竹签笔筒设计方案[竹签笔的图片]

　　第13章 用3D打印设计你的未来

　　描述3D打印技术潜力的一种比较流行的方式是把它比作最强大的制造机，类似于《星际迷航》中的“复制器”。“复制器”可以执行口头命令并满足“进取号”船员的任何要求。换句话说，它可以做任何事情。

　　格雷伯爵茶

　　我小时候就看了《星际迷航》，当时从没有人对“复制器”进行试验，这令我很沮丧。在每集中只要“复制器”一出现，每个人要的都是一杯格雷伯爵茶。某一天，一名机组成员想要一块芝士蛋糕。由于出生在瓦肯星，斯波克缺乏想象力或许可以原谅，但他的人类同事缺乏想象力就不能原谅了。

　　长大以后，我把这一点归咎于《星际迷航》的编剧。一台机器可以做任何事情，但他们的想象力仅仅是利用这个奇妙的“复制器”提供一杯普通的茶。在我的实验中，这种现象被称作“格雷伯爵综合征”。

　　3D打印技术的设计深受格雷伯爵综合征的影响。如同“复制器”未被使用的能力，3D打印技术为我们提供了一个新的未被探索的设计空间。然而，我们的想象力却受到了经验的束缚。人类是习惯性动物，我们的创作都是基于已经熟悉的事物。就像那句老话所说：“如果你只有一把锤子，那么所有东西看起来都像钉子。”

　　其中一个问题在于我们必须借助设计软件。计算机辅助设计工具在3D打印过程中至关重要，但设计软件仍然受到计算能力不足的限制。此外，目前的设计工具利用传统的制造机器生产，面临诸多物理限制。

　　为了摆脱格雷伯爵综合征并充分利用3D打印技术，我们需要更加努力以超越《星际迷航》的编剧。言归正传，回到现实中，我看到格雷伯爵综合征在教室里上演，它根深蒂固。

　　我教授本科生产品设计课程。在一节课的开始，我让学生设计一个既实用又好看的笔筒。我解释说这次的笔筒设计是3D打印的，所以我花时间教他们新的设计技术。

　　布置笔筒项目时，我鼓励学生自由大胆地设计，越新奇越好。“要真正地摆脱条条框框的束缚！”我告诉他们，我希望能看到一些新颖、前卫的设计。

　　布置完这个任务后，学生们带着完成的设计作品返回课堂。当我走在房间里浏览他们的计算机屏幕时，我的希望破灭了。他们的笔筒大多是经过精心设计的，它们可以保持直立，大部分笔筒可以存放铅笔和钢笔。事实上，大多数学生的设计良好、结实，这些设计会最终成为合乎情理的、足够好的笔筒。

　　有几个人大胆地设计了一些花样使笔筒看起来更加生动，然而提交的大部分设计都很传统、缺乏变化。并不是只有工程专业的本科生才受格雷伯爵综合征的影响。在学校之外，我注意到即使是专业的设计人员也经常放弃3D打印所带来的创作自由。

　　马歇尔·麦克卢汉是加拿大哲学家和作家，他用一句名言恰当地描述这一现状：“我们打造了工具，而工具也会反过来塑造我们。”马歇尔敏锐的洞察力有助于解释以格雷伯爵综合征为特征的设计短视。几十年前，我们打造了计算机辅助设计工具使得生产上受到的限制不复存在。然而，今天这些设计工具继续塑造我们。为了打破这种僵局，我们必须重新打造设计工具。

　　我发现两个机会特别有前途：首先，将设计软件打造得很直观而且使用起来也很有趣；其次，提高计算机关于形状的“思考”方式，因为计算机关于形状的控制在很大程度上决定了它们能够引领我们探索多远。

　　史蒂夫·乔布斯：“计算机是我们大脑中的自行车”

　　在1990年的公共电视台采访中，史蒂夫·乔布斯把计算机描述为“我们能够想出来的最了不起的工具。这相当于我们大脑的自行车”。他的观点是，只要给人类的基本能力提供适当的技术支持，人类就可以极大地扩展自身的能力范围。不幸的是，对于大多数人来说，设计软件尚未成为我们头脑的自行车。

　　试想一下这样的场景：一个9岁的女孩在空中打手势，在旁边的屏幕上，一个设计正慢慢形成。女孩的手指上粘贴着带有传感器的小贴纸，这些传感器以无线方式将信息传递给设计软件。该软件可以接收传感器的数据，并不使用键盘或鼠标就将女孩消除、选择及合成屏幕上物体的动作解读成正确的形式。计算机能够理解她的意图，就像一个能工巧匠一样，把设计最终变成完美的形式。

