4D打印技术下生物节律原理在生成设计中的应用

潘雨沛 顾峰豪

关键词：生成设计 生物节律 4D打印 人机协同 工业设计

引言

随着数字化技术的飞速发展，计算机算力呈几何级数的上升，使得计算机可以在短时间内尝试大量的设计方案，由此诞生了生成设计这一计算机辅助设计的方法。而生成设计没有严格的风格限制具有很强的包容性，这使得生成设计方法也具有多种可能性。得益于4D打印技术的发展，使得生物节律原理可以运用到生成设计中来，这种新的生成设计方法所产出的产品像有机物一样可以随自然环境的变化而改变自身形态，充满了“生命力”。可为用户带来有温度的情感体验，也更能满足用变化中的需求。

一、生成设计的产生与发展

生成设计是来源于建筑设计领域的一种科学的設计方法，在20世纪80年代由米兰理工大学的斯蒂诺·索杜教授提出。是一种在艺术与科学之间开辟出的全新的设计方法。这种全新的设计方法是通过计算机算法或者机器来完成设计的，设计师并不直接进行精确的设计活动，而是划定设计范围，如产品中所包含的形态元素、产品的大致体积、大致结构等。通过计算机的强大算力在限定条件内“头脑风暴”式的生成出大量的设计方案。最后计算机自行在这些方案中选出最优方案[1]。所以生成设计这一方式有着较大的自主性、随机性以及间接性。

从生成设计的诞生直到现在，索杜教授都没有对其做出一个明确的设计学理论的定义，他本人也一直反对为其下定义。他希望生成设计变成一种没有严格风格限制的产出方式，而不是某种具体的设计方法。这样可以大大拓展生成设计的包容性，使其拥有无限的可能性，使这一新型领域充满了活力。

生成设计在进入21世纪后被逐渐运用到商业设计领域中，在这二十年的实践中，生成设计在艺术与科技之间开拓出了一个色彩斑斓的创作空间。大量研究音乐、建筑、工业设计的学者、设计师甚至工程师在这一领域创造了大量的作品和产品。生成设计最大的意义就是引发了对计算机算力与人脑的创造力如何协同合作这一问题的思考，为设计领域带来一了全新的设计范式。在这新的范式下设计师变成了算法和规则的制定者，设计师只给出大概的灵感源空间，计算设备通过数据计算快速的生成出大量不同的设计方案。最后基于用户的需求与限定从中筛选出符合条件的设计方案。随着生成设计项目经验的积累，设计师所制定的目标与规则将会提炼得更准确，与计算机的配合也会更加高效快捷。这一新的设计理念将大大激发设计行业的方法创新[2]。

由于索杜教授在生成设计发展初期就没有对其风格与方法进行限制，这使得对生成设计的实现方法的研究可以有着非常多不同的方向，这是生成设计拥有无限可能性的原因，也是本研究把生物节律原理运用到生成设计中来的基础。

二、生物节律原理与影响机制

工业文明要求人类在生产与生活中对时间进行相对精准的把握，所以时钟这一高度人工化的机械被制造出来用以精准计算时间。而制造出时钟的人本身也被看不见的时钟控制着，这就是“生物节律原理”。不只是人类，整个生物界都受到昼夜交替影响，所以这一原理又被称为“昼夜节律原理”。正是由于从分子机制的角度解释了生物节律的工作原理，迈克尔·杨、迈克尔·罗斯巴希以及杰弗理·霍尔在2017年被授予了诺贝尔生理学或医学奖。

获得诺奖的三位教授以前人对果蝇的大量实验研究为基础，最终从模式生物中分离出了一种属于蛋白质的基因。正是这种基因控制了日常生物的昼夜节律。这种蛋白质在夜晚时就积聚在细胞中，到了白天就会降解掉。这样便随着昼夜变化无形的在细胞内形成了一种循环往复的变化机制，就像一种能自的我维持的发条一样[3]。这就是生物钟在人类以及其他生物的细胞中的工作原理。

由于生物节律的存在，大多数生物体都能预期到环境中的昼夜变化并适应。19世纪的时候法国科学家德·迈兰就研究了含羞草的昼夜变化情况。发现它们的叶子在白天和晚上呈现不同的形态，在白天的时候叶子展开并向着太阳开放着，而到了晚上叶子就会闭合在一起，如图1所示。

