蠟染工藝的現(xiàn)代創(chuàng)新研究

王 逸

武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程與設(shè)計學(xué)院

一、 引言

蠟染工藝是一種古老而獨特的染色技術(shù)。蠟染通過將蠟涂抹在織物上，用蠟部分阻止染料的滲透，從而形成圖案和色彩組合［1］。考古發(fā)現(xiàn)，我國傳統(tǒng)的蠟染技術(shù)可以追溯到漢朝時期（公元前206 年至公元220 年），人們利用蠟染加工絲織品，為衣物增添裝飾效果［2］。在我國，蠟染的傳統(tǒng)工藝流程為首先準(zhǔn)備特制的蠟燭或蠟塊，然后在布料上手工涂抹蠟狀圖案，接著進行染色，最后去除蠟，使布料上呈現(xiàn)出獨特的花紋和色彩［3］。隨著時間的推移，蠟染工藝逐漸發(fā)展并傳播到其他地區(qū)。

蠟染展現(xiàn)了人類的創(chuàng)造力和文化的多樣性［4］。其應(yīng)用主要包括服飾、紡織品和裝飾品，涉及現(xiàn)代藝術(shù)、時尚和設(shè)計領(lǐng)域等［5］。蠟染圖案和色彩的豐富性使得服飾和紡織品更加獨特［6］。蠟染紡織品可以為室內(nèi)環(huán)境增添藝術(shù)氛圍，使家居裝飾更加豐富多樣［7］。將蠟染技術(shù)應(yīng)用于繪畫、壁畫、雕塑和手工藝品等的創(chuàng)作中，其獨特效果和手工紋理的結(jié)合，賦予了藝術(shù)品獨特的質(zhì)感［8］。將蠟染技術(shù)與其他材料和技術(shù)相結(jié)合［9］，能創(chuàng)造出新穎的藝術(shù)品和工藝品等。蠟染工藝在文化遺產(chǎn)保護方面也具有重要意義，通過對傳統(tǒng)蠟染技術(shù)的研究和傳承，可以促進地域文化的多樣性發(fā)展［10］。

隨著時代的演變和計算機技術(shù)的發(fā)展，蠟染工藝不斷創(chuàng)新和變革，展現(xiàn)出新的藝術(shù)魅力和商業(yè)價值。1946 年誕生的ENIAC（電子數(shù)字積分計算機）被認(rèn)為是世界上第一臺通用電子計算機［11］，隨后電子計算機開始逐步應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域［12］。現(xiàn)有的蠟染工藝采用的熔蠟爐為直接使用加熱器對蠟染鍋進行加熱，溫度不能精確控制；使用完后，由于冷卻作用，大量殘留的蠟?zāi)淘阱亙?nèi)壁，對下次使用造成影響；傳統(tǒng)蠟染工藝采用的熔蠟爐功能單一，不能實現(xiàn)顯示、人機交互、溫度精確控制等。因此，很有必要設(shè)計一種智能的、溫度能精確控制的、交互方式多樣的、可去除殘余的蠟的用于蠟染工藝的熔蠟爐［13］。

二、蠟染工藝熔蠟爐的設(shè)計、使用方法及使用效果

（一）蠟染工藝熔蠟爐的設(shè)計

1. 主體設(shè)計

蠟染工藝的熔蠟爐包括爐體、插頭、電源線、電源電路、內(nèi)膽、密封塞、內(nèi)膽支架、內(nèi)膽除蠟蓋、金屬觸頭、電機開關(guān)、電機、連桿、支撐塊、刀片、環(huán)形加熱器、藍(lán)牙溫度傳感器、外部時鐘電路、控制芯片、語音識別模塊、紅外信號接收模塊、WiFi 模塊、顯示屏、開關(guān)、紅外遙控器、內(nèi)膽蓋、加熱控制模塊。

