数字科技语境下产品形态及其设计研究

左铁峰

（滁州学院 美术与设计学院，安徽 滁州 239004）

如果说互联网时代带来的是人与人、人与物之间的衔接和互动，那么数字化时代带来的则更多是实体与实体、实体与虚拟、虚拟与虚拟之间的重组、结合。数字化是信息技术发展的高级阶段，是数字经济的主要驱动力，也是人类社会迈入智能化时代的核心依据。随着新一代数字技术的迅猛发展，各行各业利用或凭借数字技术创造了越来越多新的价值，加快推动了各传统行业的数字化转型、变革与嬗变，也催生了一些令人耳目一新的行业及其业态。在产品形态设计领域中，一方面，数字样机（Digital Mock-Up）、数字孪生（Digital Twin）、数字主线（Digital Thread）等数字技术已实现将初始设计构思的产品形态在虚拟空间中仿真呈现和映射表达的同时，凭据对该设计“孪生体”（虚拟的产品形态）在设计、生产、运维中所有数据的双向、无缝式地实时分析、反馈与再造，形成了能够覆盖产品形态架构全生命周期的有效、高效、全新的产品形态设计手段与范式，即创成式设计（Generative Design）。而与数字样机、数字孪生和数字主线等技术相关的CPS系统（信息物理系统，cyber physical systems的简称），则是通过人机交互接口及网络实现了对产品形态从设计构思、虚拟构建及成品运行等进程间的同步交互，以远程、可靠、安全、协作等方式操控产品形态设计的最终达成，满足了设计效应及价值的最大化诉求。另一方面，在数字科技的加持下，作为设计对象与结果的产品形态亦出现了属性类别和价值面向的拓展与更迭。不但具有物理、化学实体属性的传统物质型产品形态被赋予了新的意涵和特质，由数字科技打造的虚拟、非物质型产品形态更是展现出区别于既往认知的独特魅力，而二者的“新面貌”必然诉诸其设计方法与策略的对应性调整和契合性嬗变，并呈现出应有的“新样态”。

一、产品形态类型的“新界定”

依循清华大学邱松教授的观点，基于现有科技成果及相关学术研究，形态可划分为元形化形态与数字化形态两个大类。其中，元形化形态是指由某种现实物理性组织构造、具有特定物理及化学属性、存在于真实世界中的现实形态，涵盖了自然形态与人工形态两大类；而数字化形态则特指由计算机数字技术引发、依托数字技术生成、现身于数字虚拟世界里的非现实形态，可称为数字形态或虚拟形态[1]。根据形态的这一分类及其意涵解析，产品形态首先应包括使用并借以一定真实物质材料及其特定加工工艺完成的现实世界中的人工形态。这类符合传统认知意义的产品形态拥有着客观、真切的空间几何属性，亦具备为我们所熟知的现实世界物质的各种特性，可称之为现实产品形态或物质型产品形态。如闻名于世的瓦西里椅，它由电镀镍钢管、皮革及其对应的弯管技术和鞣制工艺制作而成，整体尺寸79 cm×79 cm×79 cm，座面最大高度42 cm，电镀镍钢管坚硬耐磨，皮革柔软舒适，约重3 kg。其次，得益于数字科技的赋能，产品形态还应包括运用和凭据数字技术与相关手段（VR虚拟现实、AR增强现实、MR混合现实等）形成、存在于虚拟世界中，以及具有产品属性的数字形态。数字产品形态因不具有现实、物质性的实体，可以虚拟产品形态或非物质型产品形态予以冠之。鉴于目前的实践认知及元宇宙（Metaverse）的相关释义，从时空性来看，这类形态是一个空间维度上虚拟而时间维度上真实的形态，它可拥有现实产品形态的空间尺度、材料质感及功能诠释，可与现实人或虚拟人形成“全真”般的效用实施，并能与现实产品形态实现设计、生产与运维等信息的实时互动；从真实性来看，虚拟产品形态既可以是现实产品形态的数字化复制物，也可以是只属于虚拟世界的创造物，除了能“扮演”现实产品形态的“角色”，并承担其某种功效外，还可具备现实产品形态无法企及、超越的“本领”，如无需动力的车辆、持续变更材质的家具、随意变形的杯子等；从独立性来看，虚拟产品形态不仅可以与外部真实世界紧密关联，也可以是一个存在于虚拟空间中的高度独立体，拥有着自身特有的创造法则、运行规则和价值导向；从系统性来看，数字产品形态不但可以通过映射物质型产品形态而成为现实世界系统的“关联成员”，还可以与网络、硬件终端、区块链及用户等共同构建一个永续、广覆盖的元宇宙系统。对于具备如此特质的产品形态，相较基于自然、人文等科学（力学定律、心理学等）和现实生存、生活需求与真实材料及其工艺等因素与条件完成的物质型产品形态，单纯、“有血有肉”的物质性实体已不再构成产品形态的全貌，多元、多维、虚实并存的数字产品形态亦是其重要的成员之一。由此可见，在数字科技的语境下，产品形态的界定得到了从观念到认知、从理论到实践、从表象到内涵等层面的突破和拓展，形成了现实、物质与虚拟、非物质两种不同的产品形态类型，而其中的虚拟、非物质型产品形态又可依据其关联对象与价值取向区分为现实与虚拟两种不同的面向。以产品形态的设计成因视之，产品形态类型、面向的丰富与更动定然诉诸其设计内涵、表征以“新”的诠释和特质[2]48。