根据昼夜节律的生物学机制分析，光是影响昼夜节律的一个重要因素。除了光线，温度也可以影响到昼夜节律。在德·迈兰的含羞草实验中，哪怕含羞草被完全放置在漆黑的环境中，它依旧能遵循昼夜节律，让自己在白天与夜间呈现出不同的形态，此时的昼夜节律显然不是由光线驱动的，而是由温度驱动的。伊桑·布尔，刘承熙与约瑟夫·高桥经过多年的研究也证明了环境温度的循环变化也是生物体水平上所有昼夜节律系统的普遍诱因。对温度的不同敏感性同样能驱动昼夜节律[4]。温度的差异与变化可以作为全身细胞自主振荡器所需要的信号与线索。这样就可以理解盲人看不到光却依旧受到昼夜节律的影响了。

无论是光线还是温度，亦或是其他什么原因都属于能推动昼夜节律的生物机制，深入研究下去还可能存在着多种可能性，甚至可能找出人类进化的一些遗传学证据，不过这些是生物学的研究范畴了，本文就不再深入展开了。本文的研究核心是设计学领域，如何把生物节律原理运用到生成设计中，将会产生一种全新的设计方法，生产出的产品将会拥有无限的可能性。

三、生物节律原理在生成设计中的应用方法

（一）技术基础

生物节律原理是来自生物学的理论，生成设计是来自设计领域的设计方法。想要把这二者结合起来，就需要一座能连接双方的桥梁，而4D打印技术正是这样一座桥梁。得益于4D打印技术的出现，使得生物节律原理可以顺利地应用在生成设计当中。

4D这个D是dimensions的首字母缩写，也就是维度的意思。2D只有长和宽，代表着平面。在此基础上增加了一个高度，就变成了3D也就是立体的形态了，而4D就是在3D上增加上了时间维度[5]。而4D打印其实在3D打印技术问世后就开始被设计师关注，设计师对4D打印技术进行了大量的描述与理论建构，并开始进行实践探索。

4D打印的造型机制和3D打印差别不大，本质上都属于增材制造方法。它们关键区别是所用材料的区别。3D打印一般使用光敏树脂，有很好的造型能力，而4D打印需要一种完成打印后还能自己改变形状的新材料。所以在众多工程师的技术攻关下选择了可记忆高分子材料作为打印材料。一些研究人员尝试使用慢回弹聚氨酯材料作为材料进行4D打印。

回弹聚氨酯材料就是我们俗称的记忆海绵，受外力挤压而变形后，不会马上复原，而是缓慢地恢复形状，这就是最早期的4D打印技术。这一打印方法从某种程度上说实现了可自己改变形状这一预期，但是这种效果其实是非可控，且不可持续的，达不到设计师对4D打印效果的期待。

2013年麻省理工学院的斯凯拉·蒂比茨（Tibbits）带领其团队在材料学与计算机的跨领域研究中取得了突破性的进展，并在当年的美国TED大会上向世界展示了可用于4D打印的新型材料——结构化异质晶格[6]。这种晶格的特点是可随光线、温度和湿度等条件的变化而改变自己的形态。下图所示就是晶格在光线强弱变化时形态随之变化的视频截图，如图2。

使用結构化异质晶格作为打印材料输出的成品同样也可以受到环境的刺激而改变形态。从这方面说4D打印技术本来就和生物节律原理有很强的关联性，都是由微小组织的变化带动整体的变化，而且其变化机制都受自然条件影响。因此4D打印可以很容易地创建出具有很强扩展性且受自然环境影响的产品。

Tibbits在打印材料上的突破使得4D打印真正可以运用到设计中来了。在成型方面4D打印和3D打印是完全一样的，都是通过逐层堆积的方法，一层一层地把立体的复杂构建给“打印”出来[7]。与3D打印不同的是4D打印使用的是新型的智能材料，突破了3D打印的静态局限性，可以根据预先设定的程序使产品在接受到特定刺激的时候发生弯曲、收缩，甚至还可以模拟人体组织的愈合与再生过程。这样就满足了动态结构的需求。自此为止4D打印技术真正为产品增加了“时间”这一维度，可以非常方便地建构出各种变化的动态结构。硕打印出的产品随着时间的推移，形态可以不断发生改变。

