論4D打印技術助推文創產品記憶屬性設計開發

摘 要：隨著社會經濟與科技的發展，文化創意產業逐漸興起，融入時間維度的4D打印技術嶄露頭角。設計創新的新時代背景下，文創產品設計開發的發展、行業現狀及發展趨勢如何？最新打印技術的原理和發展、4D打印技術的應用該何去何從？本文從文創產品如何獲得新生、新技術對文創產品創新的影響、文創產品記憶屬性開發的意義等方面展開分析，提出將4D打印技術與文創產品設計相結合的思路，為文創產品設計指引新的道路。

關鍵詞：4D打印;文創產品;記憶屬性;設計開發

1 文創產品設計開發

近年來，人們的生活水平不斷提升，越來越追求生活品質，文化更加受到關注和重視，文化創意產品逐漸被公眾廣為知悉。文化創意產業是我國新興行業，縱然有幾千年的文化底蘊和廣闊的市場，大多數文創產品的創新之路依然曲折與艱辛。[1]文創產業是我國文化軟實力的重要標志，也是地域文化的象征，是社會文明程度和人類審美認知提升的產物。[2]首先，文創產品應體現其文化價值，傳達地域文化、民族文化、歷史文化等的精神，對文化的深度挖掘與整合應該是其設計開發的起點和動力;其次，產品必須擁有基本的功能性和美觀性，才能吸引消費者的注意力，文創產品的功能設計、造型設計、色彩設計和工藝設計都應符合大眾的審美觀念;最后，文創產品要實現經濟價值，應結合新時代的特征，通過多種渠道加以開發，增強“互聯網+”的意識，使文創產業實現可持續發展。

故宮博物院依托自身文化底蘊設計了一系列文創產品，許多都是成功的案例。例如，由洛可可設計公司設計的“故宮平安貓”形象（如圖1所示）、以藏品《千里江山圖》為依托設計的水晶鎮尺（如圖2所示）、以藏品介紹為主題的《故宮日歷》（如圖3所示）、以后宮服飾為外觀、從紅色國寶器物提色的故宮口紅（如圖4所示）等。最近火爆的故宮口紅的設計中已經結合了新的3D分層打印技術，新興技術在文創產品設計中的作用日益呈現。

文創產品作為文化傳承的一種載體，踐行讓文物“活起來[3]、動起來”的使命，將文化與大眾生活真正銜接起來。新時代下，經濟高速發展，國家開始重視文化軟實力建設。如何通過文創產品的設計開發與實現，更好地完成提升文化價值、促進文化傳播的任務，是文創行業文創產品設計工作者們應該重視和研究的問題。運用新的技術是豐富文創產品、促進文化傳承的必要手段。

2 4D打印技術的發展

2.1 從3D到4D

3D打印，又稱增材制造，出現于20世紀80年代，基于離散、堆積原理和計算機控制技術實現多種方法和多種材料的形體塑造。在3D打印技術的影響下，產品的生產方式、美學屬性、造型與結構都發生了深刻的變革。3D打印技術使產品在設計范疇、設計觀念、設計核心問題等方面突破了傳統的認知藩籬。[4]4D在3D空間三維立體的基礎上增加了時間維度，即隨時間變化而改變的時間性。隨著Einstein提出的“四維時空觀”不斷被實驗證實，三維空間和一維時間的時空連續區概念越來越清晰，在智能可編程材料技術、多學科性能與功能綜合的多相材料打印技術等的發展背景下，4D打印技術也初露頭角。從3D打印掀起私人訂制、實現創意獨特化的熱潮，[5]到4D打印進入人們的視野，影響了產品的設計與發展。

在3D打印方興未艾之際，4D打印已悄然進入人們的視野。4D打印是在3D打印的基礎上增加了第四個維度——時間，通過軟件設定模型和時間，使產品在相應的時間或隨著環境的變化而自動變形成相應的形狀。[6]2013年2月，在美國舉行的技術、娛樂、設計（TED）大會上，麻省理工學院的研究人員Skylar Tabbis將一根含有吸水性智能材料的復合材料管放入水中，這根管子自動扭曲變形成“MIT”字樣的形狀，這是4D打印技術的首次公開亮相。隨著4D打印技術的不斷發展成熟，應在各個領域結合該技術開發新的創意，促進各領域向前發展。

2.2 4D打印的應用發展

4D打印在記憶材料的基礎上，通過設計師和編程人員對產品的深入設計，可以使產品做到特定條件下的預期變化。因此，4D打印下的產品創意更豐富，種類更多樣，性能更多變。運用4D打印的隨時間改變而變形的物體將改變產品的屬性和工藝，開創產品的全新形式，可以想象，如果產品能根據環境變化重新配置，或者在出現故障或受損后自行修復，科幻電影《變形金剛》中的情景將成為現實。2017年2月，麻省理工學院的一個科學家團隊借助3D打印技術，在打印之后對原有物體進行轉化，生成了一種強度比鋼高10倍而密度只有鋼的1/20的新型輕質材料，使4D打印成為打印歷史上的又一個里程碑。[6]

