基于参数化造型的柔性材料形变设计研究

张帆　崔艺铭　朱泽一

摘要：为了适应日益丰富、复杂的人机交互形式，扩展产品造型的维度，文章利用柔性材料特性，研究了基于参数化造型的形变设计方法，并将该方法应用于智能交互产品，达到产品材料、形态、结构、交互方式的统一。文章首先利用柔性材料特性，分析了生成参数化造型的折叠结构;其次，探索了如何利用充气技术来驱动折叠结构形变;最后，阐述了将柔性材料形变应用于产品设计的可能性。参数化形变的造型有利于提升产品加工效率并适应更多产品状态，对造型的空间适立性、功能性、智能性、可持续性的建立起到积极作用。

关键词：参数化 动态造型 形变 交互技术 折叠结构

中图分类号：TU986

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2019）05-0079-03

Abstract：In order to adapt to the increasingly rich and complex human-computer interaction forms and expand the dimensions of product modeling，this paper studies the deformation design method based on parametric modeling by utilizing the characteristics of flexible materials，and applies the method to intelligent interactive products to achieve the unification of product materials，forms，structures and interaction modes.Firstly，the folded structure of parametric modeling is analyzed by using the characteristics of flexible materials.Secondly，how to use inflatable technology to drive folding structure deformation is explored.Finally，the possibility of applying deformation of flexible material to product design is discussed.Parametric modeling is conducive to improving the processing efficiency of products and adapting to more product states，and plays a positive role in the establishment of spatial adaptability，functionality，intelligence and sustainability of modeling.

Keywords：Parameterization Dynamic form Deformation Interaction techniqueFolded structure

引言

产品造型即人工塑造产品的形态，是在考虑产品美学的基础上，将设计概念通过几何形态表达出来的过程。产品外观设计可被归纳为布局设计、形状设计和人机工学设计。根据前人研究，影响工业产品造型的因素包括产品功能、技术条件和造型艺术[1]。因此，对于工业产品来说，造型并不独立存在于美学范畴，而是由形态、功能、技术等诸多要素构成的综合概念。

近年来，人工智能、3D打印、增强现实等技术的发展和应用促使传统静态造型很难适应产品交互设计在互动性、变化性方面的需求。诸多学者及研究机构进行形变技术研究，如MIT Media lab的Neri Oxman教授将微生物用于3D打印材料，打印的可穿戴产品具有一定的生长特性，材质发生形状及色彩变化[2];MIT Media lab的姚力宁等研究了纳豆生物材质在湿度变化下的形变，设计了“会呼吸的运动衣”[3];CMU的学者王冠云研究了基于PLA材料受热弯折原理的纸片形变，将其应用在装置艺术、互动产品等领域[4]。以上研究全部为基于材料特性产生形变并驱动产品外观改变，另外，也有学者张周捷研究基于机器学习方法的造型自动演化软件，设计了

一款“计算机设计师”，让计算机通过设定的程序、逻辑来造物，程序自身演化，无法预判最终形态，突破设计师的想象[5]。

除技术之外，产品自身形态是产生形变的另一必备要素，如柔性材质的折叠结构。现代参数化造型主要由单元形以及之间的组合关系构成，关键要素的缩放、变形及相互连接可以控制整体形态，获得不同的外观设计效果。[6]參数化造型的这种特征在柔性材料形变方面具备优势。

因此，本文选取柔性材质产品形变作为切入点，将交互功能、形变技术与参数化造型三者整合在一起进行探讨，共研究三方面问题：1.产品外形的动态可能性，包括产生形变的产品结构与动态效果;2.实现自动产生形变的技术原理，技术如何与形态相配合;3.不同形变样式的应用场景。

一、工业产品的参数化造型研究

参数化设计定义为将设计的要素及环节参变量化，通过控制参变量生成造型。其本质在于数据，为设计元素赋予可量化的数据，根据数学逻辑调整数据并生成不可量化的丰富造型结果[7]。参数化设计过程的核心是建立参数化模型，包括单元构件的结构约束及尺寸约束，结构约束是指如平行、垂直、对称的几何关系;尺寸约束是指如距离、角度的尺寸标注。

