论4D打印技术助推文创产品记忆属性设计开发

    

    

    

    摘 要：随着社会经济与科技的发展，文化创意产业逐渐兴起，融入时间维度的4D打印技术崭露头角。设计创新的新时代背景下，文创产品设计开发的发展、行业现状及发展趋势如何？最新打印技术的原理和发展、4D打印技术的应用该何去何从？本文从文创产品如何获得新生、新技术对文创产品创新的影响、文创产品记忆属性开发的意义等方面展开分析，提出將4D打印技术与文创产品设计相结合的思路，为文创产品设计指引新的道路。

    关键词：4D打印;文创产品;记忆属性;设计开发

    1 文创产品设计开发

    近年来，人们的生活水平不断提升，越来越追求生活品质，文化更加受到关注和重视，文化创意产品逐渐被公众广为知悉。文化创意产业是我国新兴行业，纵然有几千年的文化底蕴和广阔的市场，大多数文创产品的创新之路依然曲折与艰辛。[1]文创产业是我国文化软实力的重要标志，也是地域文化的象征，是社会文明程度和人类审美认知提升的产物。[2]首先，文创产品应体现其文化价值，传达地域文化、民族文化、历史文化等的精神，对文化的深度挖掘与整合应该是其设计开发的起点和动力;其次，产品必须拥有基本的功能性和美观性，才能吸引消费者的注意力，文创产品的功能设计、造型设计、色彩设计和工艺设计都应符合大众的审美观念;最后，文创产品要实现经济价值，应结合新时代的特征，通过多种渠道加以开发，增强“互联网+”的意识，使文创产业实现可持续发展。

    故宫博物院依托自身文化底蕴设计了一系列文创产品，许多都是成功的案例。例如，由洛可可设计公司设计的“故宫平安猫”形象（如图1所示）、以藏品《千里江山图》为依托设计的水晶镇尺（如图2所示）、以藏品介绍为主题的《故宫日历》（如图3所示）、以后宫服饰为外观、从红色国宝器物提色的故宫口红（如图4所示）等。最近火爆的故宫口红的设计中已经结合了新的3D分层打印技术，新兴技术在文创产品设计中的作用日益呈现。

    文创产品作为文化传承的一种载体，践行让文物“活起来[3]、动起来”的使命，将文化与大众生活真正衔接起来。新时代下，经济高速发展，国家开始重视文化软实力建设。如何通过文创产品的设计开发与实现，更好地完成提升文化价值、促进文化传播的任务，是文创行业文创产品设计工作者们应该重视和研究的问题。运用新的技术是丰富文创产品、促进文化传承的必要手段。

    2 4D打印技术的发展

    2.1 从3D到4D

    3D打印，又称增材制造，出现于20世纪80年代，基于离散、堆积原理和计算机控制技术实现多种方法和多种材料的形体塑造。在3D打印技术的影响下，产品的生产方式、美学属性、造型与结构都发生了深刻的变革。3D打印技术使产品在设计范畴、设计观念、设计核心问题等方面突破了传统的认知藩篱。[4]4D在3D空间三维立体的基础上增加了时间维度，即随时间变化而改变的时间性。随着Einstein提出的“四维时空观”不断被实验证实，三维空间和一维时间的时空连续区概念越来越清晰，在智能可编程材料技术、多学科性能与功能综合的多相材料打印技术等的发展背景下，4D打印技术也初露头角。从3D打印掀起私人订制、实现创意独特化的热潮，[5]到4D打印进入人们的视野，影响了产品的设计与发展。

    在3D打印方兴未艾之际，4D打印已悄然进入人们的视野。4D打印是在3D打印的基础上增加了第四个维度——时间，通过软件设定模型和时间，使产品在相应的时间或随着环境的变化而自动变形成相应的形状。[6]2013年2月，在美国举行的技术、娱乐、设计（TED）大会上，麻省理工学院的研究人员Skylar Tabbis将一根含有吸水性智能材料的复合材料管放入水中，这根管子自动扭曲变形成“MIT”字样的形状，这是4D打印技术的首次公开亮相。随着4D打印技术的不断发展成熟，应在各个领域结合该技术开发新的创意，促进各领域向前发展。

    2.2 4D打印的应用发展

    4D打印在记忆材料的基础上，通过设计师和编程人员对产品的深入设计，可以使产品做到特定条件下的预期变化。因此，4D打印下的产品创意更丰富，种类更多样，性能更多变。运用4D打印的随时间改变而变形的物体将改变产品的属性和工艺，开创产品的全新形式，可以想象，如果产品能根据环境变化重新配置，或者在出现故障或受损后自行修复，科幻电影《变形金刚》中的情景将成为现实。2017年2月，麻省理工学院的一个科学家团队借助3D打印技术，在打印之后对原有物体进行转化，生成了一种强度比钢高10倍而密度只有钢的1/20的新型轻质材料，使4D打印成为打印历史上的又一个里程碑。[6]

