“设计形态学”与“第三自然”

文/邱松 （清华大学 美术学院）

设计之树

伴随着科技快速发展和社会不断进步，“设计学”的内涵和外延也在悄然发生变化。作为设计基础研究学科，“设计形态学”理应与时俱进，与设计学保持同步发展，共同迎接未来新挑战。在客观世界中，知识的总量是固定的（人类探明、了解的知识只是很小一部分），不同学科都会根据自身需求去圈定相应的知识领域，确定其学科范围。然而，在当今创新意识驱动下，众多学科都在不断调整、拓展，并相互融合，学科边界已逐渐模糊。因此，针对新学科，确立学科的核心理念和发展目标，建构完整、科学的理论体系和方法论是至关重要的。

设计形态学-造型-设计应用

设计载体-设计过程-设计需求

非常巧合的是，“形态”不仅是“设计形态学”研究的主体，同时也是其它学科的重要研究对象，据统计约60%学科或专业研究都与“形态”相关。这也意味着，“设计形态学”只需通过“形态”这一平台，就能顺利与大多数学科进行交叉或对接，从而实现跨学科研究与融合。毫无疑问，这对“设计形态学”来说是非常利好的事情，然而也更需要该学科能尽快确立自己的研究核心与边界。那么，“设计形态学” 的研究内容都包括哪些，其核心理念和最终目标是什么呢？

一、“设计形态学”的定义和研究范围

“设计形态学”是专门针对设计领域“形态学”研究的学科。其内容主要是围绕形态的“现象-规律-原理”进行的实验性研究（探索与实证），涉及的范围既包含形态固有的功能、原理、结构、材料及工艺等“科学知识”，也囊括形态承载的视觉、知觉、心理、情感、习俗等“人文知识”。它以形态研究为基础，通过“造型”这一载体将诸多相关知识整合起来，运用“设计思维与方法”系统、科学地进行形态研究、创新与设计应用。“设计形态学”也是“设计学”重要的学术研究平台，它不仅关注以“造型”为核心的设计基础研究，也十分重视基于“造型”研究成果上的设计应用研究。此外，“设计形态学”还十分注重造型的过程研究，强调在过程中认识和理解材料、结构及工艺对造型的影响和制约，系统学习和掌握相关的理论知识和技能，并将“设计思维与方法”贯穿于整个研究过程中。通过该过程的研究与实践，既是对设计方法的灵活运用和检验，也是对生产方式的深入理解和认识。基于思维与实践并行的“设计形态学”研究，不仅有利于设计学的理论研究水平提升，更能为设计者提供源源不断的创新源泉，并为原创设计奠定坚实的基础。

通过近十年的探索、研究和反复验证，我们在“设计形态学”的研究过程中，逐渐形成了自己独特的思维方法和研究模式，并较完善地总结出了适宜于“设计形态学”研究与应用的“方法论”。该方法论与传统的设计方法论有较大差异，它不是从目标用户的“需求”或“问题”着手的，而是始于典型对象（原形态）的探索研究。通过对“原形态”的探索、求证，发现其内在规律，再经过反思、印证揭示其形态的“本源”。这一研究过程与理工科的研究模式十分接近，它是“设计形态学”研究的归纳过程，也是产生研究成果的重要环节，我们把它称之为“设计研究过程”。接下来，在“形态本源”（研究成果）的基础上经过启发和引导，进行设计的发散、衍生、优化和评估（创意和发展），最终创造出能够很好服务于人类的原创设计（新形态）。而这一过程则是理工科不太熟悉的，它是“设计形态学”研究的演绎过程，我们把它称之为“设计创新过程”。该设计创新模式与传统设计创新模式不同之处在于：“设计形态学”所倡导设计创新依托的是其“研究成果”（形态本源），进而通过联想与创新来找到最佳的“设计机会”并予以应用，而传统设计创新则是依托用户调研所获得的“信息和数据”，然后有针对性地进行设计创新，服务于用户。两种设计创新模式不是对立的，而是互补的关系。因此，设计形态学研究与应用的“方法论”由两部分构成：设计研究过程和设计应用过程，两者缺一不可。

这些年来,课题组围绕“设计形态学”展开了多种形式的学术研究和教学实践,并取得了可喜的研究成果,有力地促进了“设计形态学”的建设与发展。尽管“设计形态学”还未形成完整的理论体系,研究内容和范围也在探索之中。但是,基于对国际设计研究前沿成果的了解,以及设计同行和其它学科专家对该研究方向的肯定和期望,相信“设计形态学”会成为设计学与多学科交叉的重要研究方向。在“设计形态学”的引领下,研究工作的重心也在由“已知形态”的研究逐渐转向“未知形态”的探索,设计应用也由关注“当下设计”,转向聚焦“未来设计”。令人欣慰的是,在大家的共同努力下,已完成了众多具有前瞻性的设计课题,并屡获大奖。特别是根据当今的科技发展趋势，在“第一自然”(以“自然形态”为核心)和“第二自然”(以“人造形态”为核心)的基础上，我们率先提出了以“智慧形态”为核心的“第三自然”概念,并得到了国内外专家和学者的认同。“第三自然”不仅为“设计形态学”勾画出了未来的研究领域,还为其梳理出了未来的发展方向。