　　要是设计软件使用起来这么容易该多好。为了充分展示3D打印技术的力量，设计工具必须更加直观易学，使用起来更有趣，功能更强大。一个有效的方法是将设计软计的外观和操作制作得更像一个视频游戏。

　　3D打印视觉设计：从游戏中获得灵感

　　几个月前，我收到一封来自埃里克·海恩斯的邮件。埃里克·海恩斯是一个经验丰富的软件开发人员，硕士专业是计算机制图，并且在欧特克公司供职很长时间。埃里克认为我可能会对网络游戏《我的世界》感兴趣。“你可以将《我的世界》描述成未来的8位3D打印视觉设计。”埃里克告诉我，“数以百万计的人玩《我的世界》，这是成人的积木玩具。”

　　埃里克之所以联系我是因为他认为我可能会对他开发的一个软件工具Mineways（一个可以将设计3D打印出来的软件）感兴趣。

　　Mineways是一个开源软件工具，人们通过这个工具能够进行编辑，然后3D打印出他们所设计的物件。当埃里克意识到人们在网络上构建的丰富的虚拟世界正开始以实物形式展现时，他研发出了Mineways。埃里克利用业余时间花了45天编写出Mineways，并于2011年圣诞节对外推出该软件。从那时算起，Mineways下载量已经超过50 000次。

　　为了了解更多信息，我去见了埃里克，让他给我展示《我的世界》。在埃里克的客厅里，首先引起我注意的是分散在各处的3D打印的小玩意。他向我展示了一个3D打印的城堡复制品，还有一个斑驳粗糙带有黄色茅草屋顶的灰色石头房子。埃里克解释说，这所房子是《我的世界》里一个村庄的复制品。

　　我们俩坐在宽屏计算机显示器前，埃里克登录了他的《我的世界》账户。他解释说，《我的世界》是一个多人游戏，在游戏里玩家设置一个头像并建立自己定制设计的虚拟世界。玩家通过点击和拖放立方体原料块营造出精致和丰富的幻想世界。在写作本书时，《我的世界》估计拥有800万活跃玩家，这相当于欧洲一个小国家的人口规模。

　　我盯着屏幕，埃里克带我走进了他的虚拟世界—Vokselia。“最初，你会拥有一个账号和一个世界，那个世界里什么都没有。”他的游戏界面有与几个朋友共享的房屋、城堡、巨大的玻璃穹顶，甚至还有一些农场动物。埃里克向我展示了一个富有野心的设计—棱角分明的蚂蚱。他解释说，将蚂蚱细长的腿和触角设计成能够用3D技术打印出来是一个挑战。

　　在这个游戏世界里，每个立方体建筑块代表着真实世界里1立方米的体积。与经过精细雕琢看起来像电影的现代视频游戏不同，《我的世界》里的图形乍看之下很粗糙，甚至有些原始。在《我的世界》里，世界由大块状的原料组成，树木、房屋、湖泊和结构都被粗糙地像素化了，每个平坦的表面看起来都是由个性化的瓦片组成的。

　　是什么使得《我的世界》这个游戏如此有吸引力？部分来自于神奇的视觉效果，立方体形状的积木使得人们建造的城市、建筑和幻想的世界充满神秘氛围。埃里克说：“在视频游戏里，图形质量可能很高，但你不能改变和移动东西。大多数视频游戏是互动的，但在那些游戏里你不能达到这样的设计水平。”

　　在这个幻想世界里有严格统一的内部规则，玩家必须遵守物理定律，所以他们的设计空间融合了幻想与物理世界的规律。玩家必须受到相同的约束，将现实世界的复杂性引入建造过程中。由于一个精心设计的项目可能需要花费大量时间，为了加速游戏过程，《我的世界》里的一天实际仅相当于20分钟。

　　埃里克向我展示了一个火车站的地砖—棕色、红色和黄色组成的马赛克。制作棕色瓷砖时，《我的世界》的玩家不能仅仅选择“棕色”并把它应用到一块砖上。相反，制作棕色瓷砖是一个系统而又艰苦的过程。“这些瓷砖的颜色来源于羊毛的特殊染色，你必须剪羊毛和收集羊毛以获取这些颜色。”埃里克说，“粉红色和棕色都相当罕见，你必须找到可可豆色的羊毛来制作棕色的瓷砖。

　　我猜测《我的世界》的吸引力部分在于玩家能以团队形式展开大规模的建设项目，创建老式社区。埃里克和他的朋友们联合起来建立一个虚拟的杰作，名为社区火车站。这个火车站以伦敦的圣潘克拉斯火车站为原型。玩家们贡献时间、原材料或项目设计。当我看到社区火车站时，在车站中庭的角落里有一棵闪闪发光的圣诞树，很明显玩家们在节日结束后没有将其拆除。