2. 組件設(shè)計

爐體為由聚丙烯原料或無規(guī)共聚聚丙烯材料制成的上不封口的圓柱形容器，其側(cè)壁及底部具有中空結(jié)構(gòu)。插頭由銅板狀突出的公接頭、阻燃外殼、內(nèi)部AC交流電源連接線組成。電源線為AC 交流電源線，由外護套、內(nèi)護套、銅材質(zhì)的金屬絲組成。電源電路用于產(chǎn)生熔蠟爐工作所需要的電源。內(nèi)膽由鋁材料制成，上部為圓筒狀，外側(cè)腰部具有環(huán)狀凹槽，下部為具有開口的漏斗狀，以便于殘余的蠟排出。密封塞用于加熱蠟塊時將其置于內(nèi)膽下部的開口處防止蠟液流出，清除殘余的蠟時將密封塞移開以便于殘余的蠟排出。內(nèi)膽支架為環(huán)狀，其與內(nèi)膽外側(cè)的環(huán)狀凹槽嵌合以支撐內(nèi)膽。內(nèi)膽除蠟蓋容納有金屬觸頭、電機開關(guān)、電機、連桿、支撐塊、刀片。當(dāng)內(nèi)膽除蠟蓋蓋上時，金屬觸頭連接到電源電路給電機提供電源。電機開關(guān)用于控制電機的啟停。電機連接連桿，連桿連接至支撐塊的中央，刀片為兩片，其對稱固定于支撐塊的兩邊且刀片為彎折狀，其刀鋒與內(nèi)膽的內(nèi)壁齊平。按下電機開關(guān)后，電機轉(zhuǎn)動帶動連桿、支撐塊轉(zhuǎn)動，刀片的刀鋒將殘余的蠟刮除。環(huán)形加熱器位于內(nèi)膽正下方。藍(lán)牙溫度傳感器為兩個，分別位于內(nèi)膽的兩側(cè)，其采用紐扣電池供電且由塑料外殼、藍(lán)牙模塊、溫度傳感器、背膠組成。外部時鐘電路位于爐體側(cè)壁的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)，其由一塊晶振和兩片起振電容組成。控制芯片位于爐體側(cè)壁的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)，其為單片機芯片。語音識別模塊位于爐體側(cè)壁的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)，其采用專用芯片且與電源電路連接，通過中斷的工作方式，完成初始化、寫入識別列表、語音識別、得到識別結(jié)果四個步驟。紅外信號接收模塊位于爐體側(cè)壁的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)，其與電源電路連接并用于接收紅外遙控器發(fā)送的控制信號。WiFi 模塊位于爐體側(cè)壁的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)，其與電源電路連接并通過爐體對應(yīng)位置的窗口露出天線，其用于將蠟染工藝熔蠟爐連接到網(wǎng)關(guān)，手機App 可通過網(wǎng)絡(luò)向蠟染工藝熔蠟爐發(fā)送控制指令。顯示屏位于爐體側(cè)壁的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)，其與電源電路連接并通過爐體對應(yīng)位置的窗口露出屏幕，用于顯示熔蠟爐加熱的設(shè)定溫度及兩個藍(lán)牙溫度傳感器測得的實時溫度的平均值。開關(guān)位于爐體側(cè)壁外，其用于控制電源電路的通斷以及熔蠟爐的工作或停止。紅外遙控器采用電池供電且用于向熔蠟爐的紅外信號接收模塊發(fā)送控制指令。內(nèi)膽蓋的剖面為T 字形，其上部的兩側(cè)伸出，用于將整個蓋體支撐于爐體上，當(dāng)內(nèi)膽除蠟蓋移走且內(nèi)膽蓋蓋上時，進行加熱，并可對蠟液進行保溫。加熱控制模塊位于爐體底部的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)且與電源電路連接，由過零雙向可控硅型光耦、電阻、二極管、三極管元件連接組成，加熱控制模塊通過接收控制芯片發(fā)送的PWM波形控制可控硅的開啟或截止，實現(xiàn)對環(huán)形加熱器的控制。

