Pneumatic Form——4D打印、柔性、气动、响应式设计
Pneumatic Form——4D打印、柔性、气动、响应式设计
说Pneumatic Form之前先说一下响应式设计。大家最熟悉的响应式设计一般是网页上的响应式设计，指的是网页的设计布局可以根据不同尺寸规格的屏幕进行调整，使得用户看到的画面尽可能美观和合理。如果把这个概念应用到产品/建筑上来，我们设计的产品/建筑，是否也能根据环境/用户的改变，去适应各种各样的用户的不同需求？在各种各样的环境下都能达到合理的性能？
这个概念乍一听有点像数字化设计或者参数化设计，但是参数化设计往往是根据不同的情况去产生与之对应的设计，最终产生的是多种多样的设计而不是一个设计能对情况作出响应。响应式设计当然也不是什么黑魔法，除了依赖传感器作出交互的反馈，也要依赖材料学和制造技术的发展，以及对设计师对各种各种环境的考量和洞察，以此产生的整体系统才会有比较优秀的响应能力。
Pneumatic Form指的是，这类的设计可以通过气动技术的原理，充气/放气来改变自身的形态和强度等性质，从而去适应不同环境中不同用户的不同需求。在学习的过程中，有几个概念和技术路线是比较重要的，先给大家作简单的介绍：
4D打印，区别于3D打印，多出的维度是指材料的延展性、对环境的响应，使得4D打印产生的造物具有一定的形变能力，这也让最终的产品有可能去适应不同的用户和不同的使用场景。
4D打印也有不少的类型和思路，这里我主要了解的是Liquid Print，由MIT的Self-Assembly Lab 和瑞士设计师Christophe Guberan合作，这种技术在一种凝胶液体中打印另外一种液体材料（近似硅胶），直到打印结束，再从悬浮液中取出最终产品并冲洗。速度非常快，只要几分钟就可以做一个简单的产品。最终产品对气压有着非常好的响应能力，并且呈现柔和的质感。
Pneumatic/气动
气动产品可以在不同的气压下呈现不同的形态和强度，甚至专门利用气动去设计一个软体机器人的动作和行为。这样的特性，不仅使得气动的产品的造型有非常大的可变性，能适应不同的情况；而且相比传统的基于金属或者塑料的刚体性质的产品，气动的产品有着自然的容错性和明显的人机上的优越性——更柔和、更有亲和力；另外，在当今越发重要的可持续设计的语境下，相比需要大量原料去做实体的传统产品，气动产品只需要空气，完全是可持续、可再生的，当不需要使用时，排空气体的气动产品所占体积很小，储藏起来非常轻便。
气动产品除了可以使用Liquid Print进行打印生产之外，也可以使用其他具有一定形变能力的材料，如尼龙、塑料，通过热塑的方法就可以非常方便地把两块单片材料组成一个就有良好气密性的气动单元，虽然能产生的形变有限，但是也可以大大降低制造难度和成本。当然，对特定的硅胶/橡胶类产品，用传统的模具可以大大降低壁厚，获得非常好的性能。
尝试对日本某品牌的乳胶产品进行气动实验
为了给这样的产品进行充气/抽气，我们还需要构建一套完整的气动系统，其中至少包括：气源（气泵或压缩空气）、气阀（电磁阀）、气管，当然，必不可少的是整套系统的合理的供电。这样一套元件的性能和尺寸都要相匹配。一般工作状态下，气源保持开启，而通过控制电磁阀的通断来实现充气/抽气。
由于国内并没能找到类似Liquid Print的技术，没法做产品级的验证，所以我后期的研究主要集中在了设计模拟和交互方式上。
传统产品的设计往往是静态的，而气动产品的状态是存在动态的，这对于传统的设计流程和工具来说是一个挑战。在Grasshopper中，通过Kangaroo控制网格的张力，可以近似的模拟出气动产品在不同气压下的状态；用Pufferfish通过控制每个气动单元的形态，就可以作出复杂的形变。在视频中，我演示了一个轮胎（不考虑材料）在不同气压下呈现出不同的表面形态，籍此在不同地形环境的行驶中获得舒适度和行驶效率的平衡。另一个演示的就是由一组气囊构成的气动家具，通过精确控制每一串气囊，使得家具的形态发生改变，以此适应不同体型的人的不同坐/卧的姿势。
交互方面，由于气体的体积和形态的变化是非线性的，所以我更倾向于通过自然的交互去控制一些日常的气动产品，视频中简单演示了通过Leap Motion读取一些简单的手势，去控制Rhino中的模拟以及实际的装置。通过Processing读取手的数据，利用gHowl进行Grasshopper与Processing的通信，同时也把数据通过串口发送到Arduino，用Arduino来控制电磁阀，从而实现虚拟模拟和现实装置的统一。
最终设计阶段，终于发挥“工业设计本职”，给整个气动系统设计了一个外壳，在保证进气量的同时也要保证气源的散热。
腾讯云开发者
