传统工艺与现代科技相融合推进天然材料的创新型研究

李盈

摘要：伴随着新兴技术的发展革新，天然材料在人们生活中的使用方式逐渐发生了变化。这种变化引导我们重新审视和寻找传统工艺与现代技术在天然材料加工利用过程中新的结合点。因此，文章从天然材料的形态、智能交互和结构特征三个角度着手，分别探讨其与现代物理、数字、生物技术相结合运用的实际案例，充分体现天然材料的优势特征，并总结归纳设计方法。最后，文章深入探究了天然材料在造型、表现和功能上实现更多新型材料特性的技术创新方法。

关键词：天然材料 传统工艺 现代技术 材料特性

中图分类号：TB47

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2019）05-0082-02

Abstract：With the development and innovation of new technology，the way of using natural materials in peoples life has changed gradually.This kind of change leads Us to re-examine and look for the new combination point of traditional technology and modern technology in the natural material processing and utilization process.Therefore，in order to fully reflect the advantages of natural materials and summarize the design method，this paper discusses the application of natural materials with modern physics，digital and biotechnology from three aspects：their form，intelligent interaction and structural characteristics.In the end，this paper probes into the technological innovation methods of realizing more new material characteristics in the shape，performance and function of natural materials.

Keywords：Natural materials Traditional technology Modern technology

Material characteristics

引言

天然材料随着时代的进步千变万化，但是其重要性始终没有改变。天然材料从用作I具到将其转化为构建新型物质世界的基础和助推器，与人类的发展是密不可分的。从史前时期延伸到信息网络快速传播的现今，都离不开对品类繁多的天然材料的使用。天然材料以种类丰富、可再生、可持续的特征，在当下被广泛的结合现代科技技术再开发、再利用，目的是为了探索其广泛新型的材料属性。设计师、科学家运用先进的科学技术以及传统的加工手段与科学技术的融合，不断探索出天然材料特有的物理特性与化学特性，设计并制造出新型特性的物质载体，指引着天然材料未来的发展方向和应用趋势。其主要意图是为了顺应当今生态保护以及循环经济的环保概念，采用可再生资源代替日益枯竭的不可再生资源，持续减少不可降解材料在人类生活中的使用比例，结合科学技术提高在加工过程中对天然材料的利用率，对天然的废弃材料进行二次设计与制造，不断挖掘天然材料的表现力，使其自身潜力在人类发展进程中得到最大程度的发挥。

一、天然材料與传统工艺的关系

追溯材料的发展史可以看到，材料与技术是密不可分的，技术的发展不断实现了材料新型的应用创造的可能。天然材料更是如此，法国工业创新中心（CCI）前负责人弗朗索瓦布尔卡特，在谈到法国玻璃艺术中心时说道，“与现代机械化企业实现批量生产的期望相反，后现代化（或后工业时代）的生产方式需要的是一种能够制造一切的交叉技能，包括手工制作和机械化生产之间的互补”。[1]布尔卡特的话不仅仅只适用于玻璃这种天然材料，对于传统技术工艺重新思考与回归，适用于各种天然原材料，例如陶土、竹、木材、纸、棉等材料。

传统工艺与现代生产技术的互补融合，不断赋予了这些天然材料更多新型的材料特性。这一切的协同效用，都是对基于天然材料在传统技术工艺中体现的原始自然特征认知。因此，对天然材料的传统技术工艺的重新思考，旨在为深入研究新型天然材料特性提供最根本的技术手段及数据支持。

（一）什么是天然材料？

天然材料是指大自然所以提供的材料。人们对原始天然材料设计加工，是将这些经过初级加工或者深度加工过的天然材料进行利用和制造产品，最终目的是为了满足人们的使用需求。

原始天然材料需要经过不同程度的加工处理，才能被使用。加工处理过程分为初级加工、深度加工，“初级加工就是指经过切割、打磨等手段轻度加工而制成的并被利用在设计中的天然材料，加工后天然材料仍然保持自身机理与色彩;深度加工是指在初加工的基础上通过技术手段更为精细完善化的加工处理，使材料具有更高的附加价值。”[2]因加工工艺不同，天然材料的外部特征产生了丰富多样的材料特性，分别从形态、色彩、纹理、质感等方面发生了变化。

下面以木材为例，经过不同的加工工艺制作，木材所呈现出得材料特征：（如图1）木材经过切割、清理枝叶，所呈现出来的还是近乎于原始的状态;（如图2）中所呈现的，木材被作为建筑材料，经过深度的加工处理，按比例切削、打磨、抛光、干燥、表面处理等加工流程;（如图3）则是用热弯成型工艺制作，不断挖掘木材物理特征的多样性。

从以上的形态变化可以看出，随着加工工艺的深入，天然材料的材料特征不断地被开发并展现出其自身的物理特性。这种加工过程不仅挖掘出了天然材料的更多自然属性，也为设计造物提供丰富的想象力。

（二）天然材料的传统工艺

传统工艺是采用天然材料制作，通常以保持材料的天然品质为前提，材料经过完整的加工工艺流程，最后着眼于对材料的物理特性：韧性、弹性、刚性、惰性等的把握和利用。“中国的传统工艺可分为工具器械制作、农畜矿产品加工、雕塑、营造、织染绣及服饰制作、陶瓷烧造、金属采冶和加工、编织扎制、髹饰、家具制作、造纸、印刷、剪刻印绘、特种工艺及其他，14大类。大类之下有门类、门类之下有种类，如此构成三级分类体系。例如，工具器械制作大类之下，又分工具、农具、机具、仪表、车辆、船只、乐器等门类;工具门类之下又分斧、凿、锯、钻、绳墨等种类。”[3]