设计形态学方法论-1

设计形态学方法论-2

二、“设计形态学”与“第一自然”

“第一自然”是指我们非常熟悉，但未被人类改造的天然生态系统，俗称大自然。该系统以“自然形态”为主体，借助其内在的生态、生命之规律，周而复始地运行、调配和繁衍生息。“自然形态”不仅种类繁多，而且构成也十分复杂。为了便与研究，通常会把它分为两类：有生命自然形态（生物形态）和无生命自然形态（非生物形态）。不管哪种形态，即使外部的影响再大，它们仍会严格地遵循其内在的生命规律去生长、演化。“有物混成，先天地生。寂兮寥兮，独立而不改，周行而不殆，可以为天下母”（《老子·道德经》）。

“生物形态”是最亲近人类的形态，更是人类的朋友。“生物形态”都有自己固有的形态特征，并按照既有的生长规律繁衍、生长和消亡。一般认为：生物的“形态”是与它们的习性和生长环境密切相关的，并在进化过程中不断完善。然而，《未来简史》作者尤瓦尔·赫拉利却提出了完全不同的观点，他认为“生物都是算法，生命则是进行数据处理”。此观点也得到了生命科学专家的肯定，并给予了实例佐证。因此，“生物形态”之所以能呈现千姿百态的形态特征，其背后原因（本质规律）非常值得我们研究。

这些年来，我们针对动植物进行了多项课题研究，通过与其它学科的交叉与合作，取得了令人鼓舞的成果。例如：在研究水生植物“水葫芦”时，发现“水葫芦”的截面形状均呈“泰森多边形”，通过多种实验发现：“泰森多边形”虽然不如蜂巢的六边形漂亮，但其受力表现却非常优异，能够抵御任何方向的受力，并可呈现多样化的造型。通过进一步研究发现：“泰森多边形”实际上是“生物形态”的普遍存在形式。其原理是：众多球状细胞在有限的空间内生长，它们不断扩张、相互挤压，当彼此挤压达到极限时，便呈现出了稳定形态——泰森多边形。这种结构十分牢固，且受力极佳，是生物形态中最优化的结构之一。如果这种结构广泛应用于建筑、桥梁、机械等的结构中，不仅能够大大提升承载效能，还能使造型焕然一新。

与生物形态相对应的是“非生物形态”，尽管它不像“生物形态”那样有确定的寿命和不断生长、变化的姿态，但其存在形式也同样千变万化、多姿多彩，而且在一定条件下还能相互转化。实际上，我们所见的高山大海、沙漠平川不是一成不变的，皆会随着地球运转和地壳运动，以及日照风雨的侵蚀随时发生着变化。这些数量众多、形态各异的“非生物形态”是以十多种（已探明）不同状态存在的。通常条件下，可呈现固态、液态、气态、非晶态、液晶态这五类状态；特殊条件下，还可观察到等离子态、超离子态、超固态、中子态、超流态、超导态、凝聚态、辐射场态、量子场态、暗物质态等状态。这些非常态物质并非只呈现于实验室里，其实它们早已广泛地存在于宇宙之中！当然，“非生物形态”也有自身的“生存之道”，甚至有科学家认为“非生物”也具有生命特征，只是其生命运动的速度非常缓慢，以致难以被人类察觉。

那么，如何能将“非生物形态”的“生存之道”揭示出来，为人类造福呢？在这方面我们也做了一些探索。例如：我们曾深入进行过“风环境下沙漠形态研究”的课题。通过深入观察分析和简易风洞试验，终于发现了沙漠“典型形态”与风之间的关系，并科学地揭示了沙漠“典型形态”的成形规律。在该研究成果的启示下，还针对各种通风管孔、台风灾区建筑、汽车外置行李箱，以及各种吹奏乐器的造型进行了研究，并获得了相似的结果，从而验证了最初研究成果的可靠性。不过，这只完成了研究课题的第一部分（设计研究），研究课题的第二部分（设计应用）是在之前的研究成果上，通过设计思维进行联想、发散……最终,我们筛选出了“油烟机”设计选项，通过设计深化和样机验证，结果令人欣喜！新款油烟机不仅降低了噪音和能耗，提高了抽油烟效果，而且造型突破了传统油烟机模式，流线造型非常现代和时尚。

由于条件所限，人类对“自然形态”的认知只是极其小的一部分，而绝大多数仍未被发现、了解。宇宙中的“自然形态”可谓浩如烟海，因此，人类的科学探索之路还十分漫长，“设计形态学”研究也任重而道远。