3.算法介紹

蟻群優(yōu)化算法是一種仿生智能算法，靈感源自螞蟻在尋找食物過程中的行為。蟻群優(yōu)化算法模擬了螞蟻的信息交流和合作行為，通過虛擬螞蟻的協(xié)作來解決復(fù)雜的優(yōu)化問題。該算法在組合優(yōu)化、路徑規(guī)劃、調(diào)度等問題上具有廣泛應(yīng)用。蟻群優(yōu)化算法的核心思想是通過螞蟻之間的正反饋和間接通信來搜索問題的最優(yōu)解。算法的執(zhí)行過程可以概括為以下幾個步驟。（1）初始化。設(shè)置螞蟻的數(shù)量、問題的目標(biāo)函數(shù)以及參數(shù)如信息素的初始值。（2）螞蟻的移動。每只螞蟻根據(jù)一定的策略在問題的解空間中進行移動。螞蟻在解空間中的移動是隨機的，但受到信息素濃度的影響。信息素可以看作是螞蟻在路徑上釋放的一種信息，它反映了路徑的好壞程度。螞蟻傾向于選擇信息素濃度高的路徑，但也存在一定的隨機性，以保證全局搜索的能力。（3）信息素更新。當(dāng)所有螞蟻完成移動后，根據(jù)問題的目標(biāo)函數(shù)值和螞蟻的路徑，更新路徑上的信息素濃度。通常會使用信息素?fù)]發(fā)和信息素釋放策略來控制信息素的更新過程。信息素的揮發(fā)可以模擬信息的消失和遺忘，而信息素的釋放則通過螞蟻的路徑質(zhì)量來調(diào)整信息素濃度。（4）重復(fù)迭代。重復(fù)執(zhí)行螞蟻的移動和信息素更新步驟，直到達(dá)到停止條件（如迭代次數(shù)或預(yù)設(shè)的解質(zhì)量）。

比例、積分和微分算法的設(shè)計如下：對水進行加熱的時候，我們設(shè)定溫度在100℃時就停止加熱，但水溫有時間滯后性，所以停止加熱后水溫不會停止在100℃，而是在100℃以上，然后降溫至100℃以下，這時系統(tǒng)檢測溫度低于100℃，又開始加熱。可以發(fā)現(xiàn)問題就是系統(tǒng)一直在100℃上下浮動，我們希望水溫保持在100℃，或者附近一個較小的范圍，所以用PID 控制。僅用P（比例）來解決問題時，設(shè)S 為溫度設(shè)定值，X 為溫度實際值，列出E=S-X，對E 進行判斷，若其與加熱器的功率成比例關(guān)系（P=Kp*E），比如水溫低時（E 較大）加熱器會使溫度迅速達(dá)到目標(biāo)值，溫度高時（E 較小），速度變緩，水溫在目標(biāo)值上下波動的幅度大大減小。但水溫具有時間滯后性，所以達(dá)到目標(biāo)溫度后溫度慢慢低于設(shè)定溫度，這時會以較小的功率加熱。另外E=0 時，比例無法起作用。對I（積分）來說，同樣E=S-X，每一段時間讀出E并求和得到M，若P=Ki*M，因為積分與時間有關(guān)，所以M 不能很快變?yōu)?，溫度會在設(shè)定溫度上保持一段時間，直到M 較小的時候，體現(xiàn)了積分控制不及時的問題，所以單獨使用I 控制雖然可以去掉穩(wěn)態(tài)誤差，但反應(yīng)不及時，要是PI 控制，就能解決不及時的問題，還能使反應(yīng)靈敏。對D（微分）來說，將某兩次連續(xù)的設(shè)定溫度值和實際溫度值的差值E 相減，D 表示偏差，同樣與加熱器功率相關(guān)（P=Kd*D），沒有達(dá)到設(shè)定溫度之前，我們算出D＜0，輸出功率減小，為了超前控制避免加熱過度，超過預(yù)設(shè)溫度，在超過溫度后，降溫的過程，D＞0，得到輸出功率增大，目的是超前控制避免散熱過度，低于預(yù)設(shè)溫度，微分控制消除不了穩(wěn)態(tài)誤差，特別是偏差恒定的時候，D 一直為0，微分控制就不起作用。在實際運算中，積分控制有明顯的延遲反應(yīng)，所以去掉，而在加熱到目標(biāo)溫度過程中比例控制P=Kp*E，E 減小，所以加熱器功率降低，微分控制P=Kd*D，D＜0，也使功率降低，所以同時控制時，功率減小的速度就比之前單獨控制要快，能達(dá)到迅速調(diào)節(jié)的目的。