　　《我的世界》展示了一个新的设计范例：游戏化的计算机辅助设计。只需要27美元，《我的世界》的玩家就能拥有方便而功能强大的设计工具以及与其他玩家和建造者共享的网络社区。当我还是一个年轻工程师的时候，我学习使用设计软件几乎就像是学习如何管理一个机场控制塔。设计工具的用户界面非常复杂，简直令人困惑，词汇也非常特殊，并且远远超出了普通使用者的技能。任何年龄段的人在学习使用它的过程中都无法感受到乐趣。

　　《我的世界》非常容易操作，8岁的小孩都可以玩。事实上，在几个月前，我8岁的儿子就在家里开始玩了。经过几天的学习，他帮我设计和建造了我自己的虚拟家庭（在他的树和屋子附近），并配备了淋浴间和床。

　　《我的世界》似乎令我儿子非常着迷。他进行了几个实验来测试TNT炸药（一种威力较大的炸药）的爆炸力，泥土和崖面上出现大量带棱角的弹坑。儿子告诉我，碰巧在爆炸地区附近的几只鸡死了，但不知何故一头路过的牛却在爆炸中幸存下来，不久便在巨大的弹坑旁边安静地吃草了。

　　《我的世界》软件内部（除了一些计算机科学家以外其他人不会有什么兴趣）有一个有趣的设计架构，它的软件不使用行业标准的设计模型。《我的世界》里的块状图形不是由传统的实体建模（工程师首选的设计工具）生成，也不是表面网格（动画师和艺术家首选的设计工具）生成。《我的世界》的核心是一个名为体素的数字单元。在一个三维物体的体积内，一个数字化的体素顺利地转换为一个精确的物理位置。

　　基于体素的设计占用大量内存，但理论上它作为设计单元或数字砖吸引用户。据埃里克所说，体素虽然外观看似粗糙，但它向人们提供了一个简单的设计方式，这一点很有吸引力。他说：“体素作为一个单元，人们可以很直接地与其发生联系。几十年来，我一直从事表面建模工作，也就是绘制多边形或曲面。但是，它有点儿模糊，有悖常理。如果你没有接受过培训，表面网格很难使用，没有人们想象的那么简单。”

　　埃里克向我展示了一个美丽的作品，这部作品刻画了一个西班牙城市的雄伟和壮丽。这个城市是名为立体角（Solid Angle）的图形设计公司的李·格里格斯和托马斯·费尔南德斯·塞拉诺设计建造的。在创造的世界中，他们设计了一个圆顶建筑，该建筑位于6个街道的环形交叉口中央。

　　圆顶建筑周围的模型城市布满了红瓦屋顶，远处有一个圆形剧场。

　　见图13–1，你可以看到这个场景的原始图像描绘了马里奥兄弟爬上一个建筑物的轮廓。然而，由于知识产权的原因，当该图像刊登在设计杂志封面上时，马里奥兄弟的形象被删除了。该杂志考虑到任天堂的版权问题，安全起见，要求格里格斯和塞拉诺将马里奥兄弟的形象从图片中删除。

　　图13–1

　　注：李·格里格斯和托马斯·费尔南德斯·塞拉诺创造的场景。如果你仔细看，在中央穹顶左边可以看到马里奥兄弟。

　　图片来源：Lee Griggs (Solid Angle SL) and Tomás Fernandez Serrano (forominecraft. com). Rendered with the Arnold globad illumination renderer.

　　如果20世纪80年代末我和我的同学学习使用计算机辅助设计时，教师告诉我们有一天我们的孩子将会愉快地玩简单的计算机辅助设计工具，我们会嘲笑他。那时我们没有能力用计算机运行一个细节丰富的虚拟世界，我们也没有可能获得一台3D打印机来完成设计。

　　物质编译器：让3D打印设计变得如此简单

　　如果你有一个改版的不只是简单服从口头命令的“复制品”，你会用它做什么？这台机器将会更智能。我将这个智能机器称为“超级智能设计助手”。告诉超级智能设计助手你试图解决的问题，而不是只告诉它一个你试图复制的已经存在的物体的名字。

　　这里有一个例子，如果你命令超级智能设计助手“为我的书架制造一个新支架”，你最好这样对它说：“我需要一个新的支架支撑一套书。”接下来告诉计算机这个书架应具备的功能，或提出有些人称之为“设计规格”的设计要求。就像一个好的设计师，你的自动化超级智能设计助手会仔细聆听你的要求并针对任务提供一个优化的解决方案。

