增材制造思维下的中国传统陶鼓设计与实践
钦松 王毅 王紫君 宣怡潇
摘要：探究增材制造思维对陶土乐器的设计方法、生产制造和艺术创造产生的影响。文章基于增材制造思维利用参数介入、拓扑优化等数字手段开展设计实践，在3D陶土打印制造技术的支持下完成符合声学、力学等性能要求的陶鼓制造，并最终烧制完成，达到预设要求。文章提出了一种利用工程思维，结合科学思维和设计思维的系统性陶土乐器创新设计方法，将助力陶土乐器开拓出一种充满激情和幻想的新陶土乐器语言。
关键词：陶鼓 陶土乐器 增材制造思维 乐器设计 3D陶土打印
中图分类号：TS936
文献标识码：A
文章编号：1003-0069（ 2021） 03-0140-03
引言
陶鼓是人类拥有的最早的乐器之一，这种最为古老的“音乐艺术”伴随着人类的童年共同成长。中国传统陶土乐器从其产生，经历数千年的文明更迭进步，逐渐形成了独具中国地域特征的陶土乐器的“复合型”美学。这种从泥土到音乐的呈现形式，作为陶的一种多维艺术形式还将伴随着人类设计活动持续制作。
增材制造对艺术创造、设计思维、生产制造和人们的艺术审美产生了巨大影响。当下增材制造已经完成从数字设计到数字制造整个闭环构建，具有传统工艺无法实现的设计、制造优势，如参数介入、拓扑优化、3D打印等手段突破了传统工艺手段的限制，为未来带来无限的可能性[1]。增材制造思维作为一种工程思维，将为连接科学和设计思维、促进传统文化产品再创造提供一种新的路径和方法。当下随着数字核心技术纵深发展，陶土乐器在传统形式的传承，新艺术形式拓展等核心问题上，面临着理论滞后于技术的现实状况，也折射出陶土乐器的艺术语言理论的缺失。当下仅仅将增材制造作为传统制造的一个辅助环节，显然已经不能满足更深层次的需求[2]。因此需要利用增材制造的思维，以突破性的视角与思维重构传统设计思想和方法。本文利用增材制造思维作为一种系统化的协作手段，在满足陶鼓的使用功能需求和出色演出效果的外观需求下，提出了一种新的陶土乐器设计方法。
一、陶鼓的产生、发展
陶鼓是新石器时代伴随着陶制缶、瓮等食器的发展而逐渐出现的一种乐器[3]，由于用手敲击、鼓击或摩擦都可以发出声音，使人们认识到鼓腔作为共鸣体发声的道理，从出土遗存中清晰得知陶鼓的演变脉络，从自然材料的相互击打出声逐渐发展到器物体鸣发音和膜鸣发音。
体鸣发音是陶鼓的发声方式之一，代表是陶缶如图l，陶缶并不是专门的乐器，最初是新石器时代先民制造的一种陶容器，主要功能用来盛水、酒或其他食物，但缶在被有意打击的一瞬间，就已经具有了乐器的性质。正如《文献通考·乐考》记载“中虚而善容，外圆而善应，中声之所自出”。陶罐可以被敲击产生声音，与大多数其他鼓不同的是，陶罐“鼓”没有膜，声音完全是由陶罐内的空气共振产生的，这是最基本的“陶土之声”之一;伽达姆（Ghatam）是印度最古老的打击乐器之一，同“缶”发音原理一致属于体鸣陶土乐器，图2、图3是印度南部发现的一种陶罐鼓，名为Ghatam。它是一种古老的鼓，用于为卡纳蒂克古典音乐中的声音和旋律乐器伴奏。伽达姆是一个大致呈球形的陶罐，它由陶土烧制而成，这给了加塔姆独特的声音，伽达姆有很多复杂的演奏技巧，演奏者用双手、手腕、十个指关节和指甲击打壶的颈部、中心和底部。左手握住的部分是用来产生低音的，而右手的手指和指甲是用来产生高音的，发出的音响明亮而富有光彩;起源于尼日利亚中西部的侧孔壶鼓，成为风靡世界的UDU陶鼓（如图4），国内也有音译称为“巫毒鼓”。古人在传统的陶土水罐的侧面打了个洞，发现了可以产生共鸣的声音，产生了适用在宗教仪式中使用的“祖先的声音”。操作主要依靠掌心敲打鼓子L.摩擦有纹理的鼓身，或直接用手拍击，既能产生轻如气泡声的音韵，又能发出深沉还带有水的回响的独特声韵，直到今天UDU陶鼓仍然以各种形式活跃在世界舞台上。