國內4D打印技術研究起步較早的單位有清華大學、西安交通大學、華南理工大學、上海交通大學等高校。鑒于4D打印的特點，其應用領域必將日益廣闊。西安交通大學的盧秉恒院士課題組，制造了金屬復合材料（IPMC）智能結構，通過對加載電壓的控制實現了結構對時間變形，填補了只能制備片狀IPMC的空白，并將其應用于微創手術器械的多自由度操作臂研制。2018年，第四軍醫大學唐都醫院通過與西安交通大學在4D打印技術上的合作，成功完成了一例4D打印氣管外支架手術，宣告4D打印進軍醫療界。同年，中國香港城市大學的呂堅教授研究組采用復合彈性體陶瓷材料，實現了陶瓷折紙結構的打印和陶瓷4D打印，通過一種自動拉伸裝置，使3D打印的基底拉伸產生預應力，再利用預應力的釋放，使主體結構產生變形。

首都經濟貿易大學的李巖博士在《4D打印：夢想照進現實》一文中設想了4D打印在軍事領域、公共領域和醫療領域的應用。中國地質大學的信辰星等論述了4D打印在可穿戴首飾服飾領域的運用，提到了波士頓珠寶工作室制造的4D打印首飾和服飾，如裙子、領帶、項鏈（如圖5所示）、耳環和手鏈等。[7]而從4D打印技術的現狀來看，其在航空航天、生物醫療、汽車工程、柔性機器人等領域均具有廣泛的應用前景，如“翼展自適應機翼”“可變形衛星天線”“高生物相容性的醫療支架”“骨損傷自適應支架”“可變形記憶合金輪胎”“智能材料汽車外形”“柔性醫療機器人”“柔性仿生機器人”等。[8]

4D打印技術的研究成為熱點，未來對智能構件建模、智能材料等的研究是重點問題，以具體應用需求為目標導向的研究思路將推動4D打印技術的快速發展。

3 4D技術下文創產品的市場前景

3.1 4D技術下文創產品設計行業的新生

習近平總書記曾說“不忘歷史才能開辟未來，善于繼承才能善于創新”，強調“中華優秀傳統文化是中華民族的‘根和‘魂”。在文化傳承、讓文物“活起來”等的引領和驅動下，文創產品的設計越來越受到重視。對于文創產品設計師而言，如何在開發文創產品物質功能的同時更好地傳承文化、講述歷史，是一個值得思考的問題。

普通產品不僅具有物質價值，還有精神價值，不僅要滿足功能需求，還要注重用戶體驗。相比之下，文創產品更加側重于精神價值（文化價值），功能往往是次要的。如果使文創產品蘊含歷史文化，也就為產品注入了活的靈魂，會使消費者獲得一種全新的體驗;如果使設計的產品能傳達歷史文化，體現一種象征，講述生動的故事，會使人獲得精神上的滿足。靜態的設計圍繞素材展開思考，提煉適合設計目的的設計元素，通過產品的造型形態向使用者傳遞思想。動態的設計則更像是在講故事，能讓使用者參與和互動，隨著時間和環境的變化呈現不同的形態，通過連續的形態變化，故事性地講述產品要傳達的信息，給人以驚喜。4D技術的發展有助于動態設計的發展，其與文創產品設計的結合將推動文創產品設計行業的新生。

在4D技術的應用下，文創產品設計行業將從傳統設計逐漸走向成熟，解決傳統制造中的一些技術難題，釋放設計師的藝術設計思維，走向高端復雜工藝設計，增添文創產品的創意性和智能性，形成創意設計、技術與服務綜合的全新文創產品設計行業，給傳統的文創行業帶來顛覆性的影響，提供全新的發展機遇。

3.2 文創產品記憶屬性開發的價值和意義

文物的核心價值是其具有的歷史文化價值，這個價值集中體現在文物能夠見證歷史、以史鑒今、啟迪后人。[9]文物具有歷史、藝術、科學三大價值，在關注科學價值和藝術價值的前提下，應更好地挖掘文物的歷史文化價值。隨著VR和AR技術的應用，通過虛實結合、實時交互、三維沉浸式體驗等形式，使文物的歷史文化價值得到了一定程度的展示，拉近了人們與文物的距離。文創產品也是文物傳播歷史文化的載體之一。傳統文創產品多為旅游商品的形式，隨著文創產品行業的發展，其產品形式也逐漸多樣化，如故宮口紅等生活日用品。如何使文創產品更好地融入我們的日常生活、以更自然持續的方式與我們互動、傳達歷史文化與精神、更好地記錄文物的發展歷史，是值得我們深思和開發的。