　　设计支架时你需要飞快地说出几个设计要求：“这个支架6英尺宽，能支撑比较重的课本，并靠着一面垂直的墙。此外，支架的重量要尽可能小但能负载至少50磅的重量。”最后，告诉你的设计助手你打算用硬塑料3D打印这个支架。你的设计助手会仔细思考，然后经过一番计算提供其建议的设计方案。

　　在我的实验室中，我们基于这个概念创造了一个软件工具。该工具通过运行算法从而计算出最优的3D打印支架设计。我们将按设计要求输入计算机并按“输入”键，结果让我们大吃一惊。

　　计算机为这个书架的支架提供了一个新颖的设计，这个设计看起来一点儿也不像你在当地家居用品商店里买到的那种直角支架，而是带着漂亮镂空的纤维团。我使用今天的软件设计工具不能完成这样一个有机形状的（最佳的）设计，考虑到计算机必须参考的重量和材料性能，我无法制造出这个支架。

　　图13–2

　　注：未来，物质编译器将为给定的目标设计出最好的结构，然后3D打印它。从体积约束（左边）开始，编译器制作出一个最优的有三个杆子支撑的支架。

　　图片来源：Jonathan Hiller

　　当计算机学会消除人类的需要与多材料打印机功能之间的隔阂时，将会发生什么？结果将是下一代设计软件或者是我称为“物质编译器”的出现。

　　物质编译器这个术语最初由科幻作家尼尔·斯蒂芬森提出。在他的小说《钻石时代》（The Diamond Age）中，书中的人物讲述了他们的物质编译器会制造什么，他们会把物质编译器从机器中拖出来，不一会就制成一个塑料床垫、某种食物或一把枪。当然，斯蒂芬森的物质编译器不是3D打印机，它们是核心食物的原子重新组合后形成的“纳米装配”。像《星际迷航》中的Replicator一样，这些物质编辑器不能设计新的东西，它们仅限于复制已经存在的东西。

　　物质编译器的发展前景在于将人工智能的力量与3D打印相结合。人工智能将利用算法将人类提供的高级要求自动“编译”到一个最佳设计中，适用于3D打印，3D打印机将设计变为现实。将两者结合在一起，物质编译器能够使我们设计出目前尚不存在的新事物。

　　也许我们将物质编译器比喻成传统的软件编译器更合适。为了更好地在计算机硬件上运行，软件编译器将高级计算机语言（如C++）转换成机器代码，然后由物理处理器执行这些代码。同样，物质编译器将高级需求转变为可以利用3D打印机最新材料和特性的设计文件，然后，3D打印机创建物质编译器生成的设计文件所描述的对象。

　　也许墙上支架不是最好的例子，它只是一个简单的设计，挑战性不大。如果你试图设计和制造一个复杂的机器，附属于3D打印机的物质编译器的作用就非常明显了。如果20年后有人邀请我为未来的火星任务设计一个机器人，我会按照下面的步骤来做。

　　首先描绘火星上独特的环境，其次给出一些总体指标，如机器人重量范围、使用材料，最后我将给出它的具体性能，如移动速度、稳定性和工作效率。然后，敲一下“回车”键，等待物质编译器生成设计方案。将来某一天，当物质编译器成为日常的设计工具时，那些因试验和错误而耗费大量时间的复杂设计项目将变得非常简单。

　　交互式设计：和计算机交流设计想法

　　尽管物质编译器很智能，但它不能读懂你的心思。诚然，物质编译器可以根据你的要求制定优秀的设计方案，但是它还不能和你进行思想交流。如果你和你的设计工具在迭代设计过程中能够交流并且一起工作，将会怎样呢？

　　如果一台计算机能够在快速迭代中迅速给出设计理念，你就可以从中做出较好的选择了。然后计算机“研究”你的设计建议后，快速做些调整再反馈给你。你可以再次选择自己想要的选项反馈给计算机。计算机会再次进行调整，并将结果返回给你。

　　在迭代设计过程中，人和计算机之间相互交换想法被称为交互式“进化设计”。就像生物进化一样，但速度比生物进化更快，计算机可以使用数学算法重新调整设计。交互式进化的美妙之处在于，用户不需要了解任何有关计算机进程的内部原理，也不需要知道如何使用设计软件或如何制作出最佳设计方案。实际上，在某种程度上这有点儿像艺术家在一个新项目开始前通过浏览网页获取灵感。互动式设计软件可以激发新的灵感，促使设计者勇于创造出别人没想过的设计方案。

