個人制造模式下的產品原型設計方法

李盈 楊洪君

摘要：構建個人制造模式下的產品原型設計方法。基于個人制造模式的發展過程及現狀，分析了個人制造模式的開放式、參與式設計特性以及個人制造模式下產品原型的數字化、智能化特征。提出并歸納了產品原型設計方法及其3個設計階段，分析了產品原型設計流程與方法。個人制造模式下的產品原型設計方法構建，為積極創新群體提供了一種新的設計創新范式，對推動個人制造的創新發展具有實踐指導意義。

關鍵詞：個人制造 產品原型 設計方法 共享創新 創新范式

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2023）16-0080-04

Abstract：Build a product prototype method under personal fabrication mode. Based on the development process and current situation of personal fabrication mode，this paper analyzes the open and participatory design characteristics of personal fabrication mode and the digital and intelligent characteristics of product prototype under personal fabrication mode.The product prototype design method and its three design stages are proposed and summarized，and the product prototype design process and method are analyzed.The construction of product prototype design method under personal fabrication mode provides a new design innovation paradigm for active innovation groups，and has practical guiding significance for promoting the innovative development of personal fabrication.

Keywords：Personal fabrication Product prototype Design method Shared innovation Innovation paradigm

引言

小型數字制造工具正以驚人的速度出現在世界各地的創客空間、學校、博物館中[1]。任何人都可以輕松地設計任何東西，生成新的物理形態和形狀[2]。數字化設計和制造的民主化[3]催生了個人制造（Personal Fabrication）模式，它不僅極大地擴展了個人的創造能力，也為個人提供了一種將設計想法轉化為有形形式的機會。互聯網技術的普遍應用，使個人越來越容易獲得設計工具，利用數字制造技術快速生成產品原型。產品原型作為設計創新的重要手段，逐漸呈現出數字化、智能化特征。本文將闡述在個人制造模式下構建產品原型的設計方法，為積極創新的個人或大眾提供一種新的設計創新范式。

一、個人制造模式

新技術劇烈變換帶來了工業社會向后工業社會的轉變，設計已經從以產品和生產為中心轉向以人為中心[4]。經過一個世紀的大規模生產和消費，越來越多的個人可以獲得先進的技術、工具和知識，為藝術、設計或商業目的制造產品。生活和工作在社會中的消費者、用戶成了設計創新的主體。他們使用計算機處理數據的同時，也加工有形的物質[5]。

（一）個人制造模式的發展背景

美國麻省理工學院（MIT）Gershenfeld教授是“個人制造”的先驅者，2005年他提出了從“個人電腦到個人制造”的概念，并闡明個人制造不僅創造三維結構，還整合了邏輯、傳感、驅動和顯示構成一個完整功能系統[6]。同時，Gershenfeld教授創建了Fab Lab微觀裝配實驗室（Fabulous Laboratory），與不同國家和地區的Fab實驗室共享知識和設計想法。他將“個人”定義為積極創新的實踐者。個人可以通過Fab Lab所提供的材料、電子工具、開放源代碼軟件等，與其他人或組織合作，或者獨立完成產品原型的設計和制造。設計成果將以技術文檔的形式被記錄下來，以便于他人參考。

計算與網絡的廣泛運用，使個人制造不再局限在Fab Lab實體空間，而是結合云制造平臺構建更大的設計制造空間。空間里聚集了大量具有創造力的消費或制造群體[7]，為產品原型的設計和制造提供先進的信息資源。該空間不但允許個人在家里設計物品，而且個人可以采用分布式制造快速、精準地實現設計想法，創造出具有一定功能的產品原型。

（二）個人制造模式的設計特性

1.開放式

個人制造是一種開放的并積極引入他人想法的設計模式，也被視為共同設計或開放式創新。設計過程允許任何人（新手或專業人士）參與協作開發[8]，并在線共享和修改設計信息。

