極小曲面造型結構設計應用研究

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極小曲面是一類非常重要的數(shù)學曲面，自1774年拉格朗日（Lagrange）最早提出極小曲面方程以來一直作為幾何學中一個重要的研究方向，得到了眾多學者的研究[1]。近年來隨著計算機技術的日益發(fā)展，使得極小曲面造型結構設計可以進一步突破數(shù)學公式理論的局限性以應用到更多領域的設計產(chǎn)物之中。通過各行各業(yè)設計實踐案例的分析和延展，對于極小曲面優(yōu)美變幻的造型和優(yōu)良的數(shù)理物理屬性所蘊藏的巨大應用潛能提出了新的思考。

一、極小曲面概述

（一）極小曲面是一個古老而有趣的研究課題，也是一類非常重要的曲面。在經(jīng)典的微分幾何理論中，極小曲面是指插值給定邊界曲線的面積最小的曲面，其平均曲率處處為0[2]。極小曲面是微分幾何領域中的一類重要的特殊曲面。從經(jīng)典的普拉托實驗了解到將金屬絲閉合成無缺口的封閉曲線，放入肥皂水溶液中后取出，在金屬絲的表面可以看到源于表面張力作用所形成的表面積最小的薄膜，如圖1。在數(shù)學上將這種表面積最小的膜稱為極小曲面。極小曲面可能在科學和工程應用領域都富有研究潛力，因此長久以來一直是很多學者研究的課題之一。Euler早在1744年就曾提出過類似極小曲面的問題，但通常認為，最早分析討論極小曲面問題的是Lagrange。他利用變分的方法將一個非線性的優(yōu)化問題轉化為了一個偏微分方程問題，并由此得到了一個二階橢圓偏微分方程。之后，幾何學家J.B.Meusnier于1776年給出了極小曲面方程的幾何解釋，即曲面上每點的平均曲率均為0[3]。繼往開來，在后續(xù)的兩百多年間極小曲面學者普遍開展了廣泛而深刻的理論探究和數(shù)學實證，在代數(shù)學、幾何學、泛函數(shù)、拓撲理論、物理學、生物學等多個學科中均有與之相關的研究，且在數(shù)學和計算機圖形學上均取得了成果性進展，為其進一步應用于廣大實踐型行業(yè)打下了極為重要的理論依據(jù)和科學基礎。（二）性質特征。1.優(yōu)美有趣的造型。極小曲面通常有著豐富而優(yōu)美的造型，因公式回環(huán)所形成的孔洞給人們帶來強烈的視覺感受和靈活多變的趣味體驗。不僅單體形態(tài)豐富、觀察角度多樣，其組合形式也多種多樣，組合效果千變?nèi)f化。集聚式的組合模型具有強大的造型潛力，如圖2。2.牢固穩(wěn)定的結構。極小曲面在數(shù)學公式推導背景的基礎下其平均曲率處處為0，這樣的曲面具有能量穩(wěn)定、勢能最小、受力條件下載荷分布均勻的優(yōu)良數(shù)理性質，使其在豐富造型的同時還因具有的優(yōu)秀力學結構性能而受到了越來越多譬如分子晶體、仿生科技、材料加工、機械制造、輪船設計、環(huán)境建筑、航空航天等行業(yè)領域的關注和青睞，如圖3。

