傳統工藝與現代科技相融合推進天然材料的創新型研究

李盈

摘要：伴隨著新興技術的發展革新，天然材料在人們生活中的使用方式逐漸發生了變化。這種變化引導我們重新審視和尋找傳統工藝與現代技術在天然材料加工利用過程中新的結合點。因此，文章從天然材料的形態、智能交互和結構特征三個角度著手，分別探討其與現代物理、數字、生物技術相結合運用的實際案例，充分體現天然材料的優勢特征，并總結歸納設計方法。最后，文章深入探究了天然材料在造型、表現和功能上實現更多新型材料特性的技術創新方法。

關鍵詞：天然材料?傳統工藝?現代技術?材料特性

中圖分類號：TB47

文獻標識碼：A

文章編號：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

天然材料隨著時代的進步千變萬化，但是其重要性始終沒有改變。天然材料從用作I具到將其轉化為構建新型物質世界的基礎和助推器，與人類的發展是密不可分的。從史前時期延伸到信息網絡快速傳播的現今，都離不開對品類繁多的天然材料的使用。天然材料以種類豐富、可再生、可持續的特征，在當下被廣泛的結合現代科技技術再開發、再利用，目的是為了探索其廣泛新型的材料屬性。設計師、科學家運用先進的科學技術以及傳統的加工手段與科學技術的融合，不斷探索出天然材料特有的物理特性與化學特性，設計并制造出新型特性的物質載體，指引著天然材料未來的發展方向和應用趨勢。其主要意圖是為了順應當今生態保護以及循環經濟的環保概念，采用可再生資源代替日益枯竭的不可再生資源，持續減少不可降解材料在人類生活中的使用比例，結合科學技術提高在加工過程中對天然材料的利用率，對天然的廢棄材料進行二次設計與制造，不斷挖掘天然材料的表現力，使其自身潛力在人類發展進程中得到最大程度的發揮。

一、天然材料與傳統工藝的關系

追溯材料的發展史可以看到，材料與技術是密不可分的，技術的發展不斷實現了材料新型的應用創造的可能。天然材料更是如此，法國工業創新中心（CCI）前負責人弗朗索瓦布爾卡特，在談到法國玻璃藝術中心時說道，“與現代機械化企業實現批量生產的期望相反，后現代化（或后工業時代）的生產方式需要的是一種能夠制造一切的交叉技能，包括手工制作和機械化生產之間的互補”。[1]布爾卡特的話不僅僅只適用于玻璃這種天然材料，對于傳統技術工藝重新思考與回歸，適用于各種天然原材料，例如陶土、竹、木材、紙、棉等材料。

傳統工藝與現代生產技術的互補融合，不斷賦予了這些天然材料更多新型的材料特性。這一切的協同效用，都是對基于天然材料在傳統技術工藝中體現的原始自然特征認知。因此，對天然材料的傳統技術工藝的重新思考，旨在為深入研究新型天然材料特性提供最根本的技術手段及數據支持。

（一）什么是天然材料？

天然材料是指大自然所以提供的材料。人們對原始天然材料設計加工，是將這些經過初級加工或者深度加工過的天然材料進行利用和制造產品，最終目的是為了滿足人們的使用需求。

原始天然材料需要經過不同程度的加工處理，才能被使用。加工處理過程分為初級加工、深度加工，“初級加工就是指經過切割、打磨等手段輕度加工而制成的并被利用在設計中的天然材料，加工后天然材料仍然保持自身機理與色彩;深度加工是指在初加工的基礎上通過技術手段更為精細完善化的加工處理，使材料具有更高的附加價值?！盵2]因加工工藝不同，天然材料的外部特征產生了豐富多樣的材料特性，分別從形態、色彩、紋理、質感等方面發生了變化。

下面以木材為例，經過不同的加工工藝制作，木材所呈現出得材料特征：（如圖1）木材經過切割、清理枝葉，所呈現出來的還是近乎于原始的狀態;（如圖2）中所呈現的，木材被作為建筑材料，經過深度的加工處理，按比例切削、打磨、拋光、干燥、表面處理等加工流程;（如圖3）則是用熱彎成型工藝制作，不斷挖掘木材物理特征的多樣性。

從以上的形態變化可以看出，隨著加工工藝的深入，天然材料的材料特征不斷地被開發并展現出其自身的物理特性。這種加工過程不僅挖掘出了天然材料的更多自然屬性，也為設計造物提供豐富的想象力。

（二）天然材料的傳統工藝

傳統工藝是采用天然材料制作，通常以保持材料的天然品質為前提，材料經過完整的加工工藝流程，最后著眼于對材料的物理特性：韌性、彈性、剛性、惰性等的把握和利用?！爸袊膫鹘y工藝可分為工具器械制作、農畜礦產品加工、雕塑、營造、織染繡及服飾制作、陶瓷燒造、金屬采冶和加工、編織扎制、髹飾、家具制作、造紙、印刷、剪刻印繪、特種工藝及其他，14大類。大類之下有門類、門類之下有種類，如此構成三級分類體系。例如，工具器械制作大類之下，又分工具、農具、機具、儀表、車輛、船只、樂器等門類;工具門類之下又分斧、鑿、鋸、鉆、繩墨等種類?！盵3]

