移植法对设计的作用<br/>——以热力学熵定律为例

移植法对设计的作用
——以热力学熵定律为例

2022-12-27吕潇然冷先平

中国建筑装饰装修 2022年20期

吕潇然冷先平*

设计是一个创造的过程，与人的思维逻辑密不可分，设计师的思维方式决定了设计实践过程和最终的设计结果。移植设计是设计思维中的一种设计方式，通过学科纵向或横向交叉，将不同手段和逻辑植入设计之中，目的在于突破固有思维模式进行设计，从而取得创新性成果。本文将分层次全面论述如何进行移植设计。

1 移植的定义与范畴

移植一词从最开始的植物学范畴引申到生命科学、计算机科学、机械制造以及自动化工程领域等。科学范畴的移植包括植物学范畴的植物移栽、生命科学范畴的器官移植、计算机科学范畴的源代码移植等。

2 移植与设计

当移植概念从科学范畴引申到设计学范畴时，指将已有的成果或者思想运用于新的设计对象，使用一种新的设计方法、方式、理念进行设计，从而取得创新性的设计成果。经过初期的项目调研和数据分析之后，便可以引入移植设计法进行设计，从设计项目的形态、色彩、结构、材料、原理入手并采取不同的方法进行移植设计，达到创新的目的。

2.1 移植设计的类型

移植设计的类型多种多样，总体分为精神和物质2 个层面。物质层面包括形态移植、色彩移植、结构移植及材料移植；精神层面主要为原理移植，或理解为思维、理念的移植，如改变设计方法、设计原理、设计理念等。在移植设计时，需选择合适的类型，以获得较好的效果。

2.1.1 形态移植

形态移植是指将对象A 的外形应用到对象B 的设计之中，通过再设计整合两种形态，讲求各个设计元素之间的协调与统一。站在使用对象的角度，所有移植设计的方式中，形态移植是最直观的方式，可直接被使用者所感知。例如，在日常生活中，方糖因为定量定容十分方便，相对散装砂糖更受消费者喜爱，拥有更好的销量。在日本东京“无印良品”第二届设计大赛中，设计师利用该原理将方糖的形态植入盐的生产过程中，将散装盐变成方形盐块，方便消费者定量食用，且能带来全新的感官体验。

2.1.2 色彩移植

色彩移植是指将其他事物具有鲜明特点的色彩移植到产品设计中，创造别出心裁的设计品，达到改善功能或吸引使用者的目的。例如，在产品包装设计中，黑白奶牛斑纹本是牛奶产品的经典包装配色，而设计师为了凸显产品的绿色无污染，使消费者在购买时有“无污染”“安全”“放心”的直观感受，将代表自然环保的“绿色”植入黑白奶牛斑纹中，形成绿色奶牛斑纹的包装设计，给人焕然一新的感受。

从图4可以看出，3种岩石单轴压缩过程中应力-应变曲线特征有所不同，在单轴压缩过程中应力-应变曲线可分为压密、弹性、屈服和破坏4个阶段。在加载初期曲线呈下凹，随着载荷增加试样内部原始节理、裂隙不断闭合曲线斜率不断增加，称为压密阶段。当载荷继续增加时应力-应变曲线大致呈线性进入弹性阶段。当继续增加载荷达到试样内部强度较低材料强度时开始屈服，此时曲线将偏离直线向下偏转进入屈服阶段。一旦应力达到试样的承载极限时，试样内部出现宏观滑移破坏，载荷随压缩变形增加而逐渐降低。

又如，传统计算机键盘设计非黑即白，给使用者刻板、沉闷的印象。德国键盘制造厂商CHERRY 推出多种键盘系列，这些系列的键帽颜色丰富多彩，深受消费者青睐。其中最具有代表性的是“彩虹”键帽和“布丁”键帽系列，分别将自然元素和食物色彩植入键帽设计中，配以彩色键盘灯光，带来奇特的视觉体验和新奇的使用感。