　　在我的实验室，我们做了一个互动式设计软件的工作原型。这个软件是我以前的一个学生杰夫·克卢恩开发的。杰夫和他的团队将软件做成网页并将其命名为“无尽之形”（来自于达尔文生物进化过程中的描述）。

　　下面介绍无尽之形网是如何工作的。人们养狗前先让那些具备他们想要的幼犬特征的狗杂交。无尽之形网可使用户选择他们喜欢的狗进行育种设计。换句话说，无尽之形网为使用者和交互式设计软件间提供了快速反复的交流。

　　图13–3

　　注：无尽之形网让用户可以选择他们喜欢的设计，并反复优化设计。

　　图片来源：Jeff Clune and Jason Yosinski

　　假如让你设计一个香水瓶，你不知道如何使用设计软件，你也不愿意参照现有瓶子的扫描图案进行新设计，那么你可以坐下来进入无尽之形网，点击网页上变体集中的一个原始形状，做出初次设计选择。这时，无尽之形网将注意到你的第一次设计选择，“思考”并迅速进行一些计算。然后，它会产生几个新的形状，这些形状有点儿类似于你第一次的选择。

　　接下来，你会从这一组新的形状中再次选择。无尽之形网将重复这一过程：关注你的设计选择，产生一批新形状供你挑选。最后，在经过多次快速迭代和形状选择后，你会看到一个新的设计样式。当你觉得这个设计正是你想要的设计时，保存最终设计，这时你的设计任务就完成了。

　　当杰夫和他的团队成立无尽之形网时，他们意识到他们可以亲眼看到人们的设计过程。给用户一个几乎空白的平面，他们做出一系列快速的选择后，有趣的设计就出现了。网站正式上线后，短短几个月内用户生成了超过300万个奇形怪状的物体，从蘑菇形状的灯罩、生育女神雕像到显示出幽灵般面孔的立方体。

　　当人们使用传统的设计工具时，界面和软件使人们通过自我意识塑造他们的想法。但无尽之形网用户可以通过不断点击他们喜欢的形状完成设计。快速选择然后坐下来等待的过程与计算机为用户做了大部分工作的事实使人们的潜意识似乎有了一个新的表现。

　　无尽之形网也许不是创建下一代火星探测器零件最好的设计工具。当用户带着冲动点击他们喜欢的形状进行方案设计时，设计结果可能不完美，也不具有最佳性能。作为一种新型的人机交互的早期原型，无尽之形网的价值就在于证明人机是可以进行合作设计的。

　　事实证明，让人们评价提供给他们的设计方案比让他们从头开始设计方案要容易得多。虽然你可能无法从头至尾设计一所房子，但是你很容易说出你喜欢或不喜欢一所房子。一个好的建筑师会听从你的意见和反馈，经过反复交流，设计出你喜欢的房子。人们饲养狗已有几百年的历史，却不懂动物遗传；农民在了解植物遗传学之前很早就培育出玉米了。我们也可以创造复杂的东西，而不需要了解它们是如何工作的。

　　无尽之形网展示了计算机和交互设计软件如何将一个新维度引入创造性工作中。计算机艺术先锋斯蒂芬·托德和威廉·莱瑟姆描述了一个以计算机为基础的艺术创作过程，包括两个阶段：创建和园艺。艺术家首先运用他选择的物理和生物规则，如光线、颜色、重力、成长和进化，以及他自己发明的其他规则创建虚拟世界系统。然后，艺术家在他创造的虚拟世界里变成园丁，像植物育种家培育花一样选择和培育雕塑样式。

　　形式语言：设计师与计算机无缝协同工作

　　3D打印设计中最大的挑战是如何使人类设计师和计算机创造性地、无缝地协同工作。一个相关但是可能被忽略的问题是，为了更好地发挥3D打印机的生产能力，计算机需要知道如何更好地设计形状。

　　人类用书面和口头语言从语法上分析、记录和思考现实，每种文化的语言都体现其价值和物理环境。熟练的演讲者会使用复杂的语法和丰富多彩的词汇。其他人说话时通常使用一串简单、松散的词汇，这些词语缺乏组织，语法上也不怎么通顺。

　　设计软件不用语言，而是通过捕捉和追踪描述物体的数据分析和记录外部世界。这种以数字化形式描述物体的方式，专业术语称之为“几何描述”。

　　未来的设计软件就如同孩子学习语言一样，在描述形状方面将会变得越来越流畅。孩子学习语言的成功表现为他说话流利，并对周围环境做出恰当的反应。同样，设计工具能否有效改进取决于我们能否创造出针对当前设计问题能够快速准确地改进几何表达方式的软件。

