣孔連同，根據形變需要控制壓痕，可產生單軸向起伏和多軸向起伏。（3）組合式為多個單體氣囊依據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

根據前文研究的折疊結構，參數化形態的形變主要分為一體式形變和運動副式形變：

本文首先研究了一體式形變結構，經過大量折疊實驗，根據開合的形態總結為平行開合、扇形開合、扭轉開合、放射開合等，用于表達參數化形態并產生形變（如表2）。

平行開合，以某一軸向平行抻拉;

扇形開合，以某一基準點為圓心，向切線方向開合;

扭轉開合，在折疊造型基礎上進行扭轉，使平面變為曲面;

放射開合，通常以某一基準點為圓心，呈放射狀、球狀展開。

其次，研究了運動副式伸縮形變結構，此結構將獨立的單元形態進行連接，并使單元形態之間產生相對運動。實驗結果表明，根據開合的形態總結為軸連接伸縮開合及滑槽連接伸縮開合（如表3）。運動副結構可使產品形態變化具備一定的伸縮性，而與一體式折疊結構的區別在于單元形間的相對獨立性。

3.參數化形態的變形

本文中，參數化形態的變形主要通過氣囊與折疊結構來實現，根據二者組合的形式，可歸納為“氣囊支撐”以及“折疊結構支撐”兩種。“氣囊支撐”的形式為氣囊在內、折疊的造型在外，氣囊驅動折疊造型起伏、伸展，（如圖4上）所示;“折疊結構支撐”為氣囊包裹折疊結構，充放氣時，氣囊形態隨著折疊結構的變化而改變（如圖4下）所示。

（二）驅動形變的技術

為產生更豐富的形變效果，文章采用Arduino電子模塊實現了多氣囊的控制，原理（如圖5）。整個電路包括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入工作狀態，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閉，使氣體通過。整套電路可任意控制氣囊的充放氣時長、每個單體氣囊充放氣的先后順序等。

（三）案例應用

根據形變方法，本文設計了部分應用方法，來證明參數化形變造型裝置的潛在用途，并選擇了有代表性的應用來說明不同形變方法適合的場景。具體應用的思路（如圖6）所示。

1.海洋生物—放射開合的仿生設計

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

2.昆蟲—伸縮開合的甲片

本案例為基于運動副伸縮開合的形變研究，通過片材之間的長螺釘連接形成一定的運動空間，實現甲片角度變化，模仿昆蟲鳴叫時的身體形態（如圖8）。

3.燈具—扇形開合設計

本案例用連接式氣囊配合扇形開合結構設計了一款可形變的燈罩，當用戶開啟燈具，伴隨著燈光變亮，燈罩從閉合狀態逐漸變飽滿。本研究探討了家居產品功能與形態在動態層面的一致性（如圖9）。

結論

文章研究重點在于突破傳統產品的靜態造型，通過電子模塊驅動柔性材質的折疊結構產生參數化動態效果，并將形變研究的成果用于智能交互產品，達到形態、功能、交互方式的統一。文章研究的形變強調了產品外觀動態性，補充了交互設計中聲音、圖文信息、光影等感官形式以外的觸覺感官，同時提升了產品在空間中的適應性;參數化的形態使產品造型模塊化、秩序化，提升制造效率。本文總結的形變原理及技術不但可用于工業產品，在機器人、智能可穿戴、裝置藝術等領域均有延展空間。m

基金項目：北京市創新團隊IDHT20180511項目：北京服裝學院高水平教師隊伍建設新進青年教師啟動計劃BIFTXJ201914項目。

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