    国内4D打印技术研究起步较早的单位有清华大学、西安交通大学、华南理工大学、上海交通大学等高校。鉴于4D打印的特点，其应用领域必将日益广阔。西安交通大学的卢秉恒院士课题组，制造了金属复合材料（IPMC）智能结构，通过对加载电压的控制实现了结构对时间变形，填补了只能制备片状IPMC的空白，并将其应用于微创手术器械的多自由度操作臂研制。2018年，第四军医大学唐都医院通过与西安交通大学在4D打印技术上的合作，成功完成了一例4D打印气管外支架手术，宣告4D打印进军医疗界。同年，中国香港城市大学的吕坚教授研究组采用复合弹性体陶瓷材料，实现了陶瓷折纸结构的打印和陶瓷4D打印，通过一种自动拉伸装置，使3D打印的基底拉伸产生预应力，再利用预应力的释放，使主体结构产生变形。

    首都经济贸易大学的李岩博士在《4D打印：梦想照进现实》一文中设想了4D打印在军事领域、公共领域和医疗领域的应用。中国地质大学的信辰星等论述了4D打印在可穿戴首饰服饰领域的运用，提到了波士顿珠宝工作室制造的4D打印首饰和服饰，如裙子、领带、项链（如图5所示）、耳环和手链等。[7]而从4D打印技术的现状来看，其在航空航天、生物医疗、汽车工程、柔性机器人等领域均具有广泛的应用前景，如“翼展自适应机翼”“可变形卫星天线”“高生物相容性的医疗支架”“骨损伤自适应支架”“可变形记忆合金轮胎”“智能材料汽车外形”“柔性医疗机器人”“柔性仿生机器人”等。[8]

    4D打印技术的研究成为热点，未来对智能构件建模、智能材料等的研究是重点问题，以具体应用需求为目标导向的研究思路将推动4D打印技术的快速发展。

    3 4D技术下文创产品的市场前景

    3.1 4D技术下文创产品设计行业的新生

    习近平总书记曾说“不忘历史才能开辟未来，善于继承才能善于创新”，强调“中华优秀传统文化是中华民族的‘根和‘魂”。在文化傳承、让文物“活起来”等的引领和驱动下，文创产品的设计越来越受到重视。对于文创产品设计师而言，如何在开发文创产品物质功能的同时更好地传承文化、讲述历史，是一个值得思考的问题。

    普通产品不仅具有物质价值，还有精神价值，不仅要满足功能需求，还要注重用户体验。相比之下，文创产品更加侧重于精神价值（文化价值），功能往往是次要的。如果使文创产品蕴含历史文化，也就为产品注入了活的灵魂，会使消费者获得一种全新的体验;如果使设计的产品能传达历史文化，体现一种象征，讲述生动的故事，会使人获得精神上的满足。静态的设计围绕素材展开思考，提炼适合设计目的的设计元素，通过产品的造型形态向使用者传递思想。动态的设计则更像是在讲故事，能让使用者参与和互动，随着时间和环境的变化呈现不同的形态，通过连续的形态变化，故事性地讲述产品要传达的信息，给人以惊喜。4D技术的发展有助于动态设计的发展，其与文创产品设计的结合将推动文创产品设计行业的新生。

    在4D技术的应用下，文创产品设计行业将从传统设计逐渐走向成熟，解决传统制造中的一些技术难题，释放设计师的艺术设计思维，走向高端复杂工艺设计，增添文创产品的创意性和智能性，形成创意设计、技术与服务综合的全新文创产品设计行业，给传统的文创行业带来颠覆性的影响，提供全新的发展机遇。

    3.2 文创产品记忆属性开发的价值和意义

    文物的核心价值是其具有的历史文化价值，这个价值集中体现在文物能够见证历史、以史鉴今、启迪后人。[9]文物具有历史、艺术、科学三大价值，在关注科学价值和艺术价值的前提下，应更好地挖掘文物的历史文化价值。随着VR和AR技术的应用，通过虚实结合、实时交互、三维沉浸式体验等形式，使文物的历史文化价值得到了一定程度的展示，拉近了人们与文物的距离。文创产品也是文物传播历史文化的载体之一。传统文创产品多为旅游商品的形式，随着文创产品行业的发展，其产品形式也逐渐多样化，如故宫口红等生活日用品。如何使文创产品更好地融入我们的日常生活、以更自然持续的方式与我们互动、传达历史文化与精神、更好地记录文物的发展历史，是值得我们深思和开发的。

