从涌现理论到机械臂数字制造＊——以作品“太湖石”为例

赵阳臣

（南京艺术学院,江苏南京 210000）

“涌现”（Emergency）在汉语词典中的解释为：一种从低层次到高层次的过渡,是在微观主体进化的基础上，宏观系统在性能和机构上的突变，在这一过程中从旧质中可以产生新质。这种基于逻辑规则生成复杂结果的运作方式展现出了自然界与参数化设计之间巨大的关联性，当下设计师如何有效地发挥参数化设计与数字制造技术优势，将自然界的混沌与复杂性映射到设计实践中，是一个值得探索的课题。

一、涌现理论

美国约翰•霍普斯金大学心理学教授约翰•霍兰德（John Holland）是涌现理论奠基人及遗传算法之父，他在1998年出版的《涌现：从混沌到秩序》一书中最早提出了“涌现”的概念，书中他将涌现原理描述为小事物遵循规则发展为复杂事物的现象，即自下而上由局部到整体的质变，在这个过程中系统整体出现了部分所没有的新质或者新量，而非简单线性递增叠加[1]。霍兰德在书中引用了童话故事《杰克与魔豆》来类比涌现这一现象，杰克种下魔豆的种子，种子生长成通天的藤蔓并将巨人的世界呈现于杰克眼前。这个过程点名了涌现的核心要素，即简单事物通过特定规则产生复杂结果，其中种子可理解为初始的简单事物，通天的藤蔓与巨人国可看作复杂结果，那么种子中所携带的基因便是促使涌现发生的规则。涌现是自然界中常见的现象，如鱼群的集群活动，鸟类的迁徙、蚂蚁的觅食等，都是自然界中涌现原理的体现。随着人们对自然世界认知的深入，涌现原理逐步改变了设计师看待事物的视角，即从外在表象到内在逻辑的转变[2]。

涌现原理与参数化设计有着密不可分的关系，涌现原理最核心的特征是事物遵循简单规则产生复杂结果，而参数化设计是通过逻辑算法在输入参数与输出参数之间建立关联的设计方法[3]，由定义可见两者存在巨大交集。参数化设计中有大量涌现原理的应用，无论是遗传算法的迭代优化、还是磁场算法的场域模拟，都是基于涌现原理的运算。

二、涌现的表现特征

1.随机性

涌现是局部因素之间相互影响不断推进的过程，任何小的变化都会牵动整体的状态与发展走向，虽然涌现是遵循明确规则逻辑的演进，但是过程通常复杂到无法被人们所完全理解。因此涌现所呈现的结果往往是不可预知的。

2.非线性

涌现是在复杂系统或过程中出现的、不容易通过简单线性关系来解释或预测特征或行为，这些特征通常涉及多个变量之间的复杂相互作用，其发展过程不是简单的线性累加，无法对其过程做线性的逻辑推理。

3.历时性

涌现是一个随时间不断演进的过程，所有的局部遵循特定的规则自下而上推进从而促使整体发生变化，并且在不同时间尺度下可能出现的不同特征和行为。涌现的历时性决定了涌现是不可逆的过程[4]。

4.自组织性

系统内部的局部规则和相互作用使得系统能够自主协同合作，形成整体结构或特定行为，每个局部遵循规则运作，无需外部指导或控制，在规则的作用下局部之间相互关联相互影响形成一定的秩序并促成整体的演变。