二、極小曲面造型結構設計的實現(xiàn)基礎

（一）實現(xiàn)極小曲面造型結構的數(shù)字方法。1.計算機輔助幾何設計的進步。在金文標，汪國昭的論文中首次把極小曲面引入計算機輔助幾何設計領域（CAGD）以來，極小曲面造型問題得到了眾多研究學者的關注，在實際工程領域的生產(chǎn)實踐中具有巨大意義[4]。CAGD主要側重于計算機設計和制造（CAD/CAM）的數(shù)學理論和幾何體的構造方面，其應用于極小曲面造型的方法有兩類：一類是逼近求解，另一類是精確表示[5]。一般工業(yè)設計以及建筑設計領域中并不需要十分精確的數(shù)學意義上的極小曲面，近似求解得到的極小曲面便可以滿足設計者的要求，所以極小曲面的逼近算法的研究便獲得了很多CAGD學者的重視[2]，誕生出一系列可依據(jù)可參照的方式方法。2.參數(shù)化設計的實現(xiàn)。極小曲面的建模可以通過復雜地使用Rhinoceros+Grasshopper來實現(xiàn)。該平臺具有編程化、邏輯化、可視化、動態(tài)化等優(yōu)勢優(yōu)點，并且以編程基礎可兼容多方面功能插件，是近年來參數(shù)化設計領域一重要數(shù)字模型生成平臺[6]，其以卓越的編程軟件基礎和對于強大處理插件的包容性為極小曲面的參數(shù)化視覺表示提供了幫助。它打破了傳統(tǒng)極小曲面數(shù)字建模以圖面推演手工仿制的設計思維模式，創(chuàng)造性地將極小曲面數(shù)學邏輯結構直接介入設計可視化過程，使得上下游技術人員都可參與到這一以開放、協(xié)作為思想基礎的開放式設計之中[7]，縮短了周期，促進了最終結果的優(yōu)化生成。目前Grasshopper參數(shù)化軟件平臺上已經(jīng)研發(fā)出了成熟工具可以輔助設計師進行數(shù)學公式對應下的極小曲面視覺化處理，配合Rhinoceros建模軟件主體可以進一步完成計算機建形、找形、變形的功能，結合產(chǎn)品設計要求完成精度高、完整性好的設計產(chǎn)品，這對于極小曲面的實際應用有著巨大的現(xiàn)實意義，如圖4。（二）實現(xiàn)極小曲面造型結構的物理方法。極小曲面設計產(chǎn)品均具有曲面連續(xù)性強、曲率變化明顯、中空結構居多等特點，一些復雜形體還具有表皮鏤空的處理，應用一般產(chǎn)品加工方式很難進行加工。而3D打印技術的日益成熟在材料、尺寸、精度、可靠性方面不斷取得進步，加工方法靈活多變。3D打印材料來源多種多樣且在進一步拓展，其結合多種塑料、金屬等材料的液態(tài)、粉狀、線制等狀態(tài)進行加工，采用片層增疊的方法一體式完美呈現(xiàn)復雜形態(tài)作品，減少了材料的消耗和產(chǎn)品裝配間的容錯差值，完成度甚至可媲美古代“失蠟法”技術的復雜效果，為極小曲面產(chǎn)品的實踐落地和設計反思提供了技術保障，如圖5。