    现代的生活用品，通过历史追溯赋予产品生命，可以起到记录历史、展示历史、传播历史的作用。利用4D打印技术的时间维度，开发具有记忆属性、拥有生命的文创日用产品，是我们应该思考和发展的方向。拥有记忆属性的文创产品在历史文化的传承中能够发挥更大的作用，产品本身随着时间的变形过程就是讲述历史的过程，有助于大众更多地了解历史、学习历史文化。除通过提取文化元素进行造型设计而得的静态叙事文创产品，借助4D打印技术的文创产品，其设计方向和角度更加开阔，可以通过动态叙事的形式优化使用者的精神体验。

    部分文化属性本身就难以通过静态的产品做到完整的传达，需要通过动态产品来展现。结合4D打印技术的产品本身就是动态的，产品的记忆（下转第页）（上接第页）属性可以展示历史的演变，可以进行古今的对比。文创产品拥有了记忆，就仿佛为历史文化插上了翅膀。博物馆不是天天去，但结合日用品的文创设计可以天天见。拥有记忆的文创产品便拥有了生命，可以科幻式地与使用者产生交流互动。在文创产品的使用中，人与产品经常互动、彼此了解，加深了文化认识。因此，文创产品记忆属性的开发具有极高的文化传承价值和重要的创新发展意义，4D打印将是文创产品记忆属性开发的助推器。

    3.3 4D文创产品的市场及影响

    在万众创新、日新月异的今天，创意成了消费者追逐的潮流，结合新技术的创新文创产品设计更能抓住新时代消费者的心，随时间变形的创新体验也使产品更具吸引力，更有消费市场。4D打印的文创产品除其本身的产品功能外，由于其具有的记忆属性，又使其增加了一项辅助学习历史文化知识的功能，因此，在4D文创产品设计开发中，可以考虑面向中小学生的产品设计开发。中小学生市场本身就是巨大的，由此可见，4D打印新创产品的市场将是广阔的。

    4D打印的另一个显著优势便是对传统工业的影响。4D使设计师的艺术设计思维更加发散，产生更有创意性的文创产品，使产品更具吸引力，促进市场销售;对于影响产品抢占市场先机的生产周期问题，4D打印使设计者、生产者融为一体，实现了“见设计即见产品”，相较传统“设计—试制—调整—量产”的生产流程简化了很多，缩短了生产时间;生产成本方面，4D打印技术和材料的成本更高，但会大大减少生产人工成本，产品的创意价值也更高;高要求和特殊属性的4D打印纳米材料在循环性、利用性和环保性方面，较传统工业材料都有所增强，更有助于保护环境。

    随着4D技术的不断发展和进步，其应用领域不断扩大，文创产品中引进4D技术将不再遥远，4D文创也将推动文创产品市场跨越式发展。

    4 结语

    本文在前人相关研究的基础上，分析了文创产品设计行业的现状及发展趋势，介绍了4D打印技术的发展及应用，通过跨学科的研究，创造性地提出将4D打印技术与文创产品设计相结合的思路，从设计行业、产品属性和市场影响等方面论述了这一研究思路的意义和价值，为文创产品设计指出新的道路，但所提思路还不够具体和完善，有待进一步的深入研究。在新技术不断发展的时代，跨学科的新技术研究和产品设计，有望成为一个新的研究领域。

    参考文献：

    [1] 葛佳琪，于炜，王婷.故宫文创产品设计解析及借鉴意义研究[J].设计，2018（05）.

    [2] 王鑫.文创产品设计探索与产品开发[J].大众文艺，2018（12）.

    [3] 李梦柳.让文物“活起来”——浅谈新时期博物馆文物宣传策略[J].文物鉴定与鉴赏，2018（06）.

    [4] 何志明. 3D打印技术对产品的影响[J].包装工程，2018（5）：188-193.

    [5] 昌进，李心.创意产品的4D打印[J].包装世界，2018（03）：18-20.

    [6] 魏星.四维打印[J].中国科技术语，2017（03）.

    [7] 信辰星，赵彤，穆宏赫，等. 4D打印在可穿戴首饰服饰领域的运用[J].宝石和宝石学杂志，2018（05）.

    [8] 宋波，卓林蓉，温银堂，等. 4D打印技术的现状与未来[J].电加工与模具，2018（06）.

    [9] 马浩嘉.浅析新时代文物的历史文化价值及其传播创新[J].科技风，2019（01）.

    作者简介：闫胜昝（1978—），女，河北石家庄人，博士，南京工程学院副教授，主要研究方向：工业设计，产品结构设计，材料与工艺。