水上建筑-1

水上建筑-2

水上建筑-3

沙丘造型

沙丘风动实验

新一代高效节能油烟机

三、“设计形态学”与“第二自然”

人类之所以能从众多生物中脱颖而出，是因为拥有其它生物所欠缺的优秀品质——创造才能。人类并不甘于顺应大自然的摆布，听天由命，而是在探索和研究“自然形态”的同时，也在不断模仿和创造与大自然不同的“人造形态”。这些“人造形态”有的是借助生物材料制作的，有的则是采用全新人造材料制造的，甚至还有用多种混合材料制造的。庞大数量的“人造形态”，逐渐构成了一个新的“生态”系统——第二自然，它为人类的生存和发展做出了巨大贡献。

“第二自然”的主角转换成了“人造形态”，它的上位历经了模仿自然、消化吸收、创新发展等阶段。人类从诞生伊始就学会了创造 “人造形态”，该过程不仅从未间断过，而且还在加速发展。“人造形态”的创新与发展得益于科技、设计创新。“设计创新”的历史几乎与人类发展的历史同步，因为“设计创新”是为了解决人类生活中遇到的各种问题和需求，从考古发掘人类早期使用的石器、陶器、骨针、洞穴等就足以证明。尽管人类早在250万年前就学会了制作石器，但“科技创新”的开启却十分滞后，而且其发展历史也较为短暂。然而，从当今社会发展的趋势来看，“科技创新”却对人类社会发展起到了巨大的作用，特别是在当今人工智能、量子工程和生物工程等先进技术激励下，“人造形态”不管是在数量上还是品质上均达到了前所未有高度。但更理想的方式是将“设计创新”与“科技创新”整合于一体，形成更强大、更紧密的“协同创新”。

从“第一自然”过渡到“第二自然”的进程中，人类经历了两次重大的变革，一次是发生在12000年前的“农业革命”，另一次是发生在距今仅200年的“工业革命”。经过两次产业革命后，特别是工业革命后，“人造形态”如雨后春笋，数量激增。“人造形态”也是“设计形态学”的重要研究和学习对象。通过研究发现，“人造形态”的主要任务如下：1、帮助人类解决基本生存问题；2、改善和提升人类有限的能力；3、促进人类进行社会交往；4、协助人类有序地管理社会；5、助力人类实现健康长寿；6、引导人类探索未知世界。由此可见，“人造形态”几乎涵盖了人类生活的各方面，目的就是服务于人类。这里需要注意：“自然形态”和“人造形态”虽然分属第一、二自然，但又重属同一个空间（仅限于地球及周边）。一方面，人类的需求欲望与日俱增；另一方面，自然生态需要平衡发展，因此，两者将不可避免地产生激烈冲突。我国古代智者很早就发现了这一严峻问题，并非常智慧地提出了“天人合一”哲学思想，这无疑为“人造形态”的发展指明了正确方向。近年来，我们的许多研究课题已开始关注“第一自然”与“第二自然”的和谐发展，如：沙漠人居改造、海洋生态建设、都市空气净化、清洁能源回收等。在该理念引导下，研究课题不仅取得了良好社会效果，还受到了专家们的好评，作品也频频获奖。如：会呼吸的灯、都市鸟岛、新型水质监测仪、Sand Babel、Coral Kaleidoscope、Earth Ring、Super Beetle、The Third Eye、Wind Capsule、Green Urban Furniture等。

研究“人造形态”不同于“自然形态”，其重点应该放在创造者的思想与理念上，否则，研究工作只能停留于事物表面，而不能抓住其实质。针对第一、二自然的研究，如同“设计形态学”的两条腿，不仅需要彼此借鉴、学习，更需要相互协调、促进。暂且不谈“第一自然”还有数量庞大的“自然形态”未发掘，由于人类的快速发展，“第二自然”中的“人造形态”正如火山喷涌，势不可挡。

可持续生态建筑系列设计

四、“设计形态学”与“第三自然”

当Alphago相继战胜世界顶尖围棋高手李世石、柯洁，并一举击败想为柯洁“复仇”的5位九段国手集体围剿后，世人真的惊愕了！以前人们还在煞有介事地喊狼来了，这回狼真的来了！人工智能（AI）真能全面超越人类吗？将来人类真会大量失业吗？此外，科学家推测，人类所能看到的物质不超过5%，剩下的是暗物质（约27%）、暗能量等，这似乎又颠覆了我们通常的认知，原来世界上还有那么多未知的东西啊！一时间，大家开始对未来感到迷茫，甚至产生莫名的恐慌。