2.1.3 结构移植

结构移植是指在进行设计时把对象A具有优势的结构应用到对象B 中进行重组，形成具有新结构的对象C。在进行结构移植时，需要注意以下2 点。

（1）以A 事物本身所存在的问题为出发点，寻找合理的结构B 进行移植。

（2）需要广泛选取结构移植对象，被移植对象的范围除了同类事物、同一学科门类之间的纵向移植，还应留意不同事物、不同学科专业领域之间的横向交叉。

谈到结构移植，不得不提到仿生学。仿生学与其说是一门学科不如说是一门方法，其通过移植自然结构进行设计。例如，日本新干线列车将翠鸟喙部独特的流线型结构应用于车头设计，使列车高速行驶时的空气阻力减少13%，从而整体提速10%，节能15%。由此可见，合理且适当的结构移植不仅可以修复现有对象存在的设计缺陷和问题，还能够在融合两事物优势的同时，克服自身缺陷，从而设计出具有新结构的新事物。

2.1.4 材料移植

所谓材料移植，并不是凭空创造或生产一种新型材料，而是从更新产品、改良性能、节约资源、降低成本的角度出发将产品A 的材料移植到产品B 的结构中，从而创造性地设计出产品C。然而，将现有设计品材料不经任何加工直接应用于新产品的方式，只能称为材料借用而并非材料移植，对现有材料进行加工且首应用于该类产品的过程才能称为材料移植。材料的差异可以用来塑造不同的产品形态和体验，使同类产品产生差异化和创新性。

纵观家具设计史，木材曾是家具最早且最普遍使用的材料。由于传统家具过于笨重、庞大，功能单一，逐渐不能满足使用者的需求，于是20 世纪出现了第一批设计大师，他们将新时代的工业技术和审美观念相结合，设计出了适应新时代需求的家具产品。1925 年，马歇尔·拉尤斯·布劳耶设计的瓦西里钢管椅，是将弯曲的钢管这种充满新意的材料植入家具设计中代替传统的木材，该作品对新材料的移植应用启示了无数设计师。在现代社会，材料的移植设计也十分常见，如陶瓷编钟、瓷勋、瓷笛就是陶瓷材料移植到乐器上的体现，这种设计手法不仅丰富了乐器种类，也创造出了独特的乐器音色。

2.1.5 原理移植

原理移植也可以理解为思维、理念的移植。在所有移植设计的方式中，该方式难度最大，但往往呈现出乎意料的效果以及巨大的创新性。英国科学家贝弗里奇曾经说过，移植思维是科学发展的重要方法，重大发现和科学成果往往来自于移植。该观点不仅仅局限于科学领域，不同学科、领域之间的思想、原理也同样适用，可通过联想、类比找到事物共同点并以此为切入点进行理念上的移植设计[2]。

例如，著名建筑设计师扎哈·哈迪德在设计时经常将数学的抽象几何原理植入建筑设计中，将高等数学、抽象化以及曲面等高难度概念与解构主义相结合，从而设计出惊为天人的作品。拓扑学被称为橡皮膜的几何学，封闭曲面的拓扑复杂程度由亏格决定，扎哈·哈迪德曾在作品设计过程中追求数学理念上的拓扑突破，并在设计广东省广州歌剧院时引入了数学中“凸体几何”的设计概念。该方案灵感来源于卵石在河谷中被侵蚀的过程，是一种对城市文脉的探索，同时也是不同学科、不同领域原理的创新性移植范例。

2.2 移植设计的方法

移植设计的方法包括技术移植、横向移植、纵向移植、综合移植等。技术移植是指将其他学科、领域内的新科技与技术运用到产品本身或制作过程中；横向和纵向移植是指不同学科门类、专业领域以及相同学科门类、专业领域之间的移植；综合移植是指综合以上几种方式进行设计移植，这就需要设计者具有一定的整合能力，运用多种移植方法进行设计。

3 热力学熵定律在设计中的移植应用

下面以热力学熵定律为例，探讨不同学科原理在设计中的移植。熵本是物理学中热力学第二定律关于热现象不可逆的物理学概念，随着其揭示的热机原理被人们普遍接受，后来该概念又被移植到信息学、哲学、生命科学、社会学以及经济学等不同学科与领域。