5.复杂性

涌现原理中虽然是简单局部遵循简单规则，但是局部之间遵循规则相互作用会形成复杂系统，再加上过程中的随机性与跳突性的作用，通常形式上会呈现出复杂的整体现象。

6.跳突性

涌现现象的发生通常是非线性的混沌过程，过程中不同的状态之间没有稳定渐进的过渡状态，后一个状态总是突然出现甚至发生质的改变，所以涌现的表现形式通常伴随着突变。

三、基于涌现原理的形式生成

自然界中的很多复杂形式或复杂现象的产生都来源于涌现原理，太湖石的造型生成便是涌现原理的典型体现。太湖石是我国四大名石之一，以其奇特的形态与纹理而闻名，这些形态与纹理是多方面因素共同影响产生的，风吹日晒的自然风化、水流的冲刷侵蚀、矿物质引发的化学作用等因素共同造就了每一个独一无二的太湖石造型，有趣的是经研究表明，这些自然生成的形态不仅有奇异的美学价值，也具备结构上的稳定性[5]，可见自然界生形法则是设计师绝佳的老师。

参数化作品“太湖石”便是采取了向自然现象学习的策略，在计算机中沿用涌现原理再现太湖石复杂形态，进而构建一套系统化的参数化设计与数字制造流程。该作品是2022年南京艺术学院参数化设计工作坊“机械臂数字建构”中的一组实验性创作，作品由工作坊中9位学生各自完成的雕塑单体构成。作品将太湖石作为研究对象，试图以参数化设计及当下前沿的机械臂数字制造方法模拟和再现自然界涌现原理产生的复杂形态。

作品采用了磁场算法以及ISO等值曲面算法等参数化设计中典型的涌现原理算法，核心思路是在空间范围中建立一个三维磁场，利用磁场运算找形。空间中需要设定若干个磁力点，这些磁力点具备不同的电荷参数值，正数值作为正电荷，负数值作为负电荷，所有点位置数据以及电荷数值大小等参数共同构成了区域内的一个磁场，该虚拟磁场区域范围尺寸对应现实世界中加工材料尺寸。计算机中磁场区域内任何一个点都可以和所有的磁力点发生计算并根据其独特位置参数以及与各磁力点的距离得到相应数值，这些值随位置的变化存在一定的连续性，假设可以将所有计算结果等于某个常数的点位全部提出来，会发现这些点的集合会形成连续性的曲面，这种曲面生成方法便称为ISO等值曲面，而设定的常数就是ISO值。

这种利用三维磁场进行ISO等值曲面生成的找形模式鲜明体现了涌现原理的随机性、非线性、跳突性等特征，运算中任何一个磁力点的位置或电荷数值发生变化都会改变整个磁场的状态，ISO等值曲面也会整体随之发生变化，因此虽然基于涌现原理可以巧妙地实现千变万化的复杂形态，但同时设计师很难预先判断过程中某个参数变化会带来的具体变化结果，因此需要在不断测试参数的过程中摸索规律并微调数据，使造型逐渐逼近预期范围。

基于磁场算法与ISO等值曲面算法提供了一种复杂形式生成策略，但其结果是一种单层网格曲面，如果要将其物质化，需进一步转化为有厚度可加工的三维实体。针对这个问题有多种解决方法，一是直接对网格曲面偏移施加厚度，这种方式简单直接但是会让形态呆板无趣，并且直接偏移无法保证形态还在原先空间范围内，不利于现实制造。另一种方式是将生成的ISO等值曲面作为切面将空间划分为两组体块，即场域中数值大于ISO值的点集组成的三维造型与小于ISO值的点集组成的三维造型，求出同一磁场生成的一组正负形，这种方式不足之处在于造型过于敦实缺乏灵动感，并且造型中很容易出现悬浮形态。基于形式、结构及加工等多方面因素考虑，作品中采用了第三种实体化方法：设定一个厚度参数值，通过对每个磁力点电荷绝对值加上厚度参数值和减去厚度参数值来建立两个存在差值的相似磁场，用同一个ISO值对两个磁场进行计算，加上厚度参数值的磁场生成的曲面会整体被正电荷磁力点向外排斥以及被负电荷吸引，反之则整体会被负电荷磁力点排斥被正电荷磁力点吸引，这样可以得到两组完全不相交的ISO等值曲面作为实体形态正反两面。

