毕业《螺旋》

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2019年底我的毕设开始啦,各导师给出了自己的选题,我有幸选择赵斌老师作为导师,赵老师这边当是给出了4个方向的选题,我当时选择了3D金属打印作为毕设方向,为什么选这个方向呢,是因为我曾经大三有个课程,是关于牡蛎壳的材料实验,在研究这牡蛎壳中,惊奇发现贝壳内部的柔美的纹路,可惜课程时间有限,没能更深入了解壳类的奥妙。本身自己是在南方一个小城海边长大的,贝壳对我来说太熟悉了,但又太陌生了,所以我想着毕设再次深入了解牡蛎壳,想通过自己的专业继续去挖掘辽阔的海域中渺小的贝壳奥妙。基于3D金属打印的贝壳设计研究(对贝壳的自然结构的研究)。

贝壳无论是从形态、色彩、声音、功能、结构的角度看,独有自己的独特之处。贝壳的筑造者是软体动物,软体动物有七个纲:无板纲、单板纲、多板纲、、掘足纲、双壳纲、头足纲。其中95%的软体动物属于腹足纲和双壳纲。我毕设一开始选择的是研究贝壳的双壳纲中的牡蛎壳。

确认研究的壳体之后,着手开始查找牡蛎壳的相关资料,和对牡蛎壳进行解剖(图1),了解到牡蛎壳的基本结构、生长周期、生长变化、壳体的结构物理属性等等。在了解牡蛎壳的相关资料后,牡蛎壳有两个方向走:牡蛎壳的优美的内部结构有着惊人的防撞击能力;牡蛎壳的生长,壳体是一层一层变大,不断筑造。当时创作是往着这两个点想,防撞击和3D打印的二次打印。但由于最后涉及到太多物理方面的专业知识,没有继续下去。当时赵老师帮忙找到一些这方面相关的专家,但我自己也没有得到有用的信息,最后和赵老师这边讨论之后,决定把研究方向改为贝壳的腹足纲,3D金属打印这个方向也随之改变。

图1 牡蛎壳结构

这时候已经开始放寒假了,回家几天后,疫情开始爆发。此时只能在家阅读与贝壳的相关的书籍和资料如《时间的螺旋》《小贝壳大世界》等……

了解这些贝壳还得需要真正接触贝壳才行,我家就在海边(图2),我偶尔到海边收集和观察贝壳,贝壳只是锥螺居多(图3),有少量的其它海螺。在海边收集的贝壳种类不够多,于是也在网上买了一些贝壳回来研究观察(图4)。

图2 贝壳收集的海域(位于海边的小城)
图3 海边的锥螺
图4 网购的贝壳

对收集到的贝壳,进行切割打磨,以便了解内部的结构和原理,与其结构的功能。(图5)

  • 锥螺的切割:锥螺的造型是长尖的,像一个长锥体。首先是把锥螺的外壳体打磨掉,露相出里面的螺旋结构。里面有里面的螺旋结构生长是由大慢慢过渡到最后一个尖角。
  • 锥螺的实验:把打磨好的锥螺,用一根线在上面缠绕,发现贝壳能在线上绕紧且不会滑动,线和壳体的关系像壳体与软体动物关系一样,两者能互相锁紧。
  • 田螺的切割:把少许外壳体打磨掉,与海螺的大致结构相似,只是螺的中轴的形状有所变化。通过在壳的尾部注入水流,水顺着里面的螺旋结构旋转,水在可以在壳体里增加与空气的接触面积,也起到减缓水流速度的作用。
  • 声学的实验:在赤旋螺的尾端开一个小孔,用哨子装在尾端,通过实验对比,在有赤旋螺的哨子下吹出的声音更响亮和集中。

贝壳在设计中的切入点

贝壳属于大自然的产物,贝壳为人类提供很多创意灵感。我国近年来的工业设计的快速发展,仿生设计的作用日益凸显。仿生设计是基于自然生物的特征做为灵感提取的设计手法。仿生设计的切入点主要是根据自然生物的形态、色彩纹理、结构功能。

研究主要是围绕着“贝壳结构”展开,把贝壳的形态、色彩纹理、结构功能为本次设计的切入点,与生活的产品设计进行连接。

设计想法的展开

贝壳形状的大小各不相同,但他们在生长中都遵循了看起来都是螺旋状的规律,螺旋状分为二维的等角螺旋等速螺旋,三维的圆柱螺旋圆锥螺旋

贝壳靠着精美的色彩纹理来装饰自己,软体动物在除了制造复杂的贝壳贝壳结构外,还会给坚硬的外壳装饰得色彩斑斓。在它们的壳上能看到,点状、条状、面状、长的、短的、波浪形的等等图案。有着五彩斑斓的色彩和炫酷的纹理,但贝壳的洁白、光泽匀称永远是在人脑海中的第一印象。