這些傳統工藝都與民眾的衣食住行、日常起居、民俗民風，以及社會經濟文化發展息息相關。南京大學歷史學系教授徐藝乙指出，“傳統手工藝從古人的生產生活中誕生，由傳統工藝品構成的和諧空間體現了中國人的審美觀和價值取向，在今天，值得人們去理解和傳承?！比祟愒陂L期的生產生活實踐中，不斷地積累了對各種天然材料特性的認知。利用材料的特性，不斷地挖掘傳統的造物工藝，逐漸形成了龐大的傳統工藝制作體系。如用陶土燒制陶器，用瓷土燒制瓷器，陶瓷則以這兩種不同質地的黏土為原料，重新配料燒制而成。人們通過加工制作掌握了天然材料原始特性（高溫干燥燒制成器物）之后，利用加工工藝的實踐過程，直接利用原材料進行加工處理，從而衍生出了各種天然的合成材料。正如《考工記》中記載，“天有時、地有氣，材有美，工有巧。合此四者，然后可以為良”。傳統工藝的巧妙之處，是人們在實踐中不斷積累對天然材料特性的認知，利用加工工藝，對天然材料的進行合成再加工，構建了完整的造物體系，也體現“工巧材美”的藝術價值、人文價值以及歷史價值。

二、現代科技對天然材料的傳統工藝的影響

任何一個新技術的發展不能脫離已有的技術孤立發展，與原有技術互相補充是基本的發展理念。新技術與傳統工藝不是取代的關系，而是結合的關系。本章節將根據實際案例，針對天然材料的形態與技術、智能交互以及結構特征進行論述。

（一）天然材料的形態與技術

“傳統制造技術和手工藝制造的產品形狀有限，制造形狀的能力受制于所使用的工具。例如，傳統的木質車床只能制造圓形物品，制模機僅能制造模鑄形狀，軋機只能加工用銑刀組裝的部件。3D打印技術的出現，突破了這些局限，開辟了巨大的設計空間，甚至可以制作目前可能只存在與自然界中的形狀[4]?！?/p>

以天然材料中的玻璃為例，它是石英砂、石灰石、碳酸鈉和鉀混合產生的天然材料，由于其材料天然屬性，呈一種玻璃態的無定形形態。玻璃可以模塑，成型，吹塑，電鍍或燒結。從古埃及制珠成核工藝的發現，到羅馬時代金屬吹管的發明，到現代工業皮爾金頓制造大型平板玻璃的工藝;玻璃技術的每一次新突破都是由于長期的實驗和獨創性而產生的。G3DP項目是Mediated Matter的團體，正與麻省理工學院機械工程系，威斯研究所和麻省理工學院的玻璃實驗室結盟共同研發精密玻璃的3D打印工藝。該項目G3DP是一種用于打印光學透明玻璃制造平臺。該平臺基于雙加熱室概念，上室為窯，下室為降溫退火結構，采用天然玻璃材料和傳統工藝的加工原理，創造出了一種適合玻璃材質的3D打印空間，并生產出具有眾多潛在應用的新型玻璃結構和形態[5]。

傳統工藝的一體化改良也是G3DP項目中凸顯的制造工藝，基于傳統工藝對玻璃材料特性的認知，將傳統的制造技術與3D打印技術進行整合設計，實現了技術革新，同時打破了材料的造型局限，通過層疊賦予玻璃材質更為豐富奇特的光影效果和復雜的內在結構。在G3DP項目中，傳統工藝與新技術的結合所產生的技術創新，不僅展現了材料的多樣性，更凸顯了設計的創新性。產品造型（如圖4、5）所示。

（二）天然材料的智能交互

紙是在傳統工藝上由天然植物纖維經排水作用后，在簾模上交織成薄頁揭下干燥厚的成品。[6]紙是書寫、印刷的載體，也可以作為包裝、衛生等用途，都是人們現在生活必不可少的天然物質。紙作為天然材料，也是材料學科中最有前景的分支之一。

來自麻省理。工學院Marcelo CoehI教授的“紙喇叭”該項目是基于紙漿的計算一用一種紙張構建計算機框架，在造紙過程中，通過紙張嵌入電活性油墨、導電線和智能材料，創造了無縫符合材料，這種材料能夠支持無處不在和普片計算中新的意想不到的應用領域，而且成本低廉，并且利用了天然材料持續循環可再生的特性。設計師Hannah Perner-Wilson基于此項研究，使用各種材料包括：銅帶、導電紡織品和導電油墨等，創造了一系列紙制揚聲器。紙上電子為我們提供了便宜又靈活的的電子產品，通過展現材料的本質，把我們從預先設定的約束終解放出來。

紙作為傳統材料結合了智能材料，變成了可用于交互領域的新型材料。紙不再停留于傳統用途，紙變得更加智能。案例中的技術革新，也由改變傳統工藝的源頭衍生至傳統材料與新材料的融合創新。產品造型（如圖6、7）所示。

（三）天然材料結構性能的改變

木材是最常見的天然材料，它以其資源豐富、可再生、可降解、易加工等特性也受到設計師與科學家的青睞，是為了不斷的研究木材的更大范圍被使用價值及功能特性。天然木材作為一種低成本和極具研究價值的材料，被用作建筑和家具的結構材料已有數千年的歷史。然而，天然木材的機械性能（其強度和韌性）不能滿足許多先進的工程結構和應用。

美國馬里蘭大學科利奇帕克分校材料科學與工程系胡良兵教授帶領團隊，設計研發出了一種超級木頭，通過在NaOH和Na2SO3的含水混合物中的沸騰過程從天然木材中部分去除木質素和半纖維素，隨后進行熱壓，導致細胞壁的完全塌陷和天然木材與高度一致的纖維素納米纖維的完全致密化。這種策略被證明對各種木材都是普遍有效的，該加工木材具有比大多數結構金屬和合金更高的比強度，使其成為低成本，高性能，輕量級的替代品[7]。