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3D打印：从想象到现实 [:1700398836]
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获取生物数据：打印最优化产品
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大部分西方的设计历史记录都把自然和科技看成极性。自然之力是随性且不可预知的，是一种被驯服的力；设计就是从自然的混沌中进行创作的过程，将人类理性的标记印刻到原材料上。想想装饰华丽的巴洛克家具风格或是在俄罗斯东正教教堂发现的令人震惊的精雕细琢的镀金塑像。
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是的，几十年前，现代建筑就包含有机和自然启发的形状。然而，并不是每一个人都同意建筑师应扮演的创意角色，将引导和协调基于生物算法的应用当成一个设计问题。这就是生成设计之所以引起争议和破裂的原因。
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如果生成设计是使用数学法则和约束的循环从而形成3D外形和模式的过程，那么到底是计算机还是人在做设计？有一些人也许会辩解说，因为生成设计的结果是数学模型循环的产品，所以它实际上就不是设计过程了。计算机只是盲目地按照它自己的程序运行公式和数据。但是，设计这些运算规则的正是这些艺术家们。
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进化的过程“设计”了贝壳的形状，使其能够在残酷的海洋环境中生存下来，这一过程持续了数百万年，涉及数十亿次的设计循环（或产生新一代）。设计师通过计算机的计算能力、数据和3D打印技术来呈现这一进化过程。设计师能够使一套设计规则自动运行并监测由此产生的形状，使其展开成为一个模式。同时，设计师还能够应用相同的规律多次重复设计过程。设计师还可以改变设计规则，选择那些能够生成更好外观或是更有趣图形的设计规则。新技术的发展使设计师、艺术家和建筑师的水平和设计理念均获得提升。
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珍妮·萨宾是康奈尔大学建筑系的教授，同时也是一名具有开创精神的建筑设计师。她的研究涉及生物系统、计算过程以及材料结构设计三者的交叉融合。我们采访了珍妮，从而了解到更多关于生成设计过程和体系结构的知识。“近年来，建筑设计过程从构图设计转变为生成设计。”她解释道，“写作和黑客软件已成为设计过程的一部分。”
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珍妮毕业于宾夕法尼亚大学，获得建筑硕士学位，她在那里学习了6年。当她攻读学位时，她发现自己深深陷入一个不可预测的尚未开发的创作领域，那就是基于计算机的生成设计和3D打印技术。珍妮说：“生成设计最令人兴奋的一个特点就是不到最后你永远不知道结果将是什么。”
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她目前的合作研究项目之一—埃斯金（eSkin），就是使用蜂窝数据来为设计师所使用的建材提供灵感的。她和她的团队使用3D打印技术探索和捕捉基于组件的生成模型中的生物行为。我们请珍妮教授来帮助我们了解在下一代建筑材料打印中受生物学启发的生成设计究竟起了什么作用。
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“对于埃斯金项目，大量的研究工作都专注于理解建筑物在与周围环境互动和相互适应的过程中如何变得更具有生物性。”她说道。埃斯金项目的科学家们获得了大量数据，这些数据是通过团队中的材料科学家设计的工程基质上所附的人体细胞获得的；然后团队中的建筑师尝试“逆转”所观察到的行为—他们设计了算法来模拟所观察到的细胞行为和生长过程，之后团队采用这些算法来生成可大范围应用的新设计方案。
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埃斯金研究项目的研究理念就是细胞行为可以帮助人们设计出更节能的建筑材料，这些材料能够模仿细胞适应变化的环境条件。在一封邮件中，她是这样解释的：
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细胞知道如何回应并适应环境的变化。我们将捕捉它们的动作，然后数字化，并最终使用3D打印机将结果输出。3D打印机使我们可以通过实时限制材料和制作过程来探索生物的行为和过程。现在我们不太把3D打印机视为一个具有代表性的设备，而是通过使用可替换零部件来探索部分和整体的关系。
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图10–8 受细胞结构启发的3D打印产品
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图片来源：Jenny Sabin
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埃斯金研究项目属于仿生学的族群研究方法。美国自然科学作家雅妮·班娜斯认为仿生学是“学习并模仿生命设计的过程，它的创新来自于大自然的灵感”。计算机生成设计和3D打印令人兴奋的地方就在于，最终我们希望能够3D打印的形状是根据周围环境或应用最优化后的物体。
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随着技术的进步，我们继续从大自然中寻找灵感。自然界的设计代表着一种能够应对现实世界挑战的、优雅的、经得起时间检验的解决方案。2010年，建筑设计师迈克尔·珀林在TED大会的演讲中提道：“可以把大自然看作是一个产品的目录，而一切都得益于一项每年投入38亿美元的研究及其发展。”
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3D打印：从想象到现实 [:1700398837]
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响应智能设计
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在伦敦市中心的另一所建筑学院里，学生3D打印出了蜂窝结构和未来派圆顶形建筑原型。我在伦敦访问期间顺便走访了建筑联盟学院。学院与几座宏大的灰白色联排式石质住宅融为一体，距离特拉法尔加广场只有几个街区的距离。后来我得知学校在很多年前，即在伦敦房价涨成天文数字之前，就购买了这些联排住宅。学校在街区上曾经存在过的唯一线索就是悬挂在一座灰白色的石头房子上的一个不显眼的横幅。
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我早已经通过电子邮件向学院的数字化样机教授杰伦·范阿美嘉德做了自我介绍，并约好对其进行采访。我到学校的那天，长长的走廊从学校的前门延伸到了热闹喧哗的接待区，众多热切的学生们正上交他们用牛皮纸包裹好的设计作品。
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杰伦·范阿美嘉德是学院里3D设计与3D打印领域的专家。相互寒暄之后，他带我从接待区下楼梯来到了数字化样机区，它就隐藏在学校后面一片连续的、如同洞穴般的地下室。桌上摆放着几架小巧的制造机器，抽象的3D打印雕塑品悬挂在天花板上，地面上堆满了奇形怪状的3D打印设计试验作品。
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数字化样机区的房间布置并不是以教学为导向的。杰伦告诉我说，这些房间在20世纪70年代用来举办平克·弗洛伊德的演唱会。而在那之前，大概20纪50年代，建筑系学生就在现在这些打印机摆放的地方举办了摇摆舞会。
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杰伦5年前受聘来到学校教授数字化样机和设计。“我一来到这，就对这里非常感兴趣。”杰伦说，“学生们对集群计算机设计类的课程具有浓厚的兴趣和需求，而作为一个关键的设计工具，3D打印机也就理所当然地被认为是计算机设计的延伸。”
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建筑史上有两个主要的思想流派：一种认为建筑设计是一门艺术，而另一种认为建筑设计更多地结合了工程制造的分析过程。杰伦说：“计算机辅助设计课程已经教了很多年，但其中创新的一点就是在实际设计过程中，我们可以应用计算机算法来帮助我们设计和创造出新颖的结构。”
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“我刚来这所学校两三年的时候，数字化样机的理念就渗透到了每一门课程中。”杰伦说，“人们认识到设计软件和3D打印机并不仅仅是一门孤立的课程。相反，它们是另外一种工具，用来辅助所有可能利用它们来教授的其他课程。”