其一，对于现实、物质型的产品形态，从稍早期的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助制造（CAM），到现如今的数字主线技术、CPS系统等，数字科技的日新月异已令产品形态设计呈现出与数字技术的深度融合及耦合推进态势，并渐趋成为广受各方认可的常态化设计行为。循证人类科技变革的视角，相较于机械与电气化时代，信息时代出现的“设计+数字”不但为产品形态的创设提供了更为精准、科学、有效的行为依据、构建方法与实施策略，还有利于我们对产品形态的形式、功能、材料、性能和成效等设计要素予以愈加系统、理性与客观的分析、研判及预测，进而得到更趋理想且能面向全生命周期的设计结果。同时，“设计+数字”的作用和价值业已由先前的“单向、分散”逐步转变为“双向、集成”。数字科技不仅使现实、物质型产品形态的设计呈现出高效、实时与全流程的行为特质，内涵也更具数据化、精密化和高品质。而且数字科技的智能化、交互性特性更令以人为中心的设计价值追求得到了强而有力的贯彻与凸显。如我国的歼-20战机，数字研发技术的运用令该机型在设计的科学性、效率性及可靠性等方面都获得了大幅提升。其中，先进的数字化控制系统、传感系统及高度智能化的交互系统等设计构成了其战力倍增的重要内核驱动，而其连续的曲面造型、独特的鸭翼布局、均匀的迷彩隐身涂装等则展现了作为五代战机应有的“高科”表征。

其二，就面向现实产品形态创设需要的数字产品形态，因其需要与生产、供应、运维和终端间等现实要素及条件的直接“对话”，所以该类产品形态与其对应的现实形态应是一种“全真映射”关系。借鉴数字孪生的概念，现实产品形态可被称为其对应数字产品形态的“实体孪生”。就该认识视角而言，面向现实需求的数字产品形态需具备现实产品形态所需的“一切属性”，即二者在设计内容及相关指标诉求上“高度一致”，全要素、全真再现是其形态内涵与表征的关键要旨。例如，依托数字样机技术构建的数字产品形态，它与真实物理产品之间便具有1:1的比例和精确尺寸表达，其作用在于用数字样机验证物理样机的功能和性能。

