自然作為技術范式
——以“濕敏褶皺”動力學鞋履為例

封 帥

（中央美術學院，北京 100102）

隨著數字化和機器人制造技術的快速發展，生產快速成型零件成為可能，新的知識體系正在迅速興起，并伴生出具有替代性的“生成”性設計方法，這種方法脫離了根植于自現代主義伊始的，由效率所驅動的形式、結構與材料之間的制度化隔離，即表現形式脫離了承載其的物質基礎，繼而于方法論上衍生出賦形、仿真與制造之間的不連續性[3]。與之相對的，這一以自然作為技術范式的“形態”生成方法，從材料構成中展現出“形態”的復雜性，這就要求對形式、材料、結構和環境的理解不再是彼此獨立的區塊，而是共同嵌入至一個具有連續性的整體。

1 自然作為技術范式-材料驅動的“無肌肉”動力學設計

以這種嶄新的技術范式觀看，材料不再作為形式的從屬，而是作為驅動力量打破舊有設計體系中關于形式的“困境”。這是從物質自身的角度所講述的“形態”設計策略：首先，生物的復雜形式與系統來自演化的過程；其次，生命亦不停生長。生長是一個復雜的過程，在自然的材料系統中，與演化相適應的工程設計發生在物種層面，響應生物發育進程中的一系列與可用遺傳信息相互作用的負荷和環境壓力。演化的時間維度很長，但是更多的生物適應現象所發生的時間維度要短得多，所涉及到的是個體而不是整個物種，因此更具觀測性。

這種可觀測到的生物適應現象，便是由生物材料層級所驅動的生物動力學系統。自然界的一切物質系統都涉及到動態（既有局部亦有全局的）。對于特定條件變化，材料內部的緩慢動態會改變材料的纖維方向，通過幾何形變與材料層級結構而產生動力。這一“無肌肉”的生物動力學系統，僅僅憑借預張緊和變化的幾何結構中的膨脹壓力變化系統，便可產生不同種類的動態。在這一過程之中，首先，材料和結構之間的區分已經幾無意義；其次，僅僅有很少的材料被調用到，幾乎所有的負載都由纖維復合材料承擔：“生物學中只有四種聚合物纖維即：植物纖維素、動物膠原蛋白、昆蟲和甲殼類動物的甲殼質以及蜘蛛網中的絲質。作為生物學的基本材料，它們的密度遠低于大多數工程材料，強度完全來源于其既有的特定的幾何排布組合方式－各向異性（heterogeneity）”[4]。

具備各向異性的纖維復合材料，同現有工業體系內各向同性的常規剛性材料相比，因其剛度和強度能夠與載荷的方向和大小相匹配，所以得以于壓力下運動與生長。在生長過程中，有機體所承載的力會在需要的方向與區域上有選擇性地沉積新物質。在骨頭中，材料從應力不足的部位被移除，然后重新沉積在高應力的部位；在樹木中，不斷積淀出的纖維取向和多孔結構皆不同尋常的木質，生產出連續不斷的年輪。這些都奠定了生物學中以大量載荷的纖維復合材料作為架構模式的設計邏輯框架。

2 “濕敏褶皺”動力學鞋履設計

對于由材料驅動的“無肌肉”動力學的探究過程的興趣，促成了設計教學實踐中，“濕敏褶皺”動力學鞋履項目的成形。褶皺系統在人工材料和生物材料中都廣泛存在。在自然界中，人的手指皮膚，由表皮和真皮層組成，在長時間接觸水后出現褶皺，而皮膚干燥后恢復初始平坦表面；干燥的臉部皮膚由于脫水而失去彈性，產生細紋，補充水分有助于保持皮膚的彈性。

