自然作為技術(shù)范式
——以“濕敏褶皺”動力學(xué)鞋履為例

封 帥

（中央美術(shù)學(xué)院，北京 100102）

隨著數(shù)字化和機器人制造技術(shù)的快速發(fā)展，生產(chǎn)快速成型零件成為可能，新的知識體系正在迅速興起，并伴生出具有替代性的“生成”性設(shè)計方法，這種方法脫離了根植于自現(xiàn)代主義伊始的，由效率所驅(qū)動的形式、結(jié)構(gòu)與材料之間的制度化隔離，即表現(xiàn)形式脫離了承載其的物質(zhì)基礎(chǔ)，繼而于方法論上衍生出賦形、仿真與制造之間的不連續(xù)性[3]。與之相對的，這一以自然作為技術(shù)范式的“形態(tài)”生成方法，從材料構(gòu)成中展現(xiàn)出“形態(tài)”的復(fù)雜性，這就要求對形式、材料、結(jié)構(gòu)和環(huán)境的理解不再是彼此獨立的區(qū)塊，而是共同嵌入至一個具有連續(xù)性的整體。

1 自然作為技術(shù)范式-材料驅(qū)動的“無肌肉”動力學(xué)設(shè)計

以這種嶄新的技術(shù)范式觀看，材料不再作為形式的從屬，而是作為驅(qū)動力量打破舊有設(shè)計體系中關(guān)于形式的“困境”。這是從物質(zhì)自身的角度所講述的“形態(tài)”設(shè)計策略：首先，生物的復(fù)雜形式與系統(tǒng)來自演化的過程；其次，生命亦不停生長。生長是一個復(fù)雜的過程，在自然的材料系統(tǒng)中，與演化相適應(yīng)的工程設(shè)計發(fā)生在物種層面，響應(yīng)生物發(fā)育進程中的一系列與可用遺傳信息相互作用的負荷和環(huán)境壓力。演化的時間維度很長，但是更多的生物適應(yīng)現(xiàn)象所發(fā)生的時間維度要短得多，所涉及到的是個體而不是整個物種，因此更具觀測性。

這種可觀測到的生物適應(yīng)現(xiàn)象，便是由生物材料層級所驅(qū)動的生物動力學(xué)系統(tǒng)。自然界的一切物質(zhì)系統(tǒng)都涉及到動態(tài)（既有局部亦有全局的）。對于特定條件變化，材料內(nèi)部的緩慢動態(tài)會改變材料的纖維方向，通過幾何形變與材料層級結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生動力。這一“無肌肉”的生物動力學(xué)系統(tǒng)，僅僅憑借預(yù)張緊和變化的幾何結(jié)構(gòu)中的膨脹壓力變化系統(tǒng)，便可產(chǎn)生不同種類的動態(tài)。在這一過程之中，首先，材料和結(jié)構(gòu)之間的區(qū)分已經(jīng)幾無意義；其次，僅僅有很少的材料被調(diào)用到，幾乎所有的負載都由纖維復(fù)合材料承擔：“生物學(xué)中只有四種聚合物纖維即：植物纖維素、動物膠原蛋白、昆蟲和甲殼類動物的甲殼質(zhì)以及蜘蛛網(wǎng)中的絲質(zhì)。作為生物學(xué)的基本材料，它們的密度遠低于大多數(shù)工程材料，強度完全來源于其既有的特定的幾何排布組合方式－各向異性（heterogeneity）”[4]。

具備各向異性的纖維復(fù)合材料，同現(xiàn)有工業(yè)體系內(nèi)各向同性的常規(guī)剛性材料相比，因其剛度和強度能夠與載荷的方向和大小相匹配，所以得以于壓力下運動與生長。在生長過程中，有機體所承載的力會在需要的方向與區(qū)域上有選擇性地沉積新物質(zhì)。在骨頭中，材料從應(yīng)力不足的部位被移除，然后重新沉積在高應(yīng)力的部位；在樹木中，不斷積淀出的纖維取向和多孔結(jié)構(gòu)皆不同尋常的木質(zhì)，生產(chǎn)出連續(xù)不斷的年輪。這些都奠定了生物學(xué)中以大量載荷的纖維復(fù)合材料作為架構(gòu)模式的設(shè)計邏輯框架。

2 “濕敏褶皺”動力學(xué)鞋履設(shè)計

對于由材料驅(qū)動的“無肌肉”動力學(xué)的探究過程的興趣，促成了設(shè)計教學(xué)實踐中，“濕敏褶皺”動力學(xué)鞋履項目的成形。褶皺系統(tǒng)在人工材料和生物材料中都廣泛存在。在自然界中，人的手指皮膚，由表皮和真皮層組成，在長時間接觸水后出現(xiàn)褶皺，而皮膚干燥后恢復(fù)初始平坦表面；干燥的臉部皮膚由于脫水而失去彈性，產(chǎn)生細紋，補充水分有助于保持皮膚的彈性。