現代的生活用品，通過歷史追溯賦予產品生命，可以起到記錄歷史、展示歷史、傳播歷史的作用。利用4D打印技術的時間維度，開發具有記憶屬性、擁有生命的文創日用產品，是我們應該思考和發展的方向。擁有記憶屬性的文創產品在歷史文化的傳承中能夠發揮更大的作用，產品本身隨著時間的變形過程就是講述歷史的過程，有助于大眾更多地了解歷史、學習歷史文化。除通過提取文化元素進行造型設計而得的靜態敘事文創產品，借助4D打印技術的文創產品，其設計方向和角度更加開闊，可以通過動態敘事的形式優化使用者的精神體驗。

部分文化屬性本身就難以通過靜態的產品做到完整的傳達，需要通過動態產品來展現。結合4D打印技術的產品本身就是動態的，產品的記憶（下轉第頁）（上接第頁）屬性可以展示歷史的演變，可以進行古今的對比。文創產品擁有了記憶，就仿佛為歷史文化插上了翅膀。博物館不是天天去，但結合日用品的文創設計可以天天見。擁有記憶的文創產品便擁有了生命，可以科幻式地與使用者產生交流互動。在文創產品的使用中，人與產品經?；?、彼此了解，加深了文化認識。因此，文創產品記憶屬性的開發具有極高的文化傳承價值和重要的創新發展意義，4D打印將是文創產品記憶屬性開發的助推器。

3.3 4D文創產品的市場及影響

在萬眾創新、日新月異的今天，創意成了消費者追逐的潮流，結合新技術的創新文創產品設計更能抓住新時代消費者的心，隨時間變形的創新體驗也使產品更具吸引力，更有消費市場。4D打印的文創產品除其本身的產品功能外，由于其具有的記憶屬性，又使其增加了一項輔助學習歷史文化知識的功能，因此，在4D文創產品設計開發中，可以考慮面向中小學生的產品設計開發。中小學生市場本身就是巨大的，由此可見，4D打印新技術文創產品的市場將是廣闊的。

4D打印的另一個顯著優勢便是對傳統工業的影響。4D使設計師的藝術設計思維更加發散，產生更有創意性的文創產品，使產品更具吸引力，促進市場銷售;對于影響產品搶占市場先機的生產周期問題，4D打印使設計者、生產者融為一體，實現了“見設計即見產品”，相較傳統“設計—試制—調整—量產”的生產流程簡化了很多，縮短了生產時間;生產成本方面，4D打印技術和材料的成本更高，但會大大減少生產人工成本，產品的創意價值也更高;高要求和特殊屬性的4D打印納米材料在循環性、利用性和環保性方面，較傳統工業材料都有所增強，更有助于保護環境。

隨著4D技術的不斷發展和進步，其應用領域不斷擴大，文創產品中引進4D技術將不再遙遠，4D文創也將推動文創產品市場跨越式發展。

4 結語

本文在前人相關研究的基礎上，分析了文創產品設計行業的現狀及發展趨勢，介紹了4D打印技術的發展及應用，通過跨學科的研究，創造性地提出將4D打印技術與文創產品設計相結合的思路，從設計行業、產品屬性和市場影響等方面論述了這一研究思路的意義和價值，為文創產品設計指出新的道路，但所提思路還不夠具體和完善，有待進一步的深入研究。在新技術不斷發展的時代，跨學科的新技術研究和產品設計，有望成為一個新的研究領域。

參考文獻：

[1] 葛佳琪，于煒，王婷.故宮文創產品設計解析及借鑒意義研究[J].設計，2018（05）.

[2] 王鑫.文創產品設計探索與產品開發[J].大眾文藝，2018（12）.

[3] 李夢柳.讓文物“活起來”——淺談新時期博物館文物宣傳策略[J].文物鑒定與鑒賞，2018（06）.

[4] 何志明. 3D打印技術對產品的影響[J].包裝工程，2018（5）：188-193.

[5] 昌進，李心.創意產品的4D打印[J].包裝世界，2018（03）：18-20.

[6] 魏星.四維打印[J].中國科技術語，2017（03）.

[7] 信辰星，趙彤，穆宏赫，等. 4D打印在可穿戴首飾服飾領域的運用[J].寶石和寶石學雜志，2018（05）.

[8] 宋波，卓林蓉，溫銀堂，等. 4D打印技術的現狀與未來[J].電加工與模具，2018（06）.

[9] 馬浩嘉.淺析新時代文物的歷史文化價值及其傳播創新[J].科技風，2019（01）.

作者簡介：閆勝昝（1978—），女，河北石家莊人，博士，南京工程學院副教授，主要研究方向：工業設計，產品結構設計，材料與工藝。