（二）应用步骤

得益于4D打印技术的成熟，生物节律原理得以能运用到生成设计当中。当一个设计概念产生后，传统的设计方法一般是直接开始进行不同方案的设计，然后进行迭代，进而逐步完善设计方案。而运用生物节律原理的生成设计方法将采用完全不同的设计方法，其步骤如图3所示。

从设计概念到产品的形态不再是由设计师进行方案迭代。而是在算法的支持下直接生成出大量的可行方案，并且，这些可行方案都不是对形态进行直接设计，而是通过对组成产品的结构“分子”的设计而构建起来的。对设计方案的选择也不再是设计师一一推敲，而是通过机器算法的枚举选定最符合设计师要求的设计方案。最后设计师为静态的产品设定其所需遵守的生物节律原理，让静态的产品变成能有规律运动的产品。下面详细解释一下应用步骤。

1.解构产品，构建“分子”。

前文提到过，在生成设计这一新的领域中设计师不需要对产品进行直接设计，直接设计工作被计算机接管，计算机用自己的发展为人类服务[8]，人类设计师只需间接完成设计。而生物节律原理本质上来说就是“生物钟”的分子机制，是由组成生物的分子的变化所驱动生物的变化的。从设计角度来看，设计师第一步就需要构建出组成产品的“分子”。

所谓“分子”就是组成产品的最小单位。产品的形态变化，是由组成产品的“分子”的变化而引起的。所以在这一设计方法中，设计师需要抱有微观思维，第一步就是要对概念中产品进行解构，把产品的最小组成单元设计出来。就像乐高积木的组件一样，产品“分子”就是构建起产品的部件。

图4展示了麻省理工学院Tibbits实验室由分子组成的一个小型设计装置。这一装置作品由一个个网状格子组成，当其被放入盐水中后，由于其湿度与温度的变化变化，组成作品的网格也随之逐渐发生了比较明显变化，从而带动整个作品的运动，它在水中自由地舞动了起来[9]。

2.人机协同，生成产品。

当组成产品基本的单位结构也就是上文中所说的“分子”构建好之后，接下来就要让“分子”构建起产品了，这部分工作由人机协同完成。设计师只需要对最终效果的形态和预期功能设定一些要求与目标，由计算机在条件内进行方案模拟，通过虚拟仿真技术把构建组成最终成品，选出最优方案，并生成产品。

人机协同工作的生成设计平台目前技术已经相对成熟了，有多款软件可供选择。Autodesk公司开发的Fusion 360多用于产品设计领域，犀牛平台（Rhino）中的Grasshopper Architecture多用于建筑设计领域，还有国内阿里巴巴的鹿班平台多用于平面设计、网页设计中。通过使用这些软件，计算机会自动把“分子”构筑成符合要求的产品，完成整个产品的结构、形态设计。

3.生物节律，赋予灵魂。

这是最后一个步骤，也是本研究所提出的这一新型生成设计方法区别于传统生成设方法的重要环节。本设计方法所生成的产品是受生物节律原理影响而能改变自身形态的。文章前面对生物节律原理进行的分析可以看出，生物节律原理本质上是生物的分子感受到了光线或温度的变化而改变自身形态，从而导致整个生物形态改变以更好地适应当前的温度和光线条件。

从生成设计角度来看，光线、温度条件属于信息，一种由大自然传递而来的信息，这些信息被产品接收后刺激组成产品的“分子”发生形态变化，从而引起整个产品的形态发生改变。这就要求设计师需要对这一机制进行设定。主要从三个方面需要进行设定，一是引起刺激的因素。根据产品最终变化形态确定好有哪些自然信息会引起产品形态改变，是光线还是温度，甚至是湿度。二是产品受到刺激后组成产品的最小单位会发生怎样的变化，也就是组成产品的“分子”会发生怎样的变化。三是“分子”的变化会引起产品最终形态发生如何的改变。而这三个方面最终由设计师落实到变算法与规则的制定上。通过设定的算法，让产品接收到外界刺激信息时驱动变化程序完成形态的变化。