　　一些人类语言有其他语言没有的表达情绪状态或特定情况的词汇，人类语言的复杂性和可供使用的词汇数量影响语言表达内容。同样，专业设计软件处理内部几何表示的方式决定了软件控制设计的好坏。

　　当前，大多数设计软件只能使用简单的语言形式，运作起来类似传统的蓝图纸，语言简单、粗糙，登不了大雅之堂。例如，设计软件用两个词表达设计中材料的存在和不存在，即“有”和“没有”，毫无歧义。它没有办法描述物体的成长、变化或有条件的适应。如同一个讲外语的人或孩子学习他的第一个词一样，设计软件只是简单直白地表达设计形状或材料的细节。

　　除非软件设计工具更有说服力，否则我们无法充分挖掘3D打印的潜力。计算机设计形状即有几种简单的方法也有非常复杂的方法。如果必须对设计范例从最简单到最流畅和适用性最强进行排名，排名如下。

　　首先，最简单的几何表示是传统的纸质蓝图、表面网格模型或固体的几何形状。这些设计符号描述的是简单的固定形状，相当于语言中一些简单的描述性词语。

　　其次，适用性较强的是那些能够处理参数设计的软件。这些软件使用户能够定义随参数调整的通用几何形状。例如，类似锤子的形状都可以用一个几何形状来描绘，只是几何形状中把手的长度和宽度不同而已。

　　在这一点上，我们进入了未来的世界。以下几种设计语言具有高度实验性，大部分是在实验室和尖端设计实验中使用。在一种所谓的“编程式设计”的方法中，计算机把形状描述成一系列有特定顺序的步骤，有点儿像按照食谱而不是最终的外观描述蛋糕。

　　再次，就是一个比较复杂的方法，被称为“生长式系统”。按字面意思，这种系统就是按照一套既定的规则从一颗种子“长成”形状。

　　最后，最复杂流畅的未来设计形式是“即兴蓝图”。这些设计可以根据使用条件进行自身修改，就像一个雄辩家即兴在讲台上回应群众的情绪和问题。即兴计算机蓝图软件是动态的。

　　后者是大自然的杰作。植物的DNA不直接决定植物的最终形状，它只是设定了一套规则用于环境出现特殊情况时控制植物生长。

　　3D打印机问世之前，任何有关形状的复杂构想都只是幻想、理论数学和计算机图形学的素材。只有大自然才有能力把生成的蓝图变成复杂形状。随着3D打印技术的发展，这些新的设计概念将最终走出虚拟世界进入现实世界。

　　食谱式设计

　　用食谱表达未来设计软件的工作原理可能最恰当。蛋糕的食谱不会详细描述蛋糕的最终形状和成分，相反，食谱描述的是做蛋糕的一系列步骤，本质上是一个程序。

　　一个简单的食谱也可以做成一个外形精美的蛋糕。将苹果片和葡萄干洒在千层饼上卷起来烘烤就可以做出苹果馅卷饼。食谱中的步骤顺序比口头描述苹果卷饼的形状、外观和材料成分要简单得多。然而，用食谱做出食物比食谱简单的建议要复杂很多。换句话说，整体要大于部分之和。

　　苹果卷饼食谱相当于设计软件的“几何编程”或“功能表示”。几何编程需要新颖的思维方式、丰富的想象力和个性的设计师，生成的对象也比用传统设计工具设计出的对象复杂得多。

　　几何编程软件可以很容易地描绘有些许差别的重复结构和半对称结构，但大部分雷同，也可以描绘由小的子结构组成的分层结构。

　　鉴于此原因，在设计复杂的和由许多小部件组成的模型时，几何编程软件可以大大提高设计者的工作效率。例如，设计一套需要用手指点击上百万次才能完成的由极细网格组成的锁子甲，如果用传统的计算机辅助设计软件做，将是一项极其痛苦、耗费时间的工作。

　　然而，如果你使用几何编程软件，这项任务将变得非常轻松。你只需要简单地写一个“食谱”：创建一个直径3毫米、厚度0.5毫米的环，然后水平交错复制1 000次，再垂直复制1 000次就可以生成一块布。按“回车”键，你的计算机辅助设计程序会按照“食谱”生产面料。

　　如果布料的重量和密度需要逐渐变小，你可以简单地调整“食谱”。你可以告诉计算机，当复制每一行时，下一行的网格要比上一行小1%。在复制2 000行后，你还可以让每一个小网格连接处的尺寸慢慢增加0.5%。如果你愿意的话，你甚至可以改变塑料的混合程度。

　　生长式设计

　　生长式设计进一步利用了食谱的概念。不采用集中的脚本，生长式设计采用了一个种子形状和一套规则，这套规则决定形状应该如何随着时间的推移发展、变化。例如，要“长成”一棵复杂的像树一样的形状，首先你应当使用简单的“种子”：平底上的一个圆柱。其次要设立一个规则：在每个圆柱的未固定端按照字母“Y”的形状附着两个缩小10%的圆柱。使用这个规则，种子圆柱最后会长成树形。

　　图13–4生长式设计可以用于设计更具有机外表和感觉的物品

　　图片来源：Nervous System, Inc.