贝壳的螺旋结构带来集约力、传动力、紧固力与声学的功能。集约力能节约空间;传动力能让软体动物快速保护自己,能让低的水到达高处;紧固力能让软体动物紧锁在壳体里;能让螺母和螺帽锁更紧,声学功能让螺旋贝壳里的声音更明晰、更响亮。

围绕着生活的产品设计为基础,通过上面灵感点展开想法发散,对于贝壳结构的产品设计提出了以下思路:

  • 贝壳色彩纹理:贝壳的色彩和纹理丰富多样,但本文的重点研究是贝壳的结构,色彩和纹理也就根据最终产品的属性来定。
  • 贝壳的集约力:集约力能给产品带来空间上的节约。在狭窄的空间里,螺旋结构与展开的面积更大。
  • 贝壳的紧固力:螺旋能与某物能有锁合、阻滑作用,螺旋与螺旋之间的锁合。
  • 贝壳的传动力:能给液体或气体有传送导向作用。
  • 贝壳的声学:声音在螺旋管里可以更明晰更响亮,可以用于能产生声音的产品。

通过以上的思路联想出以下方案方向:

  • 阻滑器:利用软体动物和海螺两者之间的螺旋相扣的灵感,想到线体在螺旋体上缠绕,达到阻滑作用。
  • 螺旋与螺旋的连接器:这也是利用软体动物和海螺两者之间的螺旋相扣的原理,这样的连接器的好处是两端的的螺旋体是一样的,传统的连接方式是需要一边是螺母,一边是螺帽。而且两端连接在一起,能无缝卡合。
  • 可以调节重心的笔:软体动物能在海螺里自由滑动,通过滑动,使肉体的位置发生变化,海螺的重心也跟着变化,通过这个和笔的重心联系在一起,通过滑动中间的螺旋体,使笔的重心可以发生改变,可以调节到自己最舒适的重心来书写。
  • 露水收集器:在贝壳的集约力里,能在空间上起到节约作用。这个方案的外形是个锥体螺旋,利用的是在一个小在占地面积,所展开的面积最大,有更大的面积与空气接触,同时收集的露水可以顺着螺旋结构往下滴。
  • 储钱罐:螺旋结构的物理属性能让经过里面的声音更清晰更明亮,与声音有关联的我想到储钱罐,我们在储钱币的时候,我们的视觉只能停留在投币口,听觉来辨别硬币最后储存完产生的声音。储钱罐的硬币滑落时物理碰撞产生声音,通过这个螺旋的结构把这个声音放大,让最后完成碰撞的声音更清晰更悠长,反馈回给使用者。

以上的方案方向有阻滑器、螺旋与螺旋的连接器、调节重心的笔、露水收集器、储钱罐。最终挑选螺旋阻滑器储钱罐

基于贝壳结构的产品设计

阻滑器和储钱罐的方案方向深化。

产品草图

阻滑器:根据对锥螺结构的实验和晾衣的使用场景推敲。本产品造型采用三维螺旋中的圆柱螺旋结构,小巧、简洁、有规律的螺旋体,圆润的凹处避免对绳子的伤害,让用户接触产品时更舒适使用,能在绳子上随意缠绕阻滑。

储钱罐:根据储钱罐的储硬币滑落的可行性、用户的使用过程心理感受、与环境桌子的协调性推敲。本产品造型采用三维螺旋中的倒锥形螺旋结构,为了满足上下部分的协调性,由于上部分是海螺螺旋结构,所以下部分是采用锥形容器,产品下部分的采用锥形也是为了硬币滑落碰撞的声音聚集于在螺旋口。改变原有储钱罐的投币方式,原有的投币方式是小心翼翼把硬币放在小缝里,大瓶口的投币,能拿起硬币往瓶口一扔,接下来等待回声就可以,整体外形的螺旋中心轴以底圆的中心点为基点。

造型的推进过程

阻滑器

  • 第一阶段:在草图的基础上,用黏土对造型进行模型试验,让阻滑器进一步得到验证与造型修改,在绳子拉紧的时候,阻滑器在拉力作用下被扯出绳子,在螺旋阻滑器的两端加了小勾勾住绳子防止脱落。根据现有衣挂挂钩的厚度测量,因为大部分的衣挂挂钩厚度是≦10mm,所以只要阻滑器螺旋纹之间的距离>10mm,就能够满足大部分的的情况。确定参数后,对阻滑器进行初次建模。
  • 第二阶段:对产品进行原尺寸3D打印并实验,阻滑器的基本功能实验完成并阻滑效果很好。在功能瞒足的情况下对外形进行优化,整体造型由圆柱形改为椭圆体形,让整体更圆润,阻滑器在使用的时候和绳子更协调,第一阶段的阻滑器两端小勾没有和螺旋体形成一个整体,第二阶段的小勾是在螺旋体的基础上,拉伸凸出,让小勾和螺旋形成一个整体。
  • 第三阶段:在第一二阶段的功能实现、造型和谐都能瞒足下,最后确认造型,根据实际情况定产品尺寸为 60×20×20mm,可使用绳子的尺寸范围:2≦绳子的直径≧8mm 。
第一阶段
第二阶段
第三阶段