在個人制造過程中，個人所使用的開放源代碼軟件、開源硬件和網絡化制造服務等都屬于數字技術開源社區。它們允許被任何人使用，并且將信息和知識，如編譯代碼、CAD數據、印制電路板（PCB）設計文件等，開放共享給社區內的所有人。開放源代碼軟件以開源編程語言為基礎，聯合開源社區群體，公開交流設計作品來實現源代碼的共享與迭代。依據開源許可協議，軟硬件信息可供他人下載、制作、復制和修改。個人在完成設計的同時，也將設計信息共享至開源社區平臺供其他人使用。以Processing、Fritzing、Blender 3D平臺為例，其中的用戶均受益于軟件的開源通道和快速響應的設計過程。開源硬件根植于龐大的、互聯的、分散的網絡系統中。個人可以根據設計需求，組建工具集合，自定義擴展功能。最具代表性的開源硬件平臺有Arduino、Raspberry Pi、BASIC Stamp等。以3D打印技術、激光切割、電子電路為代表的網絡化制造服務，分布式蔓延在社會組織的各個角落，它們以分布式協作的方式為所有人提供數字化制造服務。開放的個人制造模式整合了專業的技術、制造知識并轉移給了個人，為個人提供了獲得設計信息和工具的渠道[9]，激勵著個人制造向開放式創新不斷演進。

2.參與式

個人制造區別于封閉式的大規模生產或定制，其重視在設計過程中納入潛在用戶，讓用戶全程參與設計。針對設計人員對設計對象參與程度的不同，van Oorschot等[10]人展開了探討。他們認為，一方面，設計人員參與過程、方法和工具的設計后，進一步幫助改進設計；另一方面，設計人員也直接參與到了產品、服務和系統的設計之中。

個人制造模式是一種由個人設計擴大到群體分布式設計的過程，強調所有的利益相關者（設計師、用戶、制造者以及其他參與者）直接參與設計的全過程。在設計想法初期，用戶直接參與設計的前期探索，與設計師共同提供創意和想法。到設計原型階段，個人聯合利益相關者，對設計概念做出反饋和評價，補充設計空缺，完善設計成果。在個人制造模式中，個人既是用戶，又是設計師，還可能是制造者。多重身份的相互交融正反映出了參與式設計的特點。

二、個人制造模式下產品原型的特征

原型被定義為“交互系統的部分或全部的具體表示”或“有形的人工制品，而不是需要解釋的抽象描述”[11]，原型的設計過程也存在不同的類型[12]。在個人制造模式下，原型的設計和制造依托于數字化設計工具和云制造平臺，使其也具備了獨有的特征。

（一）數字化

“個人制造”可以更準確地稱為“個人原型設計”[13]，是以數據驅動的設計制造模式，生成的產品原型是數字化的，而非物理的。個人采用計算機輔助設計和計算機輔助制造（CAD/CAM）工具，快速創建原型的三維物理形態。專業用戶可以利用數字制造工具創建自定義對象；非專業用戶也可以直接選用數據庫中的模型，調整模型參數，改變模型的顏色和形態。個人可以整合全球性開源社區的軟硬件資源，構建原型的電子電路模塊以及其他擴展功能。開源軟件是一種可編程且模塊化程度較高的數字化設計工具，它們隱藏了數據的底層邏輯，強化了可視化效果。通過對數字化原型的測評和修改，用戶可以不斷提高對設計概念的滿意程度[14]。對個人而言，數字化原型加快了設計開發速度，降低了設計研發成本。

（二）智能化

在個人制造過程中，通過數字制造技術、開源軟硬件平臺，用戶已經可以生成一個完整的智能產品原型，完成了從創建實體原型到搭建功能模塊，最終形成產品原型智能交互特征的全過程。智能產品原型能夠讓設計師、用戶以及利益相關者直觀地對原型開展設計評估，用戶信息輸入和原型系統輸出緊密耦合，不存在明顯滯后。

智能產品原型是快速表達設計想法，描繪產品未來使用情景的重要方式。通過與原型的情景互動，個人進一步測試原型的交互行為、智能功能、結構形態和材料性能等，為改進和優化設計方案提供參考信息。