受到以皮膚為代表的“濕敏褶皺”動力學，即受外部刺激（濕度）而改變皮膚結構與工程性能啟發，“濕敏褶皺”動力學鞋履這一設想得以于研究層面形成，作為一項致力于從復合纖維材料角度創造出隨濕度變化，而改變鞋履“褶皺”圖案作為響應與適應的創新設計，這一“無肌肉”的動態“濕敏褶皺”將以一種可逆的方式，來實現影響其摩擦力的褶皺“圖案”的動態循環：借由各向異性的纖維材料的可行性研究，“褶皺”的動態性、可逆性與穩定性，將通過以濕度為代表的外部刺激循環轉化，進一步動態改變鞋履的結構與性能，如圖1所示。

圖1 “濕敏褶皺”動力學鞋履設計

3 材料視野下的“形態”生成

以包括有限元分析在內的不同的計算分析模式進行迭代完成的形式“生成”，可以在設計項目的個體“形態”、個體結構動態的歷史演化及其與外力和能量的相互作用或交換（即“生態嵌入”）之間建立有效而可供反饋的聯系。這樣就可以將材料系統視為校準和平衡多個影響變量和不同設計標準之后的一個協同結果，“生態嵌入”也成為與材料的物質干預高度相關的特定模式。水分常常被用作經濟有效且簡便的刺激措施，來生產出具有動態性的纖維材料表面，在本案中，一套以各向異性的纖維復合材料構成的人工“褶皺”系統得到提議：一系列對水分敏感的膜－襯底雙層器件，用雙層薄膜由聚乙烯醇的硬質親水膜緊密粘合到聚二甲基硅氧烷的柔性疏水膜上，來模擬皮膚中角質層的皺縮現象。當遇水時，聚乙烯醇的硬質親水膜吸水發生水平皺縮力，同時聚二甲基硅氧烷的柔性疏水膜受親水膜的水平收縮力產生皺縮形變。

以生物動力學作為出發點的理論模型為動態材料系統與其適應性過程提供了研究框架。如果從中提取原理應用于設計與工程案例，則必須仔細考慮尺度與規模的效應，當壓力系統不均勻承壓時，力也將隨之成指數級別地增加。在自然的褶皺系統中，角質蛋白接觸水后吸收水分，使皮膚膨脹和產生了較大的表面積，迫使皮膚皺縮。構成這一“形態”的幾何排布圖案可以進行縮放，再結合其結構的可變剛性，共同創造了一種實現設計“形態”與材料系統相統一的先進方法。

4 PolyJet 聚合物噴射打印技術

在生物學中，物質是昂貴的，而形式是自發的。“形式的生成是由最大的性能和最小的資源（各向異性的材料的區域化分布）所驅動的”，工程學中所做的卻是相反。今日的計算設計環境或可從根本上改變一切，所依仗的是同時兼顧復雜幾何形式與復合材料系統制造的增材制造科技。正是基于此，“濕敏褶皺”動力學鞋項目采用了PolyJet聚合物噴射打印技術對鞋履原型進行了一體成型的模擬。這種多層聚合物噴射技術可以將多層不同生物相容性材料合為一體，以達到多元有機的項目目標：設備預先設置有包括數字ABS、透明材料、高溫材料、類聚丙烯材料、類橡膠材料、生物相容性材料在內的材料組合，使得原型在剛度、不透明度與顏色上得以無縫連續，并隨著幾何結構與化學性質而變化。見圖2、圖3。

圖2 聚合物噴射打印鞋履原型

圖3 聚合物噴射打印鞋履原型

5 結論

自然作為一種技術范式，其意義將遠不只是促進制造技術的進步，而材料視野下的“形態”生成，是否可以使其具有一種內在的或“自然的”可持續性？我們可能與達西·湯普森（D’Arcy Thompson）在人工設計中贊譽為“自然”的過程更為相似嗎？如若使然，則新興的制造技術，基于復合材料的“形態”設計方法、計算策略、與誕生其間一體成型的鞋履原型，或可隨之被認為是產生這一“第二自然”可能性的內在技術驅動力。