三、極小曲面造型結構設計的應用案例與前景展望

（一）以賦能造型為指引的應用案例與前景展望。1.流動造型的規(guī)律引導。基于極小曲面造型流動變化的豐富性和可塑性，產(chǎn)品設計在擺脫傳統(tǒng)幾何形態(tài)束縛的前提下開始嘗試發(fā)掘這一美妙形體賦形功能的審美特質，利用產(chǎn)品本身的流動形態(tài)屬性與目標產(chǎn)品的功能屬性相適應，創(chuàng)造性的賦予形態(tài)以新的指導，并將其連同用戶需求、情感表現(xiàn)等因素有機地結合起來，誕生出既優(yōu)化了產(chǎn)品功能屬性又滿足了用戶審美、使用、個性等要求的優(yōu)秀作品。以GyroidZonohedron極小曲面燈具為例。其通過極小曲面本身形態(tài)的規(guī)律流動使得光線可以充分且均勻地進行擴散，在滿足照明功能的同時，與情感需求、人機需求三者有機而合理地結合在一起，成為一件眾多設計師所追求的優(yōu)良設計[8]。似與PoulHenningsen的“PH”系列燈具有異曲同工之妙，它以Gyroid極小曲面為原型的設計本質充分運用了形態(tài)褶皺的流動性和韻律感，以規(guī)律變化賦能造型的方式既滿足了自然擴散、反射光線的需要，又以其本身獨特的造型形態(tài)為用戶帶來別致的場景體驗和心理感受，使得產(chǎn)品形態(tài)、功能和環(huán)境有機的結合起來，如圖6。上述案例是對于極小曲面形態(tài)的一次有趣嘗試，也客觀反映出這一形式超過視覺復雜享受之外的功能性潛能。極小曲面的多孔結構并不是無意識的，其對于空間流動管理的背后閃耀著科學的光亮：空間內(nèi)介質的流動、循環(huán)與交換促成了一系列反應作用，而空間形態(tài)的引導在這個應用機理中起到了決定性作用。似與燈具結構對于光線的規(guī)律引導實現(xiàn)了漫反射柔光有相似的應用機理，其他介質如水、空氣等也可以通過極小曲面結構，實現(xiàn)單位時間內(nèi)有效接觸面積最大的滲透性、吸附性及其他實用目的，有關極小曲面流動造型規(guī)律引導方面的探索還存在著更多的發(fā)展空間。2.有機造型的空間體驗。極小曲面有機未來的造型以及空間的流動屬性，激發(fā)了眾多設計師們探索的熱情。MINIMA|MAXIMA空間裝置在2017年世博會上首次展出，它以有機未來的造型吸引了許多游客駐足觀看并親身體驗。從游玩參觀的旁觀者到置身其中親身感受的主人公[9]，它扭轉美妙的形式結構將人們帶入了一個奇幻世界，在那里人們感受到了探索視覺漫游的樂趣和沖動。進入它就好像被運送到一個奇異的未來，一個科幻小說世界中，當人將身體依靠在基座的褶皺內(nèi)，讓身體曲線形狀與結構本身相匹配時，注意力將會從現(xiàn)實世界中轉移開來，并在內(nèi)部感受到一種身心的融合，這樣獨特的空間體驗感也正是極小曲面有機造型本身所擁有的神秘魅力。另外，這個裝置通過0.6mm超薄、自我支持的鋁板以極小曲面表面積最小的薄膜原理完成搭建，減少了材料的消耗，消除了對柱子和橫梁的需求，如圖7。如上述案例中展現(xiàn)的那樣，極小曲面有機未來的造型不僅帶給了人們奇幻的視覺體驗，更與人本身建立起美妙親切的心理聯(lián)系。這樣的非物理功能并不是極小曲面造型形態(tài)偶然閃現(xiàn)的可能魅力，這源于極小曲面背后數(shù)學邏輯本質蘊藏在自然規(guī)律、自然表達中的緊密聯(lián)系。肥皂泡的實驗即可說明極小曲面本身即來源于自然，有著天然有機的生物、物理屬性且與自然的相適性極高。在生態(tài)環(huán)境問題日益嚴峻的當今社會，極小曲面的作品一方面在建造耗材上具有更加高效的潛質，另一方面來源于自然的形象或許也可為生態(tài)文明建設注入新的心理層面的潛在影響。3.生物適配的醫(yī)學應用。極小曲面的天然本質與良好的生物適配性在醫(yī)學治療領域也具有應用空間。極小曲面開放式的多孔有機結構具有為細胞提供活動空間的同時又保持了良好的力學性能的優(yōu)勢，在人類一些組織器官，如骨剖面的微觀多孔結構中與其具有相似性。這樣的結構可為部分醫(yī)學藥物、種子細胞等提供吸附和物質交換的場所[10]，通過對于空間邊界的限制建模可以創(chuàng)造出具有極高應用價值的醫(yī)學方案模型。利用這一特質也為異性支架、靶向治療等醫(yī)學治療領域提供了新的思路。（二）以力型結構為向導的應用案例與前景展望。1.力學結構的情感化表現(xiàn)。