自然作为技术范式——以“湿敏褶皱”动力学鞋履为例

封 帅

（中央美术学院，北京 100102）

随着数字化和机器人制造技术的快速发展，生产快速成型零件成为可能，新的知识体系正在迅速兴起，并伴生出具有替代性的“生成”性设计方法，这种方法脱离了根植于自现代主义伊始的，由效率所驱动的形式、结构与材料之间的制度化隔离，即表现形式脱离了承载其的物质基础，继而于方法论上衍生出赋形、仿真与制造之间的不连续性[3]。与之相对的，这一以自然作为技术范式的“形态”生成方法，从材料构成中展现出“形态”的复杂性，这就要求对形式、材料、结构和环境的理解不再是彼此独立的区块，而是共同嵌入至一个具有连续性的整体。

1 自然作为技术范式-材料驱动的“无肌肉”动力学设计

以这种崭新的技术范式观看，材料不再作为形式的从属，而是作为驱动力量打破旧有设计体系中关于形式的“困境”。这是从物质自身的角度所讲述的“形态”设计策略：首先，生物的复杂形式与系统来自演化的过程；其次，生命亦不停生长。生长是一个复杂的过程，在自然的材料系统中，与演化相适应的工程设计发生在物种层面，响应生物发育进程中的一系列与可用遗传信息相互作用的负荷和环境压力。演化的时间维度很长，但是更多的生物适应现象所发生的时间维度要短得多，所涉及到的是个体而不是整个物种，因此更具观测性。

这种可观测到的生物适应现象，便是由生物材料层级所驱动的生物动力学系统。自然界的一切物质系统都涉及到动态（既有局部亦有全局的）。对于特定条件变化，材料内部的缓慢动态会改变材料的纤维方向，通过几何形变与材料层级结构而产生动力。这一“无肌肉”的生物动力学系统，仅仅凭借预张紧和变化的几何结构中的膨胀压力变化系统，便可产生不同种类的动态。在这一过程之中，首先，材料和结构之间的区分已经几无意义；其次，仅仅有很少的材料被调用到，几乎所有的负载都由纤维复合材料承担：“生物学中只有四种聚合物纤维即：植物纤维素、动物胶原蛋白、昆虫和甲壳类动物的甲壳质以及蜘蛛网中的丝质。作为生物学的基本材料，它们的密度远低于大多数工程材料，强度完全来源于其既有的特定的几何排布组合方式－各向异性（heterogeneity）”[4]。

具备各向异性的纤维复合材料，同现有工业体系内各向同性的常规刚性材料相比，因其刚度和强度能够与载荷的方向和大小相匹配，所以得以于压力下运动与生长。在生长过程中，有机体所承载的力会在需要的方向与区域上有选择性地沉积新物质。在骨头中，材料从应力不足的部位被移除，然后重新沉积在高应力的部位；在树木中，不断积淀出的纤维取向和多孔结构皆不同寻常的木质，生产出连续不断的年轮。这些都奠定了生物学中以大量载荷的纤维复合材料作为架构模式的设计逻辑框架。

2 “湿敏褶皱”动力学鞋履设计

对于由材料驱动的“无肌肉”动力学的探究过程的兴趣，促成了设计教学实践中，“湿敏褶皱”动力学鞋履项目的成形。褶皱系统在人工材料和生物材料中都广泛存在。在自然界中，人的手指皮肤，由表皮和真皮层组成，在长时间接触水后出现褶皱，而皮肤干燥后恢复初始平坦表面；干燥的脸部皮肤由于脱水而失去弹性，产生细纹，补充水分有助于保持皮肤的弹性。

受到以皮肤为代表的“湿敏褶皱”动力学，即受外部刺激（湿度）而改变皮肤结构与工程性能启发，“湿敏褶皱”动力学鞋履这一设想得以于研究层面形成，作为一项致力于从复合纤维材料角度创造出随湿度变化，而改变鞋履“褶皱”图案作为响应与适应的创新设计，这一“无肌肉”的动态“湿敏褶皱”将以一种可逆的方式，来实现影响其摩擦力的褶皱“图案”的动态循环：借由各向异性的纤维材料的可行性研究，“褶皱”的动态性、可逆性与稳定性，将通过以湿度为代表的外部刺激循环转化，进一步动态改变鞋履的结构与性能，如图1所示。

图1 “湿敏褶皱”动力学鞋履设计

3 材料视野下的“形态”生成

以包括有限元分析在内的不同的计算分析模式进行迭代完成的形式“生成”，可以在设计项目的个体“形态”、个体结构动态的历史演化及其与外力和能量的相互作用或交换（即“生态嵌入”）之间建立有效而可供反馈的联系。这样就可以将材料系统视为校准和平衡多个影响变量和不同设计标准之后的一个协同结果，“生态嵌入”也成为与材料的物质干预高度相关的特定模式。水分常常被用作经济有效且简便的刺激措施，来生产出具有动态性的纤维材料表面，在本案中，一套以各向异性的纤维复合材料构成的人工“褶皱”系统得到提议：一系列对水分敏感的膜－衬底双层器件，用双层薄膜由聚乙烯醇的硬质亲水膜紧密粘合到聚二甲基硅氧烷的柔性疏水膜上，来模拟皮肤中角质层的皱缩现象。当遇水时，聚乙烯醇的硬质亲水膜吸水发生水平皱缩力，同时聚二甲基硅氧烷的柔性疏水膜受亲水膜的水平收缩力产生皱缩形变。

以生物动力学作为出发点的理论模型为动态材料系统与其适应性过程提供了研究框架。如果从中提取原理应用于设计与工程案例，则必须仔细考虑尺度与规模的效应，当压力系统不均匀承压时，力也将随之成指数级别地增加。在自然的褶皱系统中，角质蛋白接触水后吸收水分，使皮肤膨胀和产生了较大的表面积，迫使皮肤皱缩。构成这一“形态”的几何排布图案可以进行缩放，再结合其结构的可变刚性，共同创造了一种实现设计“形态”与材料系统相统一的先进方法。

4 PolyJet 聚合物喷射打印技术

在生物学中，物质是昂贵的，而形式是自发的。“形式的生成是由最大的性能和最小的资源（各向异性的材料的区域化分布）所驱动的”，工程学中所做的却是相反。今日的计算设计环境或可从根本上改变一切，所依仗的是同时兼顾复杂几何形式与复合材料系统制造的增材制造科技。正是基于此，“湿敏褶皱”动力学鞋项目采用了PolyJet聚合物喷射打印技术对鞋履原型进行了一体成型的模拟。这种多层聚合物喷射技术可以将多层不同生物相容性材料合为一体，以达到多元有机的项目目标：设备预先设置有包括数字ABS、透明材料、高温材料、类聚丙烯材料、类橡胶材料、生物相容性材料在内的材料组合，使得原型在刚度、不透明度与颜色上得以无缝连续，并随着几何结构与化学性质而变化。见图2、图3。

图2 聚合物喷射打印鞋履原型

图3 聚合物喷射打印鞋履原型

5 结论

自然作为一种技术范式，其意义将远不只是促进制造技术的进步，而材料视野下的“形态”生成，是否可以使其具有一种内在的或“自然的”可持续性？我们可能与达西·汤普森（D’Arcy Thompson）在人工设计中赞誉为“自然”的过程更为相似吗？如若使然，则新兴的制造技术，基于复合材料的“形态”设计方法、计算策略、与诞生其间一体成型的鞋履原型，或可随之被认为是产生这一“第二自然”可能性的内在技术驱动力。