这些传统工艺都与民众的衣食住行、日常起居、民俗民风，以及社会经济文化发展息息相关。南京大学历史学系教授徐艺乙指出，“传统手工艺从古人的生产生活中诞生，由传统工艺品构成的和谐空间体现了中国人的审美观和价值取向，在今天，值得人们去理解和传承。”人类在长期的生产生活实践中，不断地积累了对各种天然材料特性的认知。利用材料的特性，不断地挖掘传统的造物工艺，逐渐形成了庞大的传统工艺制作体系。如用陶土烧制陶器，用瓷土烧制瓷器，陶瓷则以这两种不同质地的黏土为原料，重新配料烧制而成。人们通过加工制作掌握了天然材料原始特性（高温干燥烧制成器物）之后，利用加工工艺的实践过程，直接利用原材料进行加工处理，从而衍生出了各种天然的合成材料。正如《考工记》中记载，“天有时、地有气，材有美，工有巧。合此四者，然后可以为良”。传统工艺的巧妙之处，是人们在实践中不断积累对天然材料特性的认知，利用加工工艺，对天然材料的进行合成再加工，构建了完整的造物体系，也体现“工巧材美”的艺术价值、人文价值以及历史价值。

二、现代科技对天然材料的传统工艺的影响

任何一个新技术的发展不能脱离已有的技术孤立发展，与原有技术互相补充是基本的发展理念。新技术与传统工艺不是取代的关系，而是结合的关系。本章节将根据实际案例，针对天然材料的形态与技术、智能交互以及结构特征进行论述。

（一）天然材料的形态与技术

“传统制造技术和手工艺制造的产品形状有限，制造形状的能力受制于所使用的工具。例如，传统的木质车床只能制造圆形物品，制模机仅能制造模铸形状，轧机只能加工用铣刀组装的部件。3D打印技术的出现，突破了这些局限，开辟了巨大的设计空间，甚至可以制作目前可能只存在与自然界中的形状[4]。”

以天然材料中的玻璃为例，它是石英砂、石灰石、碳酸钠和钾混合产生的天然材料，由于其材料天然属性，呈一种玻璃态的无定形形态。玻璃可以模塑，成型，吹塑，电镀或烧结。从古埃及制珠成核工艺的发现，到罗马时代金属吹管的发明，到现代工业皮尔金顿制造大型平板玻璃的工艺;玻璃技术的每一次新突破都是由于长期的实验和独创性而产生的。G3DP项目是Mediated Matter的团体，正与麻省理工学院机械工程系，威斯研究所和麻省理工学院的玻璃实验室结盟共同研发精密玻璃的3D打印工艺。该项目G3DP是一种用于打印光学透明玻璃制造平台。该平台基于双加热室概念，上室为窑，下室为降温退火结构，采用天然玻璃材料和传统工艺的加工原理，创造出了一种适合玻璃材质的3D打印空间，并生产出具有众多潜在应用的新型玻璃结构和形态[5]。

传统工艺的一体化改良也是G3DP项目中凸显的制造工艺，基于传统工艺对玻璃材料特性的认知，将传统的制造技术与3D打印技术进行整合设计，实现了技术革新，同时打破了材料的造型局限，通过层叠赋予玻璃材质更为丰富奇特的光影效果和复杂的内在结构。在G3DP项目中，传统工艺与新技术的结合所产生的技术创新，不仅展现了材料的多样性，更凸显了设计的创新性。产品造型（如图4、5）所示。

（二）天然材料的智能交互

纸是在传统工艺上由天然植物纖维经排水作用后，在帘模上交织成薄页揭下干燥厚的成品。[6]纸是书写、印刷的载体，也可以作为包装、卫生等用途，都是人们现在生活必不可少的天然物质。纸作为天然材料，也是材料学科中最有前景的分支之一。

来自麻省理。工学院Marcelo CoehI教授的“纸喇叭”该项目是基于纸浆的计算一用一种纸张构建计算机框架，在造纸过程中，通过纸张嵌入电活性油墨、导电线和智能材料，创造了无缝符合材料，这种材料能够支持无处不在和普片计算中新的意想不到的应用领域，而且成本低廉，并且利用了天然材料持续循环可再生的特性。设计师Hannah Perner-Wilson基于此项研究，使用各种材料包括：铜带、导电纺织品和导电油墨等，创造了一系列纸制扬声器。纸上电子为我们提供了便宜又灵活的的电子产品，通过展现材料的本质，把我们从预先设定的约束终解放出来。

纸作为传统材料结合了智能材料，变成了可用于交互领域的新型材料。纸不再停留于传统用途，纸变得更加智能。案例中的技术革新，也由改变传统工艺的源头衍生至传统材料与新材料的融合创新。产品造型（如图6、7）所示。

（三）天然材料结构性能的改变

木材是最常见的天然材料，它以其资源丰富、可再生、可降解、易加工等特性也受到设计师与科学家的青睐，是为了不断的研究木材的更大范围被使用价值及功能特性。天然木材作为一种低成本和极具研究价值的材料，被用作建筑和家具的结构材料已有数千年的历史。然而，天然木材的机械性能（其强度和韧性）不能满足许多先进的工程结构和应用。

美国马里兰大学科利奇帕克分校材料科学与工程系胡良兵教授带领团队，设计研发出了一种超级木头，通过在NaOH和Na2SO3的含水混合物中的沸腾过程从天然木材中部分去除木质素和半纤维素，随后进行热压，导致细胞壁的完全塌陷和天然木材与高度一致的纤维素纳米纤维的完全致密化。这种策略被证明对各种木材都是普遍有效的，该加工木材具有比大多数结构金属和合金更高的比强度，使其成为低成本，高性能，轻量级的替代品[7]。