　　生长式设计系统现在刚刚开始商业化，其中定制项目的大部分工作都由熟练的设计师完成。有时生长式设计程序被称为“形状语法”，打印时可以生成复杂的三维图案。

　　生长式设计系统适用于不同的设计规则、基本操作、基本形状和语法等。一些人试验过使用固定的规则，另一些人使用依赖于当前形状状态的条件规则。例如，当圆柱的直径大于5毫米时，按规则要将圆柱分裂为更小的圆柱。以生物学家阿里斯蒂德·林登迈尔命名的一套规则非常出名，它能够生成植物形状和有机组织，电影和游戏中计算机合成的郁郁葱葱的自然场景都是用该规则生成的。（你不会真的认为每一棵树都是美术家画的吧？）

　　生长式设计软件可以处理半随机规则，这些半随机规则可能会导致偶然的形状变化，或者根据预先设定产生不同的结果。半随机规则将确保场景中的每棵树看起来都像一颗真正的树，同时每棵树之间也会有细微差别。与生物学不同，生成现象可以不断反复，形状也会变得更加丰富和复杂。

　　生物学中的现象是可以生成的：我们的DNA不会对我们身体的每个细胞所处位置、作用以及如何与大脑中的神经元相连进行编码。DNA也不是一旦执行就会产生一个人体的脚本。相反，DNA编码了一组规则，迭代使用于第一个生殖细胞直至形成完整的人体。

　　反应蓝图：复杂形状的自动化生产

　　用于形状描述的最复杂的语言形式就是动态的有反应的语言，我们将这种设计过程称为“反应蓝图”。这种反应蓝图使我们的设计人员能够实现复杂形状的自动化生产，这些形状会根据环境实时调整，而设计师们都不知道这些具体环境情况。

　　反应蓝图不做小物体。例如，你不能使用反应蓝图3D打印家里的洗衣机旋钮。反应蓝图可用于在未知甚至变化的环境中设计项目。

　　反应蓝图可以指引大型的水泥打印机打印出适应未知地形的房子、适应风力条件的桥梁以及适应特殊环境照明条件的灯罩。反应蓝图还将是外科手术的理想选择。也许有一天，3D打印机可以就地制造出适应每个人不同情况的生物组织。

　　设计软件执行反应蓝图时，首先需要扫描目标环境，并且能够非常准确地模拟目标环境，以便知道有哪些规则及它们何时起作用。利用这一信息，3D打印机才能生成适合特殊环境的形状，然后就可以用3D打印机打印了。

　　图13–5反应蓝图将针对环境设计出最理想的家的形状

　　图片来源：Project “DIGITAL VERNACULAR”by Shankara S. Kothapuram, Mei-ling Lin, Ling Han, Jiawei Song, part of design studio: “Machinic Control”led by Marta Malé-Alemany and taught with Jeroen van Ameijde at the Architectural Association School of Architecture,

　　当设计师准备用3D打印机打印反应蓝图时，他是不可能提前准确，知道最终设计是如何产生的，也不知道最后是什么样子。每一步的反馈都是不同的，最终设计的具体细节也在不断变化。例如，自然界中植物往往向朝光的方向生长，但是一段时间后，由于自身重量增加引起的内部压力使得它在一定高度停止生长。如果你有能力设计植物的生长，你可以设计一套规则，使植物在接触外部光线的情况下继续增长。你可以用基于压力传感器的规则调节植物的增长、控制植物的高度，这样植物就不会因为长得太高而产生内部负担。

　　如果内部和外部两套规则同时作用于不同条件下的植物，那么植物的高度和形状很可能不同。即使两个植物同时应用同一套规则，一个放在暗光灯下，另一个放在明亮的阳光下，由于它们传感器发出的反馈不同以及规则引起的反馈产生了不同反应，它们最终的外表也不一样。

　　一种设计生产多种定制产品

　　未来的设计者如何将反应系统应用于产品设计过程呢？设想一下一个灯罩蓝图是动态的。从简单的初始形状到形成最终的灯罩设计会应用一系列规则，灯罩的形状不断被细化。在计算机中，灯罩被放在一个虚拟房间的角落中，挨着一个虚拟的窗口，软件将根据虚拟窗口附近的光线水平计算并设计一个特定的形状。