其三，相较于现实产品形态及面向现实需求的数字产品形态，“专供”虚拟世界的数字产品形态则少却来自“第一自然、第二自然”的诸多“困扰”。由于完全存在于由数字技术打造的虚拟世界之中，满足元宇宙所需的“万物皆备于我”的“沉浸式专属场景”是这种产品形态创设的核心与要务。基于这一特性诉求，该类型产品形态可展现出两种不同路线的设计价值取向：一是同现实产品形态具有全真映射与交互性的方向，通过再现或辅助再现现实世界各种“既有产品形态”，以达成用户所需的“理想图景”。如采用数字孪生、VR、AR等数字技术，可令用户身着“龙袍”，端坐于“龙椅”，在恢宏的“皇宫”中，接受“群臣”的朝拜，圆一次帝王梦。二是“抛弃既有”，完全不为现实世界所“羁绊”，打造一个完全属于用户自我的“理想王国”，以“心有多大，世界有多宽”的豪气，尽情放飞、驰骋。如一趟跨越时空之旅，用户可以驾驶一种可令时间倒流的载具，而这个载具形态可以非马、非车、非船，任由想象。

二、产品形态属性的“新认知”

在数字科技的赋能下，对于现实物质和虚拟非物质两种不同类型的产品形态，以及虚拟非物质型产品形态中现实与虚拟的两种不同面向，搁置现实因素的考量，完全基于数字科技设计、生成、面向虚拟世界需求的非物质型产品形态可谓一个“全新物种”。李砚祖教授曾指出，设计是集物质与精神、科学与艺术于一体的造物活动[3]11。对于面向虚拟世界需求的非物质型产品形态，其创设虽不需要真实物质材料及其工艺的支撑，也不需要“桎梏”于力学、电力学、材料学等物质世界“定律”的束缚，但其为一定使用目的而制成的人工造物属性和与自然物具有本质区别的“文化性”尤在。根据美国心理学家赫伯特·西蒙（Herbert Alexander Simon）的观点，我们仍可以“人工物”视之，依旧可通过功能、目标、适应性等三个方面对其来表征、刻画，不仅着眼于产品形态的描述性，也要着眼于其规范性[3]13。因此，无论是面向现实需求还是单纯服务于虚拟世界的产品形态设计，均可理解与诠释为人类的一项设计造物活动。如果将现实产品形态称作人为“第二自然”中的一员，那么虚拟产品形态既可视作与“第二自然”具有交互效应与映射关联属性的“孪生体”，亦可认知为“专属”于虚拟世界、人为“第三自然”的组件，即构成元宇宙的一分子。对于元宇宙，清华大学沈阳教授给出了这样的定义：“元宇宙是整合多种新技术而产生的新型虚实相融的互联网应用所达成的社会形态，它基于扩展现实技术提供的沉浸式体验，以及数字孪生技术生成现实世界的镜像，通过区块链技术搭建经济体系，将虚拟世界与现实世界在经济系统、社交系统、身份系统上的密切融合，并且允许每个用户进行内容的生产和编辑。”[4]68就目前的相关研究进程而言，元宇宙虽仍是一个不断发展、演变的概念和构想，不同参与者会以自己的方式不断丰富着它的含义。但在元宇宙既有的各种概念阐释与构想描绘的社会形态中，还是存在着人类（人的虚拟替身或是虚拟人），也必然诉求能够满足其中人类虚拟生活、生存需要的产品及其形态，无非这种产品形态及其设计服务的人、环境及其相关系统是由数字科技虚拟的、非现实的罢了。依据技术史学者奥特加·伊·加西特（Ortega y Gasset）的技术分类，在元宇宙中，采用数字技术创建的产品形态可诠释为一种技术形态，即产品形态的设计、构架及运维等可完全由数字技术所主导，可不再由现实人直接操控，并开始与现实人相分离，有了一定的自主性。在一定意义上，这种技术形态的自主构建方式正是人类即将迈入的智能化时代所亟待解决的关键问题（信息的自主上传和获取、基于数据的机器智能决策、智能决策的落地执行等）。因此，基于数字科技的产品形态及其设计不但为现实生产、生活所需要，更为人类未来美好的生存和发展所期许。