陶鼓由体鸣乐器进一步发展到膜鸣乐器，将其蒙上兽皮变为膜鸣乐器之后，有着震撼人心的效果。我国史前膜鸣陶鼓流行的主要区域其中以黄河流域为代表，由于农业的发展，黄河流域经济文化水平明显高于其他周围地区，华夏主体地位初步显现。与之相对应的是仰韶文化、马家窑文化、龙山文化和大汶口文化等，这些文化出土的陶鼓极具代表性，都具有强烈的不同视觉符号化的呈现，含有不同地域审美，彰显特定美学思想的语言符号和独特的传统制造工艺。图5为笔者依据黄河流域分布，分别拍摄于具有地域代表性的兰州市博物馆、山西省博物馆、陕西省历史博物馆、山東省博物馆、徐州市博物馆。
二、增材思维与传统陶土乐器的关联
在人类文明漫长的发展中，陶鼓也在随着文明不断改变着自己的形态和职能。当下陶鼓是人类在听觉艺术中常常使用的一种乐器，也是文化演变的活化石。随着数字化设计核心算法逐渐完善和相关配套的数字化制造技术的不断延伸，不同的艺术形式蓬勃发展，增材制造思维在此基础上孕育而出。将推动新理论的纵深发展，也会产生新的工艺特点及美学特征[4]，给予陶土乐器“脱胎换骨”的进化可能。因此探究增材制造思维对中国传统陶鼓设计产生的影响，将为陶土乐器的创新设计寻求到了一个可以突破的发展方向（如图6）。
（一）思维方式从“单一”转向“多维”。思维方式的改变，将涌现出截然不同的设计手段、表达方式和最终呈现。传统陶土乐器的思维方式接近“线性”的思考方式，强调每一个步骤前后的关联性。而增材制造思维更接近“立体”多维思考方式。因其全程采用数字化，所以具有从底层到最终整体的紧密关联性，底层的更改可以直接致使最终形态的改变，反之亦可[5]。这种增材制造思维的“立体”的特点，也打破了传统思维定势。当复杂形态很难在设计构思阶段利用传统简单几何元素去描绘和表达时，也意味着常规手绘作业以及一般绘图软件没有能力去建构、模拟这类复杂系统，往往需要通过计算机辅助才能准确再现与清晰表达，繁复的传统制造工艺不在作为实现艺术创造的必要措施，规则形状与精密尺寸配合亦不再是传统设计所考虑的刚性约束。因此相较于传统制造方式，利用增材制造的方法通过算法优化确实更接近理想结构形态，并由此带来全新的视觉冲击。
（二）增材制造思维助力陶鼓与时俱进的进化。由于工程、科学和艺术跨学科的交融，增材制造思维和技术创造的新艺术形式，将出现有别于传统制造工艺如手工捏塑、拉坯、灌浆模具等新形式[6]。陶土乐器利用参数化与仿真等数字手段开展设计，在3D陶土打印制造技术的支持下，陶土乐器具备钝化形态外部空间的轮廓的效用，强调了内部的空间结构能力，打破了内外部空间过渡的界限。通过使用了拓扑优化等的程序算法，具有适合复杂和轻量化结构的形体，来满足符合声学、力学等性能要求，最终陶鼓能够以清晰、通透、合理的秩序性体现整体空间之美。
三、设计流程
增材制造利用数字模型、核心算法和关键3D陶土打印制造设备，将陶瓷艺术带入崭新的数字陶瓷艺术时代，數字将成为增材制造中的精确、清晰的“语言”[7]。将从传统设计、制造思路中跳脱出来，直接面向生成制造的视角，增材思维由此也将产生全新的设计方式、生产工艺、功能结构、视觉呈现，具有巨大的创造力[8]，图了为整个陶土乐器数字设计流程图。
（一）数字模型构建。文章在对史前黄河流域的中国传统陶鼓进行收集、解读的基础上[9]，基于增材制造思维，利用参数介入、拓扑优化等数字手段的开展设计实践。既要考虑陶鼓具有现场表演和渲染气氛的外形，也要具备发音功能与声学结构，于是设计方案采用八个类似外骨髂形态的肢体造型代替了鼓本身所需要的支架结构。八个外骨骼都保持中空的结构，在敲击鼓身产生震颤音时，八个中空的外骨骼会使得声音多次震颤，产生复合音效。这种中空外骨骼支撑结构，充分思考声音传送、功能结构，在设计阶段反复推敲、演算、模拟，可以依赖3D打印设备后期制作而成与传统制作方式有本质的不同[10]。建模采用Rhinoceros5中的T-Spline插件进行制作（如图8和图9），对陶鼓进行空间堆叠的方式进行设计，这种造型中空、轻量的设计可以在保证结构刚度和承载能力的基础上，具有优化分布、融合一体的优点。增材制造技术具有能够满足拓扑优化面向自由形状设计制造要求的可能，显示出相对于传统手工方式的极大优势。