極小曲面作為同時擁有優(yōu)美形態(tài)和優(yōu)質性能的一類曲面，一直以來廣受建筑設計師的青睞，這與建筑設計通常需要設計師同時具備良好的藝術美感和工程力學知識有著密不可分的關系。極小曲面實際多應用于局部索膜結構的表現(xiàn)之中，雖然充滿表現(xiàn)張力，但并沒有凸顯出其真正的力學結構性能優(yōu)勢，直到伊東豐雄所設計的臺中歌劇院才將這力與形的結合與統(tǒng)一感性的表達出來。臺中歌劇院作為極小曲面形態(tài)表達明確的一個代表，突破了一直以來極小曲面在建筑設計中作為膜結構的一強大找形工具的存在，創(chuàng)造性地將極小曲面形態(tài)和結構貫穿到整個設計之中，通過曲面載力凸顯出極小曲面的力學優(yōu)勢，使其真正作為建筑主體而存在。設計師完整保留了極小曲面感性有機的空間特征，并依托極小曲面奇幻有趣的空間結構賦予其合理的布置和美的意義。它不僅以情感化的曲面立構作為主框架打破了傳統(tǒng)幾何框架的束縛，且其內(nèi)部的孔洞特征模糊了空間的界限，以豐富曲面塑造了極為生動的情感力表現(xiàn)，使走入其中的人們產(chǎn)生一種獨特奇妙的情感共鳴。“聲音的涵洞”這一設計主題也將內(nèi)容主體和情感形式完美地結合在了一起，表現(xiàn)出極小曲面不同于其他框架結構的情感化表現(xiàn)優(yōu)勢，如圖8。如上述案例所示，由于極小曲面兼有的力學結構和感性曲面特質使其相較于一般幾何框架結構具有了更加豐富的情感化表現(xiàn)。這不僅是對現(xiàn)階段個性、未來、有機等潮流形式的回應，也是極小曲面內(nèi)部流動的空間于人在形式上的強烈吸引與情感共鳴。置于極小曲面所打造的情感化表達空間內(nèi)，人們可以感受到自身與環(huán)境所建立起的聯(lián)系，在空間的交錯中遇見同伴，感受整個過程的新奇和有趣。極小曲面的空間中交互行為的發(fā)生隨機自然且?guī)в袕娏业闹鲃右庾R，這種突破常規(guī)線性幾何的感性結構具有實際力學構建的基礎，于建筑設計等空間藝術領域具有更多的開拓前景。2.集聚狀態(tài)的結構式應用。極小曲面在無邊界條件的限制下可在空間內(nèi)進行無限循環(huán)式的增長，這樣的集聚式表現(xiàn)和分子晶體理論中的一些案例具有非常相似的生長模式和結構表現(xiàn)，且由于極小曲面同時具有的優(yōu)秀力學性能，其集聚式狀態(tài)在給定邊界的情況下更具有多種用途的可能。Futurecraft4D跑鞋是adidas聯(lián)合科技公司Carbon3D利用最新DigitalLightSynthesis技術帶來的一款革命性中底跑鞋，如圖9。該跑鞋的核心中底技術正是依托于分子晶體理論原型和極小曲面的集聚構成形態(tài)進行研究和設計、利用光學4D打印技術進行實際生產(chǎn)的。通過運動仿生實驗研究，人員抓取實驗者在奔跑時的腳掌受力曲線與區(qū)域應力圖，通過參數(shù)化技術的模擬干擾，對給定邊界下的結構密度進行了調整，以更好地發(fā)揮結構效能。這種結構在受到?jīng)_擊時可以為運動員提供良好的緩沖和及時回彈，創(chuàng)造了更加舒適的服務體驗。這雙跑鞋兼顧了科技、有機的未來式造型特點和良好的力學功能性，正應和了極小曲面集聚狀態(tài)結構在造型和結構雙重評價體系下的優(yōu)勢。從上述案例中進一步延伸，極小曲面的集聚式組合方式具有密度低、力學性能好的優(yōu)勢特點，若以胞元體塊的方式進行包覆和邊界化處理，以材料單元的形式進行應用，理論上具有既可實現(xiàn)原有力學性能，又達到了輕量化目的的可能。目前以蜂窩輕量胞元的蜂窩鋁材料得到了許多行業(yè)的實際應用，且取得了不錯的效果[11]，若以同樣的設計構思將極小曲面作為研究對象探討其集聚式結構在材料輕量化方向的發(fā)展，將在傳統(tǒng)的建筑建材和其他工業(yè)制造領域有著非常重要的實際意義。

目前極小曲面造型結構設計的應用一直處于探索狀態(tài)，不少領域，諸如建筑、產(chǎn)品、服裝、首飾、公共藝術等都對于極小曲面的實際應用開展了積極嘗試。然而極小曲面奇特造型和優(yōu)質結構的性質特點還存在著許多潛能有待人們?nèi)ヌ綄ぃ谖磥恚S著學科交流融合的進一步加深和生產(chǎn)制造技術的進一步升級促進，極小曲面的造型結構設計有望在個性定制、生物醫(yī)療、介質導向、空間布局、材料輕量等更多領域具有更加廣闊的發(fā)展前景。

作者:王妍 李卓 單位:武漢理工大學藝術與設計學院