储钱罐

  • 第一阶段:在草图的基础上,用黏土对造型进行模型试验,对锥体螺旋进行打磨实验,验证螺旋的角度和螺旋直径的大小,投币口的大小和存硬币的容器数量,确认整体基本造型的尺寸,保持接下来设计推进时的尺寸意识。
第一阶段
  • 第二阶段:由于第一阶段的储钱罐造型中,螺旋的弧度过于小,硬币不能顺利滑落到瓶底。保留第一阶段的造型要素:优雅的螺旋、上部分螺旋下部分容器、让耳朵潜意识靠近的瓶口,进行造型修改。出于可行性考虑螺旋的倾斜度比第一阶段的要倾斜,造型的上半部分的倒锥体螺旋的螺旋间隙拉开,为了满足让每个硬币都能螺旋滑落;用铁线对进行模型制作,对内部的结构能清晰可见。制作的模型的高度为400mm,在使用环境中不适用,投币过程不顺畅,再次进行模型制作修改,把整体高度下降到300mm。
第二阶段
  • 第三阶段:对第二阶段的铁线模型进行3维建模,造型上下部分基本连接顺畅。进行3D实体打印,调试底部的铃铛和硬币的音效,确认铃铛安装的位置。通过实物测试,硬币投落产生碰撞产生的音效效果达到预期的目的,通过硬币滑落过程产生的声音,产品最终造形对海螺的外形提取的不多,但产品的存储功能和反馈音效都有舒适的体验,造型有优美的螺旋结构,上下部分连接顺畅。最终的造型的尺寸为320×150×150mm,其中瓶外形最细的部分直径是36mm,瓶身的厚度为3mm,内腔最细部分有30mm,瓶口直径为96mm,瓶底的直径为150mm。
第三阶段

产品最终呈现

贝壳结构在未来的应用遐想

连接方式对生产工序的节约:螺旋与螺旋之间连接,能达到无缝结合,而且不会有过多的生产工序,因为结构造型大小都是一样的,在棍类或线类上的应用。由于需要专业的力学以及新的生产工艺的支撑,所有没有办法进一步研究。

露水收集:沙漠地区昼夜温差大、缺水,国家提倡在沙漠地区大量种植植被和发展农业,植被灌溉成为主要问题。螺旋露水收集,更有更多面积接触空气,把它缠绕在植被的根部,通过昼夜温差大的影响,能收集露水,露水顺着螺旋结合滴在根部。

人为控制软体动物生产的造型:海螺是造型大师,造出来的结构与硬度都是人类无法模仿的,能不能通过改造海螺的基因,人为控制造型,通过养殖的方式,让软体动物根据人为控制的造型来制造壳体……

更多关于贝壳的应用有待发现

结语

疫情突然来袭,不得被迫在家面待了几个月,也有更多时间到海边实践我的毕设。我还记得很清楚是2020年5月17号回来广州的,毕设到了收尾阶段,产品打样,产品拍照,产品视频、海报等,还得边找工作。我们的毕业答辩被迫在线上进行,我们的毕设展览在线上进行,但还好毕业典礼能顺利线下举行,最后很匆忙收拾好行李,很匆忙和老师同学告别,很匆忙离开了学校。

感谢2016级生活设计工作室全体师生的两年相遇,感谢工作室的老师们同学们,特感谢FREEZhao老师在工作室两年来的指引,所有的记在心里。

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仿生学设计是一个很经典的设计方向。作为在这个领域探讨的设计师,除了要具有对于客观事物的细致观察力之外,还需要具身体验真实的世界。视觉,触觉,嗅觉,听觉,味觉,五个官能通到要打通,尽全力理解自然世界。这就是观福在他的毕设中展示出的魅力。没有浮华的外观,却又有着实实在在的功能,没有庞大的体谅,却在细节上处处给人惊喜。从自然中学习,还原到人最自然的状态。仿生学设计,在观福的毕设中不仅仅体现了工程学的美,也体现吃了人内心的美。疫情其实有好有坏,在这个设计中,我们更多的可以感受一下静下心来做的设计是一种什么样的气质。

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