另一个困难的问题是如何确定两组ISO曲面之间的衔接面，也就是现实中材料块保留的外表面，由于两个ISO曲面之间不是简单的放样关系，且ISO曲面轮廓线都是细小线段，所以无法用放样处理，较好的解决方案是用两个曲面的轮廓对体块进行裁剪分割，但是分割同样面临问题就是如何对分割后的面进行保留和剔除的筛选，计算机并不能识别哪些块面是需要保留的衔接面。针对这个问题，案例中利用了ISO曲面的底层逻辑进行计算，在每个块面中设定一个随机点，计算每个点再加上厚度参数值的磁场及减去厚度参数值的磁场这两个磁场中的数值，如果其再加上厚度参数值的磁场中的数值小于ISO值并且在减去厚度参数值的磁场中的数值大于ISO值，就可以认定这个点位置在两个ISO曲面之间，进而得出该点所在块面是位于两个ISO曲面之间，反之则剔除，这些衔接面与两组ISO曲面整合最终构成了实体形态（图1）。

图1 生形图解（笔者自绘）

四、机械臂数字制造

由于参数化设计具有复杂性以及非标准化特点，需要计算机数据、材料、制造工艺之间的高度契合来实现。数字制造工艺的发展为参数化设计形态所呈现的复杂性提供了现实可能性，材料以及数字制造工艺的选择是本案例中至关重要的因素。案例中所生成的多维复杂形态对加工工艺有着极高要求，即使是3D打印这种以解决复杂形态问题见长的数字制造技术也存在打印角度限制或成本高昂等诸多问题。另一种思路是雕刻铣削等减材制造技术，具有代表性的传统减材制造工艺是五轴雕刻，该工艺虽然可以多角度雕刻但是同样存在加工角度的局限性。面对这种情况机械臂展现出了其巨大优势，机械臂可以沿曲面五轴加工，且相对于五轴雕刻具有更自由灵活的加工角度，如机械臂可以从材料下方往上加工，这是一般的五轴雕刻机无法达到的，相比而言机械臂在操作过程中有比较多的可实现性。可见机械臂铣削的多维加工特性使其成了该作品加工工艺的最佳选择。

考虑到加工所需臂展、功率及荷载，机械臂选用KUKA中的kr60-3型号，刀具选用了长度200毫米、16毫米直径铣削刀具。材料选取了密度为25K（3.1kg/m³）EPS高密度泡沫块，由于铣削刀具的长度有限以及机械臂各个角度姿态所能达到的最大铣削深度不同，加工前对方案模型进行了拆分，每块体块被拆分为三个部分铣削加工，每三个一组拼合为完整形体，这样可以大幅降低铣削所需深度，避免铣削刀头在某些角度触及不到目标区域或碰撞材料的情况。

如果以光滑表面作为铣削目标，铣削无法一次性完成，需要由粗雕到细雕进行数次铣削才能达到细腻光滑的曲面效果，方案中并没有追求完全的光滑表面，而是保留了铣削不同阶段的肌理效果，一部分单体保留了粗雕粗犷鲜明的雕刻纹理，另一部分呈现的是细腻灵动的细雕肌理，还有一部分是完成全部加工的光滑曲面，这样既展示了机械臂铣削在不同阶段的美学特征，也让作品给人一种带有过程的历时感（图2）。

图2 作品拍摄（笔者拍摄）

五、结语

从设计发展历程上看，虽然数字设计发展快于数字制造技术，很多数字设计方法还停留在虚拟设计阶段，但是整体上两者在同步推进并逐渐减小差距，不断趋近于平衡。基于涌现原理的形式生成方法为参数化设计提供了复杂形态的找形思路，打通了自然界生形法则与数字算法之间的关联。而机械臂数字制造工艺在设计领域的应用为涌现原理所衍生的复杂形式结果提供了具体的物质化方法，一定程度上填补了数字设计与数字制造之间的鸿沟。