同时，较之面向现实需求的物质型产品形态，虚拟、非物质型产品形态也并非完全的“异类”，二者的一致性在于，均为“人的本质力量的对象化”。马克思在《1844年经济学哲学手稿》中曾提出，人通过创造性的实践活动，在目的的引导下，充分调动自己的本质力量加工对象，产品就成了人的本质力量与自然物质材料的统一，成了人的本质力量的物化和确证，人可以在他所创造的产品上直观自身[5]。因此，无论是面向现实世界的物质型产品形态还是以虚拟世界为重要价值取向的非物质型产品形态，均是人在某种目的导引、驱动下完成的创造性实践活动，都在满足与服务于人的某种需求、欲求的同时，彰显着人的本质力量及其思想光辉。而就二者的差异性而言，依据李超德教授的“狭义设计学”观点，物质型产品形态及其设计主要指向的是物理维度下现实世界人的衣食住行等物质性诉求，而人的心理与精神需求满足也多建立在物质性需求达成的基础上[6]。现实世界物质的物理、化学等属性及其相关联的环境特性（社会环境、自然环境等）既是物质型产品形态得以有效架构与功能实施的基础，也是构成其实现创新及形成效应无法逾越的“障碍”和必须关注的对象；与之相对，非物质型的产品形态设计更多以人的思想与意识层面的需求（感悟、体验、审美等）为标靶。虽然基于目前的科技水平及其能力，人类进入虚拟世界尚需借助一定现实的能源与物质性的设备、场景、接口等条件，但以人工智能、区块链、拓展现实等为代表的数字科技才是其能否如期如质达成的主要构成要件，并成为衡量该项行为进程效果的“核心依据”。

三、产品形态设计的“新方略”

设计的形成、更替和演进总是与经济的发展、社会的进步、技术的革新和知识的革命等这些“外部环境”之间有一种辩证的“相互作用”关系[7]。对于产品形态设计，数字科技带来的不仅是产品形态类型的拓展与属性的变更，也不应“停留于”其创设方式、生产加工和运维手段等“工具迭代”的认知，更不应拘泥于其设计的行为情状、实施机理及流程形式等“表征变革”的判断，而应理解、践行为数字科技赋能后的重装上阵和全新演绎，关涉到产品形态设计从构思创意、生产实施至途径策略等一系列的内容、对象和层面。

对于产品形态设计，传统意义上的设计灵感和创意构思既可源于主动设计理念导引下设计者思想的厚积薄发或基于职业敏感的矛盾化解，也可表现为用户某种需求和体验的被动式回复或响应[8]52。无论是主动还是被动式的设计缘起，对于相关矛盾、需求的化解和响应，常常都会受制于设计者专业能力或既有认知的局限，一定程度的主观性、偏颇性甚至狭隘性往往是无法克服和有效避免的。同时，产品形态的生产加工、经营销售及用户端的评价反馈等，也多处于设计行为的发生之后，存在着某种事实上的信息延迟和滞后，难以形成及时、动态的设计信息交互与实时、有效的设计调整跟进。在数字科技的发展与推动下，世界已经进入信息—物理—机器—人类（Cyber-Physics-Machine-Human，CPMH）四元空间。四元空间让共创汇聚的大数据成为无限分享、无限增值的创新资源，数字化、网络化、智能化造就了设计制造、经营服务、消费应用的新格局[9]122。在四元空间及其新格局中，产品形态创设所需的素材原型、资源条件、实施技术及后期运维等，均呈现出前所未有的“量”和“质”的提升与飞跃。