受到以皮膚為代表的“濕敏褶皺”動力學(xué)，即受外部刺激（濕度）而改變皮膚結(jié)構(gòu)與工程性能啟發(fā)，“濕敏褶皺”動力學(xué)鞋履這一設(shè)想得以于研究層面形成，作為一項致力于從復(fù)合纖維材料角度創(chuàng)造出隨濕度變化，而改變鞋履“褶皺”圖案作為響應(yīng)與適應(yīng)的創(chuàng)新設(shè)計，這一“無肌肉”的動態(tài)“濕敏褶皺”將以一種可逆的方式，來實現(xiàn)影響其摩擦力的褶皺“圖案”的動態(tài)循環(huán)：借由各向異性的纖維材料的可行性研究，“褶皺”的動態(tài)性、可逆性與穩(wěn)定性，將通過以濕度為代表的外部刺激循環(huán)轉(zhuǎn)化，進一步動態(tài)改變鞋履的結(jié)構(gòu)與性能，如圖1所示。

圖1 “濕敏褶皺”動力學(xué)鞋履設(shè)計

3 材料視野下的“形態(tài)”生成

以包括有限元分析在內(nèi)的不同的計算分析模式進行迭代完成的形式“生成”，可以在設(shè)計項目的個體“形態(tài)”、個體結(jié)構(gòu)動態(tài)的歷史演化及其與外力和能量的相互作用或交換（即“生態(tài)嵌入”）之間建立有效而可供反饋的聯(lián)系。這樣就可以將材料系統(tǒng)視為校準和平衡多個影響變量和不同設(shè)計標準之后的一個協(xié)同結(jié)果，“生態(tài)嵌入”也成為與材料的物質(zhì)干預(yù)高度相關(guān)的特定模式。水分常常被用作經(jīng)濟有效且簡便的刺激措施，來生產(chǎn)出具有動態(tài)性的纖維材料表面，在本案中，一套以各向異性的纖維復(fù)合材料構(gòu)成的人工“褶皺”系統(tǒng)得到提議：一系列對水分敏感的膜－襯底雙層器件，用雙層薄膜由聚乙烯醇的硬質(zhì)親水膜緊密粘合到聚二甲基硅氧烷的柔性疏水膜上，來模擬皮膚中角質(zhì)層的皺縮現(xiàn)象。當遇水時，聚乙烯醇的硬質(zhì)親水膜吸水發(fā)生水平皺縮力，同時聚二甲基硅氧烷的柔性疏水膜受親水膜的水平收縮力產(chǎn)生皺縮形變。

以生物動力學(xué)作為出發(fā)點的理論模型為動態(tài)材料系統(tǒng)與其適應(yīng)性過程提供了研究框架。如果從中提取原理應(yīng)用于設(shè)計與工程案例，則必須仔細考慮尺度與規(guī)模的效應(yīng)，當壓力系統(tǒng)不均勻承壓時，力也將隨之成指數(shù)級別地增加。在自然的褶皺系統(tǒng)中，角質(zhì)蛋白接觸水后吸收水分，使皮膚膨脹和產(chǎn)生了較大的表面積，迫使皮膚皺縮。構(gòu)成這一“形態(tài)”的幾何排布圖案可以進行縮放，再結(jié)合其結(jié)構(gòu)的可變剛性，共同創(chuàng)造了一種實現(xiàn)設(shè)計“形態(tài)”與材料系統(tǒng)相統(tǒng)一的先進方法。

4 PolyJet 聚合物噴射打印技術(shù)

在生物學(xué)中，物質(zhì)是昂貴的，而形式是自發(fā)的。“形式的生成是由最大的性能和最小的資源（各向異性的材料的區(qū)域化分布）所驅(qū)動的”，工程學(xué)中所做的卻是相反。今日的計算設(shè)計環(huán)境或可從根本上改變一切，所依仗的是同時兼顧復(fù)雜幾何形式與復(fù)合材料系統(tǒng)制造的增材制造科技。正是基于此，“濕敏褶皺”動力學(xué)鞋項目采用了PolyJet聚合物噴射打印技術(shù)對鞋履原型進行了一體成型的模擬。這種多層聚合物噴射技術(shù)可以將多層不同生物相容性材料合為一體，以達到多元有機的項目目標：設(shè)備預(yù)先設(shè)置有包括數(shù)字ABS、透明材料、高溫材料、類聚丙烯材料、類橡膠材料、生物相容性材料在內(nèi)的材料組合，使得原型在剛度、不透明度與顏色上得以無縫連續(xù)，并隨著幾何結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)而變化。見圖2、圖3。

圖2 聚合物噴射打印鞋履原型

圖3 聚合物噴射打印鞋履原型

5 結(jié)論

自然作為一種技術(shù)范式，其意義將遠不只是促進制造技術(shù)的進步，而材料視野下的“形態(tài)”生成，是否可以使其具有一種內(nèi)在的或“自然的”可持續(xù)性？我們可能與達西·湯普森（D’Arcy Thompson）在人工設(shè)計中贊譽為“自然”的過程更為相似嗎？如若使然，則新興的制造技術(shù)，基于復(fù)合材料的“形態(tài)”設(shè)計方法、計算策略、與誕生其間一體成型的鞋履原型，或可隨之被認為是產(chǎn)生這一“第二自然”可能性的內(nèi)在技術(shù)驅(qū)動力。