（二）泰森多边形的肌理设计。泰森多边形（Voronoidiagram），是由一组由连接两邻点线段的垂直平分线组成的连续多边形组成的图形[11]。能够通过迭代、对称、螺旋等逻辑算法，引发二维、三维图形的变化。陶鼓的参数化肌理采用Rhinocer05中的Grasshopper插件完成（如图10），利用泰森多边形原理进行形态分割，将点阵随机分布密铺在陶鼓八个旋转的外骨骼和八个独立的面运算后进行整合优化。该方法可以通过参数的调节，改变多种泰森多边形形态与结构的变化，从而可以得到所需3D打印陶鼓的形态方案。
（三）数字模型切片。陶鼓选择熔融沉积技术（FDM） 3D陶土打印机完成生产制造环节，在数字模型与3D陶土打印机进行对接的过程中，需要在打印之前进行机器加工路径规划，这样的关键步骤称为切片，切片也是快速成形软件系统的关键步骤之一[12]。其工作原理是计算每一层的截面轮廓，然后有序地连接起来，得到模型在该层的截面轮廓（如图11），最后由3D打印机根据这样的轮廓线层层叠加打印。切片过程中不仅需要参数准确，也要考虑陶泥的材料特性。例如对于壁厚整体较薄且轨道角度变化大于45度的体块要采用双层打印，因为单层泥条无法承受上层泥条带来的压力，由于大于45度的纵向轨道实际打印宽度比数据小，大于45度时使用单层打印，底层没有落泥点，容易导致坍塌。
（四）3D陶土打印实验与实践。陶鼓在进行打印过程中，进行了多次的尝试。由于设计的陶鼓整体造型呈现下小上大的结构以及陶泥材料的特性特殊，无法做到迅速凝固，这样的结构由于下小上大，坡度大于45度，并且胎体单层并且较薄，在打印过程中会出现坍塌，因此采用特殊的支撑结构设计。支撑的作用类似于建筑上常用的支撑结构，作为关键的辅助结构，可以避免打印的模型塌陷。由此设计了针对性的支撑结构（如图12）并进行切片数据规划，但通过实验证明效果并不理想（如图13）。尽管采用特殊的支撑辅助，依然在关键结构处出现了坍塌的缺陷，因此放弃这种打印步骤。
由于陶鼓采用上大下小的结构并且坡度大于45度，使得（FDM）3D陶土打印机面临复杂的技术挑战。因此调整了制作步骤，重新制作切片，规划新的打印路径，更改重心翻转打印，解决了坡度导致陶鼓塌陷的问题。另外，由于陶鼓镂空结构较多，在镂空的结构打印中，使用泥条打印脆弱的镂空结构难度高，因为镂空结构所需打印泥条的用量与普通物体用量并不相同，需要不断地调整泥条挤出的用量和速度，才能保证输出的平稳打印，并且出口的泥条淤积需要及时人工处理。最终通过该方式的打印步骤（如图14），能够制作出符合设计预期的陶鼓，由此证明该打印方式合理。
（五）烧制与测音。打印成功后的陶土打印陶鼓并不能真正投入使用，因为质地脆弱强度差，无法承作为打击乐器长期使用的要求，所以最终作品采用电窑烧制，烧制规划温度800℃，材质由生泥转换为陶质（如图15、16）。此时真正可以被称为陶鼓，因为烧制导致密度增加，内部失水的同时体积也有一定缩小，晾干未烧时尺寸为21cm×21cm×23cm，初次800℃烧制后，尺寸为20.5cm×20.2cm×21cm。烧制后的陶鼓经过实际测试更耐用，而且由于质地的变化，音色能够更加响亮通透，音质效果比生泥更佳。因为设置共鸣腔和八个辅助腔，使得鼓的音量和音域较广，高中低音明确，鼓音色铿锵有力而且音色丰富，适合实际乐器演奏用，通过声音测试，达到设计最初预期。
结论
自古人们都在用双手去体验、用智慧去触摸，用传统的方式思考和感悟泥土。陶土乐器在不同的思维、技术与文化的发展过程中不断的交融、并蒂共生。“知者创物，巧者述之，守之，世谓之工”，从陶鼓的发展历程来看，每一次变革也是一次技术的升级和思维方式的改变，增材制造思维结合陶土乐器，无疑是一个很好的契机，不止是技术升级释放，也能协助设计者突破所受的限制，使人类的创作能力得到延伸。这种陶土乐器与新思维的全新融合，将助力陶土乐器开拓出新的形式语言，也能更好地满足当代陶鼓的文化传播特性。
基金项目：2020年度教育部人文社会科学基金项目《中国传统陶土乐器多维设计的文化价值考证》20YJC760074;西安理工大学教育教学改革研究项目《陶艺课程中的3D陶瓷打印技术引入研究》xjy1738。
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