首先，对于产品形态的设计创意构思端，蕴含丰富资源的四元空间大数据及其归类、分析、筛选后获得的海量“矛盾痛点”、相关条件信息及参考案例等，已令设计的创意活动不再为某个设计师的“专属”或是某个设计团队上演的“独角戏”。“个体创意”正衍化为“群智创意”，而与之相对应的“个体设计”亦为“群智设计”所更替，智能设计、网络交互设计、全球协同设计等渐趋成为设计萌发新点子、新构思与形成新举措的新途径和新范式[9]123。相较于传统“点对点”“点对链”形成的设计创意构思，“群智创意”的代表性、可行性及典型性令其拥有着无与伦比的合力优势、面向效应与实践可行性。强大的数字科技可谓为产品形态设计觅得了相对精准的着力点、科学的施力方向和具有普适意义的价值圭臬，令设计及其行为的伊始便越发地呈现出理性、客观与全面。在“群智创意”实践中，作为直接“操刀者”的设计师，不再是集创意、构思与实施等于一身的“全能者”，而是以信息发布、资源统筹、综合研判及决策定案等“新”的角色出现。基于数字科技的“群智创意”不但满足了用户对产品形态个性化、定制化的需求，更能调动、激发最大范围“有志之士”的积极投入与广泛参与，以“创意共塑”的途径和方式，最大程度地提升设计创意构思的“群体认同感”。如主营创新汽车和飞行器设计研发的美国洛克公司（Local Motors），该公司突出特色便是“让顾客自己设计生产”。这种能够精准把握用户多元个性需求的协作设计方式可视作“群智创意”的典型案例；而戴尔公司的Idea Storm平台上更是聚集了全球的软件设计爱好者，采取全程线上交互模式为其非物质型IT产品提供优秀的设计构思方案，其创意的产生、协调、优化及定案等皆来自网络社区，成功达成了由“创意共塑”到“价值共识”的设计目标。

其次，就产品形态的设计架构生产端而言，数字孪生技术与数字主线技术可谓异军突起、成效显著。对于物质型产品形态，数字孪生技术可以理解为产品形态的“虚拟初创”，表现为产品形态的数字化构建与虚拟化呈现。它是通过与外界传感器的集成，反映产品形态从微观到宏观的所有设计特性，展示的是产品形态设计研发阶段完整的演进过程。当然，这其中也包括通过VR、AR和MR等数字技术手段虚拟获得的产品形态生产加工系统（生产设备、生产线等）和使用运维系统（应用场景、运行条件等）。其核心目的与价值在于，让设计者能够在“全真、全要素”条件下相对全面、科学地审视和研判产品形态设计中存在或可能发生的各种问题，以便给予实时、有效的对策性设计调整。而作为与数字孪生技术密切关联，并在其基础上延伸、发展出来的数字主线技术，则是将数字孪生技术生成的产品形态全三维模型设计参数，传递到数字化生产线，加工制成具有现实属性的产品形态，再通过在线的数字化检测、评价系统，把出现的“相关问题”反馈到产品形态全三维模型的设计优化中，形成“虚拟初创”与实际生产的双向沟通和同步交互，进而达成设计与生产各个环节的协调一致。通过数字主线技术，设计者对产品形态设计与其生产的当前及未来各项指标均能做出动态、实时的评估判断与相应调整，进而为决策者提供覆盖产品形态设计和生产全生命周期的信息，实现了设计与生产之间的“无缝衔接”，提高了设计的科学性与可行性，形成了设计架构与生产实施彼此耦合的智能闭环。中国最新型的055型驱逐舰、075型两栖攻击舰和094型核潜艇等具有高品质与高技术的形态特质，均获益于数字孪生技术和数字主线技术赋予设计与生产的巨大效用和价值。基于数字科技，产品形态设计不再是“就设计论设计”的“一元”行为，而是一项设计端与生产端深度融合、高效协同的系统工作，系统中各要素既彼此依托贯穿，又互为条件制约，达成的是一种“群元协造”的设计样态，远非各行其是、各司其职式的传统产品形态设计与制造所能媲美，彰显的是数字科技给予现代设计产业和制造业的高度智能化、体系化魅力。就产品形态的物象及其生产属性而言，数字孪生技术主要完成的是设计者“思维意象”的“数字物象”映射和呈现，“思维意象”是数字孪生技术的核心“复刻对象”；而数字主线技术则重在架构数字孪生技术生成的“数字物象”与其生产、运维“现实实体”间的双向互动关系，“数字物象”及其对应的“现实实体”是该技术的重点“工作对象”。以设计程序及其表征析之，数字孪生技术与数字主线技术实现的是“思维意象”、“数字物象”及“现实实体”等几种产品形态之间的交互转化、调整分析与提升完善，行为涵盖了预想构思、虚拟呈现与现实制造等产品形态设计流程，展现的是实时互动、彼此关联、无缝高效的“闭环”设计样态。对于非物质型产品形态，特别是虚拟面向的类型，因其不涉及物质性的现实生产，依托数字技术的“虚拟创设”即可认知为“设计生产”，所以设计者的“思维意象”与“数字物象”之间的互联、互动便构成了其设计工作的“全貌”。