参数化造型最早应用于建筑设计，近年来，更多学者进行产品领域的参数化设计探索及研究。例如，Zaha Hadid根據“游牧思想”设计的参数化形态代表作“流动家具”，体现出开放、自由、不受理性约束的设计理念;根据L-system设计的新加坡滨海花园“超级树Supertree”，具有如植物“生长”的仿生造型，并且利用其结构特征，起到收集雨水、温室通风的功能作用（如图1）所示;“Nervous” 网站可调节参数定制的首饰造型则是典型运用维诺图（Voronoi）模拟细胞结构的设计（如图2）所示。

经过持续的设计沉淀和反思，参数化设计逐渐从潮流回归为一种常用、必备的设计思维及手法，存在于设计的各个环节之中。由于参数化造型的内在逻辑性、可控制调节性、单元化等特性，文章基于参数化形态来研究柔性材料的动态化设计方法，即形变。可参考的具体参数化造型原理包括拓扑几何学、分形学、微观结构形态等（如表1）。

（一）拓扑几何学

拓扑学（topology）是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的性质的学科，其性质包括连通性与紧致性。依据拓扑学理论，设计师利用扭曲、折叠、褶皱、嵌入等变形技术设计出异性建筑外观。拓扑学中的图形关系可被视作参数化设计中的一种关系式，通过调节可变参数或关系式，获得具有拓扑特征的造型。在此基础上，学者们延伸出“褶子”、“游牧/平滑”、“图解”、“生成”四种方法。其中，“褶子”思想和“游牧/平滑”强调连续变化、空间流动性、动态性和无中心性，使无论建筑还是产品的造型连续过渡，消除了内外的概念8。

（二）分形学

分形学是以不规则几何形态为研究对象的几何学，将几何形状分成若干的细小部分，而每一部分近似整体缩小后的形状，具有自相似的“层次”特征，甚至具有无穷层次，适当缩放事物的几何尺寸，整个结构并不发生改变。如自然界中云、闪电的形态等。参数化造型设计深受分形学影响，常用创建方法包括迭代、放射、非线性变换等，可以用雪花形状的“科赫曲线”（Koch Curve）、H树等分形模型建立设计元素之间的关系，实现复杂形体。

（三）微观结构形态

微观结构形态是根据自然界微观结构的丰富造型法则得到的几何学算法，参数化关系式可根据这些算法来建立，例如，描述植物生长规律的L-system，模拟细胞组织结构的Voronoi图，以及用细胞单元、演变规则等因素构成算法的细胞自动机。

二、折叠方法研究

折叠结构（Deployable Structures）由两个以上具有相对运动的构件组成，采用能使两构件产生一定相对运动的连接形式，使整体造型在空间产生伸缩和形变，因此构件不能独立运动，同时也不能连成刚体[9]。折叠结构具有多样性，是高度抽象化的结果，一般分为以点基准、线基准、和无确定基准折叠的三种类型。点基准即以点为中心的折叠结构，展开及收拢均在切线方向，如折扇开合，雨伞开合;线基准形为平行开合的形态，如灯笼、手风琴的褶皱;无确定基准一般为依靠材料结构特性的结构。折叠包括形态性（参数化形态）、结构性、功能性三方面特性：

形态性，在本文中指产品的参数化形态，线与线之间形成面，面与面连接形成体，点、线、面形成的新型体量关系就形成了折叠结构。这种简单一致的重复，能构成秩序美。主要具备对称、秩序、节奏、韵律、平衡等特征。就折叠结构的形式美学来说，符合均衡与对称、比例与尺度、对比与特异等一系列美学基本原则[10]。

结构性，折叠结构包括一体连接和运动副连接。一体连接的折叠结构，材料本身是一体性的，设计者按照材料上的折叠线折叠，实现产品在空间中的缩放;另一种折叠结构是运动副连接，两个构件直接接触，同时能产生相对运动的活动连接，如形成回转副的轴承结构，形成移动副的滑块与滑槽结构。

功能性，除了收纳节省空间、便携，本文的视角在于折叠的运动功能，即动态性，折叠的动态功能与参数化形态以及结构紧密相关。结构是构成形态的重要因素，同时结构也驱动动态。

三、柔性材料的形变研究

（一）形变原理

文章中采用气囊充放气来驱动参数化造型的形变，分别为：（1）气囊自身形变，在充放气过程中产生造型，以柔性材质制作气囊可直接应用于产品设计;（2）气囊驱动形变，气囊充放气驱动折纸结构以扭转、放射等形状开合。根据气囊自身形变的形式和折叠结构的组合，可产生更丰富的变化效果。