三、產品原型設計方法

制造和設計之間存在著固有的聯系，通常依賴于技能、知識和工具，并共同努力實現結果[15]。個人制造模式下的產品原型設計是設計驅動的、以個人為主導的，很大程度上受到設計思維方式的影響。

（一）產品原型設計框架

設計框架被歸納為3個階段，分別是需求階段、設計階段和應用階段。需求階段關注的是個人對客觀事物的認知需求、情感需求和精神需求，與個人的真實需求掛鉤。個人既是問題的提出者，又是問題的解決者，擁有用戶、設計師、制造者等多重身份。設計階段著重構建設計解決方案、技術環境以及制作手段。個人通過信息收集和分析，在明確設計需求后，重組設計工具和材料，聯合其他利益相關者共同開發產品原型。應用階段主要承載著產品原型的信息交流與共享，以擴充開源社區/平臺的共享資源。在原型制作后期，個人將創建的新工具、程序代碼以及軟硬件設備等信息共享至開源社區中，以供其他人參考或使用。如圖1所示，設計過程始終以個人為主體，要求個人全程參與，最大程度地實現設計想法。同時，設計過程允許不同專業背景的個人或提供制造服務的企業協同參與設計，共同評測產品原型。

（二）產品原型設計流程

1.問題界定：潛在的產品原型通常在設計初期就已經出現了，而個人對設計問題的界定難以明確，設計想法逐漸由解決問題轉向為探索問題的可能性。盡管設計問題的邊界越來越模糊，解決問題的方式越來越多樣，個人的創造能力卻在不斷提升。如圖2所示，在個人不同的需求生命周期中，潛在的產品原型涵蓋了物質需求、感官需求和精神需求3個維度。當個人需求被不斷地提取分析，潛在的產品原型也逐漸顯現出來。個人通過反復定義設計問題，進一步評估潛在產品原型的設計價值。

2.目標分類：目標分類的目的是在原型設計初期針對已知的用戶信息，提出設計解決方案。它將設計問題、解決方案和制造手段三者貫通，為原型設計匹配相應的工具、技術、材料。在個人制造中，開源技術、設計材料是設計工具與材料的基石，直接關乎產品原型的表現形式。圖3描繪了目標分類的基本框架，框架內容與設計解決方案共同進化。用戶信息是個人需求的反饋，包含了產品形態感知、用戶感官體驗以及用戶與產品之間的交互方式。開源技術為原型制作提供技術支持。開源技術支持原型功能性重組，以提高產品原型的制作效率，快速實現產品原型與用戶之間的交互行為。設計材料則幫助用戶選擇合適的、性能優良的、加工性能較好的材料進行設計和制作。目標分類幫助個人、用戶和設計師在進入制作周期之前，明確原型的制作方法和手段。

3.原型制作與迭代：產品原型主要由可發光發聲的實體以及可發出信號的控制器兩部分組成。實體部分在制作過程中使用了3D打印、激光切割技術以及金屬加工技術等分布式制造服務。結合Oloid三維曲面原理，控制器被制作成適合抓握的實體形狀，如圖9所示。個人可以根據不同的使用場景，調整光影的折射角度，使光影投射到空間環境中，將光影和空間聯系起來，營造沉浸式交互體驗氛圍，如圖10所示。個人通過物理制造空間和虛擬共享平臺，實現原型快速成型。在制作過程中，個人能夠實時獲得原型制作的具體數據和信息，為個人提供了及時發現問題和解決問題的渠道。分布式協同制作模式顯著降低了個人生產制造門檻，減少了產品原型在制作過程中的時間成本與材料成本，也豐富了個人的設計和制造經驗。

（三）應用階段——開放共享

應用階段主要任務是產品原型的信息共享。個人建立光影互動產品的核心功能包，其中包含圖形代碼、程序代碼、電路設計、功能元件手冊、三維數字模型等信息。核心功能包以技術文檔的方式保存下來，上傳至開源共享社區平臺，與其他人分享，獲取他人的評價和建議。個人將設計信息、功能信息、交互信息、技術信息共享至社區平臺，與他人交流互動。這個過程不但豐富了個人的設計想法和制造經驗，而且推動了個人制造模式下開源創新生態的良性循環發展。