3.1 熵的概念

熵是热力学中表征物质状态的参量之一，用符号S 表示，是体系混乱程度的度量。1850 年，德国物理学家和数学家鲁道夫·克劳修斯在其论文中首次明确指出热力学第二定律的基本概念，每当能量从一种状态转化到另一种状态，就会得到一定“惩罚”，这种惩罚就是损失了能在将来用于做某种功的一定能量。1865 年，鲁道夫·克劳修斯又提出熵的概念，即熵是对热系统热平衡程度的量度，或者说是对非自由能状态的量度，是不能再被转化为做功的能量总和的测定单位。1923 年，我国物理学家胡刚复将entropie 译为“熵”；阿尔伯特·爱因斯坦认为熵是科学界第一理论法则。

一切真实发生的自然过程均为不可逆的熵增过程，在一个孤立的系统中，没有外力及能量的作用下，整个系统最终走向稳定、无差别、无变化。当人们将整个宇宙看作一个孤立系统时，这个系统最终会走向稳定，向平衡状态发展，一切不对称和不平衡分布的状态终将消失，最终走向生命的终点— —回归寂寥[3]。

克劳德·艾尔伍德·香农是通信领域的创始人，他将熵的概念移植到信息论中，用信息熵来描述信息源的不确定程度。在信息论中，获取信息使系统趋向有序，系统吸收负熵；丢失信息使系统趋向无序，系统熵量增加。总体来看，负熵有利于系统趋向平衡与发展，生命作为个体生物系统从环境中吸取负熵得以存续。熵原理说明，任何一个自然进程中建立良好的负熵系统可以促使系统实现可持续发展，非物质设计以及低熵化设计可以为设计进程提供目标与思路。

3.2 将熵的概念引入设计

随着科学研究的发展和认识的不断深入，作为物理学概念的熵早已渗透到社会科学的各个领域，涉及信息论、控制论、哲学以及经济学等多个学科领域[4]。将熵的物理学概念移植到设计中可以发现，设计领域中的熵化现象反映了理性主义被逐步僵化的设计理念所限制，造成视觉心理不平衡，从而走向衰败。

尼采说，生命僵死之处，必有法则堆积。大部分事物的衰败都是由于长期故步自封以及迂腐的法则使得整个系统缺少外部刺激与活力，逐步走向平衡导致达到“最大熵”。若想使系统恢复活力，则整个系统要对抗熵增；若想对抗熵增，则需引入耗散结构。由于耗散结构具有不平衡性和开放性，可使系统减熵，因此设计时可以将该结构原理移植到设计作品中。

例如，理性主义难以克服自身程式化严重以及设计手法单一、枯燥、缺乏人情味的缺陷，从而日趋衰败。如果经常使用同样的设计方式和手段去设计不同的作品，将导致设计内容程式化、模块化严重，设计作品大同小异，逐步走向熵增。通过植入耗散结构原理，打开理性主义设计封闭的“匣子”，引入非理性主义这种新的不平衡能量，为设计作品注入活力，使得理性主义得以重生[5]。

3.3 熵化设计案例

解构主义构建了非理性主义熵化秩序，是艺术熵化的体现。在艺术设计界，解构主义发端于建筑，其重要代表人物为荷兰著名的建筑设计师雷姆·库哈斯。随着当代建筑和其他艺术的相互渗透、相互影响，解构主义很快进入服装设计、平面设计以及工业设计等其他艺术设计领域。

美国著名平面设计师戴维·卡森被评选为“美国过去20 年最具有创造力的人物”之一，其平面作品展现出类似自然界物质衰败所呈现的熵化过程。随着现代主义、国际主义风格在建筑界的流行，理性主义设计逐渐进入平面设计、产品设计以及雕塑设计等各个设计领域，简洁、理性、统一的设计成为千篇一律的设计模板。就在此时，卡森作品展示出超时代的先驱性，风格激进、手段独特，打破常规对于理性设计的定义，以往设计中充满平衡和精确性的构成主义消失不见。卡森重新解构图片和文字，以颠倒的顺序和残破的形式取而代之，各种元素无规律、无逻辑、跳跃式的浮现于纸面，甚至在印刷过程中滴落的油墨也成为别具一格的设计特征，这在当时是开拓性的设计实验，取得了巨大的反响。卡森无疑是非理性主义的先驱，他的设计打破了理性主义僵化的思维模式并为其注入了新鲜血液，使得理性主义重获新生。