如著名的西班牙建筑师圣地亚哥·卡拉特拉瓦经常以大自然作为灵感获取的源泉[10]，并巧妙地把生物节律原理运用到自己的建筑作品中。密尔沃基美术馆便是其重要的代表。这个能自己动起来的建筑被世人称为“复杂的有机体”

美术馆是可以随着大自然规律而自由运动的。根据阳光和风力的变化美术馆顶部的遮阳层会自行开启和关闭，这使得整个美术馆就如同巨鸟挥动着翅膀，如图5所示。

遮阳层的展开除了表达出设计师对自由的追逐之外，同时也调节了美术馆的室内光照情况，让美术馆中的观众拥有了更好的观展体验。

四、4D打印技术下生物节律原理在生成设计中的应用价值

（一）赋予了产品“生命”。

采用传统设计方法设计制作的产品无论功能再强，外形再漂亮，也只是一件冰冷的无机体。已经越来越难以满足用户不断变化的需求，特别是对产品的情感需求。把生物节律原理运用到生成设计中后所制作的产品能随着环境变化而改变自身形态，让产品充满了生机，具有了“生命力”。有了一定的情感表达能力。这样可以拉进与用户的情感距离，增强了产品的亲和力，把产品的用户体验提升到了一个新的高度。

除了情感表达的提升，产品的功能性也得到了很大的延展。随着数字技术的深入发展用户的需求已经到了一个新阶段[11]。而能随着自然环境而改变形态的产品可以满足用户变化的需求。以屋顶这一产品的构建为例，一天当中阳光和温度会发生规律性的改变，而屋顶可以随着阳光和温度的变化而调整自己的形态，在白天有阳光的时候屋顶可以打开让阳光照进屋内，而太阳落山温度降低后屋顶合拢起到保温作用。这种有“生命”的产品，让用户不断变化的需求得到了满足。

（二）优化了设计流程。

传统的设计方法主要是由设计师独立完成，生成设计的到来让计算机能够辅助设计师完成设计，计算机成为了辅助制图的工具，利用生成软件可以绘制更精确、真实的效果图，同时还能在众多选项中选择相对合理的答案。

而生物节律原理运用到生成设计中后开启了人机协同设计的大门。计算机不再是辅助设计进行设计的工具，而成了与设计师一同工作的“合作伙伴”。设计工作真正变成了人机协同的工作。设计师制定出一套算法与规则后，计算机在算法的指导下与设计师一起完成产品的结构、功能的设计，计算机不再单单只是辅助制图以及替设计师做出选择了，而是参与到产品变化规则的讨论中来，这一人机协同的方法发挥了计算机的算力优势，计算机可以快速大量地进行枚举，并自行对每一种原则进行模拟测试并选择最优解。人机协同的设计流程可以很好地发挥出设计师的创造力优势以及计算机的算力优势，真正对设计流程做出了优化。

（三）提高了生产效率，节省了计算机算力。

生产设计出形态能自行变化，像有机体一样的产品拥有诸多好处，这种产品也一直是设计行业追寻的重要目标。但是这种形态的产品目前市面上依旧非常罕见，归根到底就是其复杂的制作工艺与生产成本。也有一些著名设计师设计并实践了这种高级的设计作品。

如果利用4D打印技术把生物节律原理运用到生成设计中，就可以大大减少施工难度，只需要为新材料设定好生物节律规则，组成產品的“分子”接收到自然界信号后会自己改变形态从而驱动整个产品形态的改变产。这样也不需要传感器的参与，更不需要计算机来指挥产品的交互动作，大大节省了计算机算力。

结语

得益于4D打印技术的发展，生物节律原理得以能运用到生成设计当中。这一创新拓展了生成设计的应用方法。在这样新的技术背景下计算机不再是辅助设计师完成设计的工具，而是与设计师协同工作的“伙伴”。自然界本来的光照、温度、湿度等信息成为了驱动产品自我完善形态的“催化剂”，这让同样在生物节律规律下生存的人类能感受到设计的产品的温度，产品不再是冰冷的工业品，而是拥有了“生命力”。在4D打印技术的背景下把生物节律原理运用到生成设计中将能不断深化设计工作的深度，持续推动行业创新。带动设计师与计算机协同工作方法的思考，也体现了设计行业在数字时代艺术与科技紧密结合的新特征。