　　如果你将灯罩放置在另一个不同的虚拟房间，位置接近另一个照明设备，灯罩的设计将演变成一个新的形状。通过将计算机模拟的环境暗示运用到设计过程中，反应蓝图就可以根据响应数据而非根据形状描述形成产品了。

　　一个灯罩设计可能会引发许多其他自定义的设计，每项设计适用于特定的用途，尽管如此，每个灯罩仍像森林中的每棵树一样互不相同。如果你有这种灯罩的反应蓝图，只要在设计软件中准确地模拟每个房间的光线条件，就可以给每个房间生成不同的灯罩设计。

　　会思考的打印机

　　动态蓝图进一步发展，设计反馈将直接从现实而非计算机模拟中输入打印机。想象一下，一台3D打印机会知道它需要打印什么，并将根据打印条件进行调整。对于大部分3D打印机来说，它们是“盲目的”，因为它们只知道执行指令而不知道指令能生产什么物体，这种系统被称为“开环控制”。

　　康奈尔大学的丹尼尔·科恩探索了这一想法，即3D打印机能够实时监控自己所打印的产品。丹尼尔创造了一个闭环打印机，该打印机能够“观察”打印结果并根据不同情况进行动态调整。用一些渗出材料进行打印，可能无法很好地保持形状，例如在炎热的时候用蜡进行打印，用蜡打印时，一些地方可能会因融化而与预期有所不同。这种情况下，开环控制打印机会继续工作，打印出一个畸形的物体。

　　为了纠正这样的问题，丹尼尔将光学扫描仪添加到3D打印机的顶端。本质上，光学扫描仪可以观察3D打印机是如何打印的。丹尼尔闭环控制打印机，因为有了扫描仪，所以可以检测出问题，比如蜡质产品融化变形。

　　但是，这种监测只是第一步。通过创建能够从光扫描仪读取输出结果的软件，3D打印机能够根据环境的变化做出调整。通过跟踪打印输出结果，修改设计以更正它们，并实时调整其打印过程，你可以说，这台特殊的3D打印机正在“学习”。

　　闭环打印的贡献不仅仅是监控打印品的形状。如果程序正确并给予适当的硬件传达环境反馈，闭环的3D打印机就可以监控它正在打印的材料的强度，并根据需要添加材料。智能的闭环3D打印机可以在打印材料时监测材料的导电性或弹性。事实上，使用适宜的闭环3D打印机并遵从动态的设计蓝图发出的指令，任何材料或结构属性都可以被实时测量和修改，进而制造出来。

　　改变设计工具的形状

　　首先我们塑造工具，然后工具打造我们。3D打印的设计反映了多年来物理约束的影响，类似于录制音乐打包出售。你还记得黑胶唱片专辑吗？一张唱片包含许多歌曲，每首歌曲三四分钟。因为一张唱片专辑只能容纳这么多内容，所以每张唱片大约有10首歌曲。

　　其实唱片并不神秘。没有深奥的审美理论规定艺术家必须定期推出一批大多是同等长度的歌曲，并把它们全部保存到一个已命名并用艺术封面装饰的物理存储器内。莫扎特当然不遵守这个标准。然而我们现在录制音乐的观念仍然受到已经过时了几十年的黑胶光盘的影响。

　　年龄偏大的音乐爱好者都钟爱唱片。设计师考虑的是曾经有限的计算能力和生产机器的物理限制所带来的制约。

　　我们的想象能力和3D打印实物的能力将与设计软件设计形状的能力共同发展。未来的设计工具将很直观，一些设计工具将可以对触摸、运动和环境条件做出反应。计算机将会更熟练地描述形状并有足够的智能解决我们不能解决的设计问题。

　　人类将通过输入数据或者去除不想要的设计解决方案，并提出更多令人满意的方案引导计算机的设计策略。就像斯瓦木·克里什在他的博客《生成式设计》上写的那样：“答案不在于消除人类设计师，而是在于帮助设计师管理贯穿整个设计过程的约束条件和需求。”

　　例如，在生物打印领域，血管系统还没有相应的设计软件。总有一天，医生会用生长式设计软件解决这个问题。医生不是通过直接描述一个肾脏错综复杂的分支形状设计一个复杂的血管系统，而是指定一些基本规则，然后“设计”出肾脏的血管网络，并启动生长式设计软件“生长出”一个精细的静脉网络。大自然为植物和动物创造了一系列惊人的复杂的排列“设计”，甚至包括非生命物体，如水晶和沙子的模式。我们已经可以利用3D打印机制造复杂的结构，但这些设计仍然遥不可及。

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