結論

個人制造模式下的產品原型設計方法是以個人為主體的設計創新方法。個人通過搭建“設計-技術-制造”空間，以與他人協作共享的方式，解決各種復雜的設計問題。隨著移動互聯網、數字化制造技術、云計算平臺的快速發展，個人的創新能力在大幅度提高，個人的創造需求顯得尤為突出。基于個人制造模式的發展過程及現狀，本文研究了個人制造模式下的產品原型設計方法，分析了個人制造模式的開放式、參與式設計特性以及個人制造模式下產品原型的數字化、智能化特征，提出并歸納了產品原型設計方法及其3個設計階段。光影互動產品原型設計的應用，驗證了此設計方法具有可行性和有效性。該方法為個人提供了便捷的設計制造途徑，縮短了個人與數字化設計、數字化制造的距離，為用戶、設計師、技術愛好者等搭建了暢通的交流渠道，也為更廣泛的積極創新群體提供了一種新的設計創新范式。

基金項目：

1. 北京市教委科技面上項目（項目編號：KM202110012001）；

2. 北京服裝學院分類發展定額新進教師項目（項目編號：NHFZ20220041）。

參考文獻

[1]Moyer I. Personal fabrication：from automated machines to augmented tools[J]. XRDS：Crossroads，The ACM Magazine for Students，2016，22（3）：28-31

[2]Michahelles F，Mayer S. Personal Fabrication：Patrick Baudisch and Stefanie Mueller Talk About Physical Natives[J]. IEEE Pervasive Computing，2021，20（1）：28-34.

[3]Moyer I. Personal fabrication：from automated machines to augmented tools[J]. XRDS：Crossroads，The ACM Magazine for Students，2016，22（3）：28-31

[4]（美）克勞斯·克里彭多夫.胡飛.高飛.黃小南譯.設計--語意學轉向[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2017：11-12.

[5]P. Baudisch and M. Stefanie，"Personal Fabrication"，Found. Trends Human–Comput. Interact.，vol. 10，no. 3–4，pp. 165-293，2017.

[6]Neil Gershenfeld，FAB：The Coming Revolution on Your Desktop--From Personal Computers to Personal Fabrication[M]. New York：Basic Books，2005，4.

[7]Campbell A D. Lay designers：Grassroots innovation for appropriate change[J]. Design Issues，2017，33（1）：30-47.

[8][9]Tooze J，Baurley S，Phillips R，et al. Open design：contributions，solutions，processes and projects[J]. The Design Journal，2014，17（4）：538-559.

[10]van Oorschot R，Snelders D，Kleinsmann M，et al. Participation in design research[J]. Design Studies，2022，78：101073.

[11]Human computer interaction handbook：Fundamentals，evolving technologies，and emerging applications[M]. CRC press，2012.

[12]Jensen L S，？zkil A G，Mortensen N H. Prototypes in engineering design：Definitions and strategies[C]//Ds 84：proceedings of the design 2016 14th international design conference. 2016：821-830.

[13]Michahelles F，Mayer S. Personal Fabrication：Patrick Baudisch and Stefanie Mueller Talk About Physical Natives[J]. IEEE Pervasive Computing，2021，20（1）：28-34.

[14]Arastehfar S，Liu Y，Lu W F. A framework for concept validation in product design using digital prototyping[J]. Journal of Industrial and Production Engineering，2014，31（5）：286-302.

[15]Phillips R，Baurley S，Silve S. Citizen science and open design：Workshop findings[J]. Design Issues，2014，30（4）：52-66.

[16]郭劍，劉斯旸.遼寧工業遺產原型與模擬法下文創產品生成方法研究[J].設計，2023，36（13）：48-51.

[17]趙夢潔，馬松影*，李鍇. 傳統農具的當代再造模式探索——以石磨為例[J].設計，2022，35（23）：11-13.