再次，产品形态能够达成其既定的功效价值是衡量其设计品质的主要与关键依据之一[8]55。对于具有现实属性的物质型产品形态，其功效价值是通过产品形态与人在物质、信息与能量交换的物理进程中得到具体昭示与体认的，而相关物理进程展开、推进及实施的成效，则在一定程度上取决于其设计品质的几何[2]53。或可言，在产品形态达成功效价值的物理进程中，进程系统中的各个要素均可成为制约、左右其设计的关照对象和重要条件。如手机操作界面的字体需要依据用户的视觉能力，可以进行“个性设置”；智能家居产品应能够根据用户“语音命令”，开展相应的“工作”；炒菜机器人会迎合不同用户的口味，调整各种调料的用量等。上述的个性设置、语音识别与调整用量等“产品职能”均会诉求产品形态的设计给予某种内涵及形式的体现和响应。而基于数字科技的CPS系统作为计算进程和物理进程的统一体，它是集计算、通信与控制于一体的下一代智能系统。该系统可通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环，以深度融合和实时交互的方式与形式来增加或扩展相关对象功能，并凭据网络化空间，以安全、可靠、协作等方式检测或者控制一个物理实体[4]69。对于产品形态设计，CPS系统在对产品形态进行全程、动态、实时操控与评估中“发现”的各个维度矛盾，都可成为其设计需要面对和解决的问题或思忖的要点，进而实现能够覆盖产品形态全生命周期的“多维回溯+合力共建”的设计效用，形成“群维”的设计方法与策略，以设计不断调整、演进的智能闭环方式，达成设计品质的日臻完善。相较于现实物质型产品形态，对于非物质属性的虚拟产品形态，由于其创设与价值达成的全程均置于数字科技营造的“虚拟环境”之中，省去了外界感知、深度融合计算及相关现实因素考量等环节的“干扰”，设计工作的矛盾、问题主要见于人机互动、区块链和扩展现实等技术领域，因此设计“群维共建”的回溯点和发力点虽然减少了，但工作效率却会随之而得到提升。

四、结语

数字科技给予产品形态及其设计的效应和价值是多视域、多渠道、全方位的。在数字技术的支撑、助力下，产品形态的类型、面向不但得到了丰富与拓展，其属性也获得了诸多新的诠释与解读。更为重要的是，基于数字科技的关联效应，产品形态设计不仅要面临人们思想意识、社会观念、经济模式以及人们具体生存、生活方式等外部宏观与微观条件的嬗变，更需直视因产品形态自身类别与属性变更而引发、出现的设计维度、方法策略及价值取向等方面的契合性衍化。由数字科技发展形成的“群智创意”“群元协造”“群维共建”的“群利设计”样态，既是一种产品形态设计及其关联系统所有对象“利益”都能得到统筹与兼顾的设计方法，也是一种可以对目标系统及其诸要素均能达成“利益”的设计策略，是一种得益于数字科技赋能的“全新”产品形态设计样态。对于这种“全新”设计样态，设计的思维架构、生产物化与运维反馈等，均实现了由相对单纯的现实性向虚实相融、耦合的数字化转型。产品形态设计的数字化转型，不只是设计者面对新科技引发人类生存条件、生活状况嬗变所采取的积极应变举措，更是对构建人类未来新型社会形态所做出的有效策略回应，满足信息化及智能化时代人类高品质的生存、生活需求。