（二） 蠟染工藝熔蠟爐的使用方法

首先，接通用于蠟染工藝的熔蠟爐的電源。然后，在爐體內(nèi)注入自來水，打開開關(guān)，將內(nèi)膽置于內(nèi)膽支架上，放入蠟體，蓋上內(nèi)膽蓋。接著，加熱至初始設(shè)定溫度50℃，用畫筆蘸取部分蠟液在織物上隨意繪畫，觀察蠟液在織物上的表現(xiàn)，如果蠟液在織物上流動速度過快，不能凝結(jié)成一定厚度，判斷為設(shè)定溫度過高，通過語音控制或紅外遙控器或手機App 的方式將信息反饋至控制芯片；如果蠟液在織物上流動緩慢，來不及滲透到織物反面就凝結(jié)，判斷為設(shè)定溫度過低，通過語音控制或紅外遙控器或手機App 的方式將信息反饋至控制芯片；如果蠟液在織物上流動適當(dāng)，滲透合適，則判斷為設(shè)定溫度合適。如此反復(fù)六次，控制芯片采用蟻群優(yōu)化算法確定設(shè)定溫度，明確設(shè)定溫度后，采用比例、積分和微分算法算出其實時溫度的偏差值，按照比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進行運算，運算結(jié)果用以控制輸出PWM 波形，提供給加熱控制模塊。最后，蠟染工藝完成后，完成收尾工序。

（三）蠟染工藝熔蠟爐的使用效果

通過注水、多次嘗試設(shè)定合適溫度，合適的蠟溫能夠使蠟液充分滲透到布料上，起到很好的防染效果。防染效果越好，用蠟封住的部分顏色越白。反之，溫度過低的蠟液，則無法起到防染作用。恒定的蠟液溫度能夠使作品白色部分的色度始終保持統(tǒng)一，作品效果得以保證。

三、結(jié)束語

筆者設(shè)計了一種水浴加熱的用于蠟染工藝的熔蠟爐對蠟塊進行加熱，爐體具有中空結(jié)構(gòu)，電源電路向多個模塊提供電能，內(nèi)膽采用高熱傳導(dǎo)系數(shù)的鋁材質(zhì)，設(shè)計了App、語音、紅外遙控三種用戶與設(shè)備的交互方式。通過初始階段用戶對已熔化的蠟液在織物上的表現(xiàn)判斷當(dāng)前設(shè)定溫度是否合理，通過蟻群優(yōu)化算法優(yōu)化了設(shè)定溫度，使其更加適應(yīng)當(dāng)前的蠟的成分、織物的材質(zhì)、畫筆的特點等創(chuàng)作環(huán)境。通過比例、積分和微分算法計算其實時溫度的偏差值，運算結(jié)果用以控制輸出PWM 波形，提供給加熱控制模塊實現(xiàn)溫度的精確控制。加熱控制模塊包括過零雙向可控硅型光耦、三極管、電阻及雙向二極管，三極管的基極經(jīng)電阻連接控制芯片引腳，發(fā)射極接地，集電極連接過零雙向可控硅型光耦的一個輸入端，過零雙向可控硅型光耦的另一個輸入端經(jīng)電阻接電源電路；過零雙向可控硅型光耦的一個輸出端經(jīng)電阻接電源線的火線，另一個輸出端接雙向二極管的一端，雙向二極管的兩端還分別連接電源線的火線和環(huán)形加熱器實現(xiàn)對加熱的控制。內(nèi)膽除蠟蓋通過金屬觸頭獲得電能，通過電機帶動刀片轉(zhuǎn)動可刮去殘余的蠟，解決了清除殘余的蠟的關(guān)鍵問題。在使用的過程中，通過先使用內(nèi)膽蓋加熱保溫，創(chuàng)作完成后使用內(nèi)膽除蠟蓋除去殘余的蠟，并在最后的步驟中采用在內(nèi)膽內(nèi)壁涂抹食用油的方式避免了下次使用時殘余的蠟大量凝固在內(nèi)膽內(nèi)壁的現(xiàn)象。