凯文·凯利在其热销的著作《失控》中明确提出了人造物与自然生命的两种趋势：一、人造物越来越像生命体；二、生命变得越来越工程化。这无异于“点化”了第一、二自然的未来发展趋势，其主体将会由“已知形态”向“未知形态”转变。那什么是“未知形态”呢？目前还难以界定，大概是基于先进科技创造的新形态，以及原本存在，但未探明的形态，这里暂把它们统称为“智慧形态”吧。这样一来，由“智慧形态”构筑的、新的生态系统便逐渐浮出了水面——第三自然。

“第三自然”不同于第一、二自然，其主体“智慧形态”可能都是大家感到陌生和未知的形态，然而，它们却是“设计形态学”未来研究的主要对象。作为设计研究人员，工作重点不应只停留于“已知形态”的研究与应用，更应关注“未知形态”的探索与创新。因此，未来的研究方向必将聚焦“智慧形态”。“智慧形态”大体被分为两类：一类是已经存在于“第一自然”中，但人们并不了解的形态，如：暗物质、暗能量等；另一类则是源于“第二自然”，借助人工智能、生物工程、量子工程等先进技术创造的新形态，如：新的物种、量子产品等。

也许有人认为：人类对“第一自然”已经非常熟悉了。其实不然，从宏观看，面对茫茫的宇宙，人类的足迹才刚刚涉足月球，更别奢谈冲出太阳系，拥抱大宇宙了。宇宙中的物质形态和存在形式，可能是我们地球人无法想象的：黑洞可以轻易改变光的方向，中子星的密度可达到10亿吨/厘米3，超高温等离子云气包裹着星球表面，暗物质、暗能量到处充斥…… 更不可思议的是，如此庞大的宇宙，却能以非常复杂、高效而有序的系统运转着，仿佛有双隐形的巨手在超控这一切。不仅如此，科学家还发现，宇宙并非处于相对静止状态，而是在加速膨胀！那么，让宇宙产生加速运动的动能从何而来呢？这的确让人匪夷所思！即使把视野缩小到地球范围，人类认知的事物仍然十分有限，如：海洋深处、地球内部，甚至物质最基本的单位都还知之甚少。我们至今还未找到确凿的证据，并用科学的逻辑来解释宇宙、地球、生物和人类的起源，况且它们还在不断地发展、变异和进化着。将来的“智慧形态”可能与现在的“自然形态”、“人造形态”差异极大，因此，在研究“第三自然”时，需要用发展的眼光去看待事物和问题。

有现代“钢铁侠”之称的特斯拉CEO马斯克，曾与互联网少帅FACEBOOK创始人扎克伯格针对AI隔空打起了“嘴仗”。从而拉开了AI“末日论”与“光明论”的争论序幕。尤瓦尔·赫拉利在《未来简史》中曾预言：智能正在与意识脱钩，无意识但具备高智能的算法，将会比我们更了解我们自己。他甚至还认为“正如第一次工业革命使得城市无产阶级出现，人工智能的出现会出现一个新的阶层，就是无用阶层…… 随着AI变得越来越好，有可能AI会把人从就业市场当中挤出去，对于整个社会的经济和政治都产生革命性的影响”。倘若到了那一天，人类或许真的无所事事了。此外，“生命科学”发展也十分迅猛，当科学家解开基因的奥秘后，基因克隆、重组、编程等将不再是天方夜谭，而新物种、新形态的诞生也不会遥遥无期。其实，“形态学”一词是源于“生物学”的，而“生物学”也是与“设计形态学”联系最紧密的学科之一。有位生物专家告知：现代“生物学”的工作几乎都是基于“形态学”展开的，生物研究者的工作则是揭示“形态”之下的基因秘密。其实，“智慧形态”还不局限于此，近来，另一个被热议话题是“量子信息技术”，它的诞生标志着“第四次工业革命”的到来。“第四次工业革命”是继蒸汽技术革命（第一次工业革命）、电力技术革命（第二次工业革命），信息技术革命（第三次工业革命）的又一次全新技术革命。“量子”是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。绝大多数物理学家将“量子力学”视为理解和描述自然的基本理论。量子理论的提出为我们研究纷繁复杂的“形态”打开了思路，也为“形态”本质规律的研究提供了重要依据。

近年来，在“设计形态学”的引领下，我们团队的工作重心也在由“已知形态”的研究逐渐转向“未知形态”的研究，设计应用方面也在由关注“当下设计”，转向了聚焦“未来设计”。令人欣慰的是，在大家的共同努力下，已完成了众多具有前瞻性的设计课题，并屡获大奖。“第三自然”概念的提出，不仅为“设计形态学”清晰地勾画出了未来的研究对象，而且还帮助梳理出来了未来发展的脉络，并让设计研究能始终走在时代发展的前列。在先进科学技术的强有力支持下，在充满智慧的设计同仁共同努力下，相信“第三自然”将会成为“设计者乐园”和“人间的天堂”。

智慧形态与第三自然