1.气囊自身形变

文章根据气囊加工性质，共研究了三类气囊变化方式：单体式、连接式、组合式（如图3）所示。（1）单体式是最基本的单元形态，为独立充放气的一个气囊。在放气状态下，单体式气囊可根据需要制成矩形、圆形等形状。可依据程序控制单体形变的快慢程度以及变化幅度。（2）连接式为多个单体气囊相连，中间有气孔连同，根据形变需要控制压痕，可产生单轴向起伏和多轴向起伏。（3）组合式为多个单体气囊依据程序来控制充放气顺序、速度等，而形成组合变化。

2.柔性材料折叠形变

根据前文研究的折叠结构，参数化形态的形变主要分为一体式形变和运动副式形变：

本文首先研究了一体式形变结构，经过大量折叠实验，根据开合的形态总结为平行开合、扇形开合、扭转开合、放射开合等，用于表达参数化形态并产生形变（如表2）。

平行开合，以某一轴向平行抻拉;

扇形开合，以某一基准点为圆心，向切线方向开合;

扭转开合，在折叠造型基础上进行扭转，使平面变为曲面;

放射开合，通常以某一基准点为圆心，呈放射状、球状展开。

其次，研究了运动副式伸缩形变结构，此结构将独立的单元形态进行连接，并使单元形态之间产生相对运动。实验结果表明，根据开合的形态总结为轴连接伸缩开合及滑槽连接伸缩开合（如表3）。运动副结构可使产品形态变化具备一定的伸缩性，而与一体式折叠结构的区别在于单元形间的相对独立性。

3.参数化形态的变形

本文中，参数化形态的变形主要通过气囊与折叠结构来实現，根据二者组合的形式，可归纳为“气囊支撑”以及“折叠结构支撑”两种。“气囊支撑”的形式为气囊在内、折叠的造型在外，气囊驱动折叠造型起伏、伸展，（如图4上）所示;“折叠结构支撑”为气囊包裹折叠结构，充放气时，气囊形态随着折叠结构的变化而改变（如图4下）所示。

（二）驱动形变的技术

为产生更丰富的形变效果，文章采用Arduino电子模块实现了多气囊的控制，原理（如图5）。整个电路包括Arduino控制主板，3V充气泵、抽气泵、电子阀门、气囊以及电源等。充气泵及抽气泵通电即进入工作状态，阀门起到气泵和气囊之间的连通作用，控制主板的程序用来控制阀门的开启和关闭，使气体通过。整套电路可任意控制气囊的充放气时长、每个单体气囊充放气的先后顺序等。

（三）案例应用

根据形变方法，本文设计了部分应用方法，来证明参数化形变造型装置的潜在用途，并选择了有代表性的应用来说明不同形变方法适合的场景。具体应用的思路（如图6）所示。

1.海洋生物—放射开合的仿生设计

本案例利用了放射开合的折叠结构以及单体式气囊，模仿河豚遇敌时的膨胀反应。传统仿生造型多为提取生物静止的外观形态，本研究提取生物结构，模仿河豚有代表性的动态效果。并且，安装了“轻触”传感器，当用户触碰时模以遇敌状态，并用折叠实现了单元形从聚集到展开的效果，使造型更加生动（如图7）。

2.昆虫—伸缩开合的甲片

本案例为基于运动副伸缩开合的形变研究，通过片材之间的长螺钉连接形成一定的运动空间，实现甲片角度变化，模仿昆虫鸣叫时的身体形态（如图8）。

3.灯具—扇形开合设计

本案例用连接式气囊配合扇形开合结构设计了一款可形变的灯罩，当用户开启灯具，伴随着灯光变亮，灯罩从闭合状态逐渐变饱满。本研究探讨了家居产品功能与形态在动态层面的一致性（如图9）。

结论

文章研究重点在于突破传统产品的静态造型，通过电子模块驱动柔性材质的折叠结构产生参数化动态效果，并将形变研究的成果用于智能交互产品，达到形态、功能、交互方式的统一。文章研究的形变强调了产品外观动态性，补充了交互设计中声音、图文信息、光影等感官形式以外的触觉感官，同时提升了产品在空间中的适应性;参数化的形态使产品造型模块化、秩序化，提升制造效率。本文总结的形变原理及技术不但可用于工业产品，在机器人、智能可穿戴、装置艺术等领域均有延展空间。m

基金项目：北京市创新团队IDHT20180511项目：北京服装学院高水平教师队伍建设新进青年教师启动计划BIFTXJ201914项目。

参考文献

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