机械臂的超强运用！哈佛MDes学姐6个跨学科实践项目分享

文摘 2024-12-07 19:01 上海

惟学公开讲座——设计生行业校准指南

Hello！欢迎光临惟学公开讲座系列~在这里，惟学大家庭的学长学姐们将为大家讲述自己拓展设计边界的亲身经历。那些你想知道的设计职业选择，那些关于数字化建造技术与生产实践，还有人工智能和互联网大厂……话不多说，让我们一探究竟。

本期分享人

Wei Wu

/ 哈佛GSD MDes设计研究硕士，一名跨学科的设计师。作为参数化设计师，她参与了从参数化家具到建筑尺度的十几个智能建造项目。/

编者按：机械臂在智能建造和艺术实践中如何运用？在本期的分享中，作者聚焦一些数字实践项目，带领大家看看在已经有了参数化理论框架之后，如何把所学知识运用到实践上。

项目一

金山岭上院禅堂

1 / 项目介绍

这次我想要分享的第一个项目是我在大界机器人实习工作参与的项目，金山岭上院禅堂，其中项目由阿那亚投资开发，整体方案由大舍建筑事务所设计，智能建造部分由大界智造联合和作结构建筑研究所完成，是中国第一座也是最大的一座使用全碳纤维屋面的展亭。这个项目最近被选入ArchDaily 2024年度建筑大奖。

这个展亭具有曲面造型，顶部设有天窗，让阳光透过展亭，呈现出迷人的天光。整体设计优美，外形薄壳状，展亭位于金山岭山间，给人一种隐于市的感觉。

▲金山岭上院禅堂

2 / 为什么要用智能建造设计呢？

大舍的设计概念可见下图：禅堂的屋顶从五台山佛光寺的造型出发，再转化为优美流畅的参数化曲面。屋顶下方有支撑结构，最下面则有基座和围墙。

▲大舍建筑的设计概念

那么，我们为什么要用智能建造？

该项目是目前世界上最轻最薄也是最大的一座使用全碳纤维屋面的展亭，如果采用传统方法制作，展亭屋面的厚度将达到约35厘米，与普通楼板相比并没有太大的差别。但是，通过采用智能建造方法，我们将其压缩到了非常薄的2.5厘米。再加上防水层、防火保温等处理后，最终厚度为3.5厘米。这是一个十倍的差距，效率非常可观。

考虑到这是一个如此轻、薄、飘逸的结构，而且是一个如此大的展亭，实现这个目标是非常困难的，所以我认为这个项目在今年国内智能建造领域算是一个比较大的突破。

其次，因为金山岭上院禅堂在山谷里，施工路径狭窄，因此我们考虑使用机械臂智能建造和现场模块化吊装的方法来建造这个展亭。

▲ 渲染图 Street View

3 / 建筑分层结构

下面通过一张爆炸图来说明这个建筑的分层结构。

最上面是一个碳纤维复合材料包装的三明治结构，由顶层的碳纤维、中间的碳纤维单元和聚氨酯模具组成。聚氨酯是一种泡沫材料，比较轻薄，并被碳纤维包裹。碳纤维是一种具有非常高强度的材料，通常应用于航空航天领域。在建筑中，如果能够运用碳纤维，基本上都是跟智能建造相关。在碳纤维下层是吊顶龙骨、钢结构和基础。

▲ 建筑的分层结构

那么我们如何把屋顶进行拓扑优化以及分块处理，以及为什么要这样做呢？

进行智能建造设计时，我们首先需要对建筑进行参数化设计，包括分型和建造。

其中最重要的第一步是优化设计，使其使用相似的单元形状来组成设计。单元可以有许多形状，例如三角形、四边形和六边形。我们最终选择了六边形作为最终方案，蜂窝这种优美的形状无形中代表了自然选择中有效的劳动成果。这是因为蜂窝的复合结构类似于连续排列的工字钢结构，因此具有非常强的抗压和抗弯特性，也是一种非常轻的轻型结构。

在对屋顶进行六边形网格单元分隔时，我们使用了grasshopper来进行可视化分割模拟。此处截取了整个屋顶左上角的一小块作为展示。

▲屋顶拓扑优化

▲生产单元

第二步，是将整个屋顶分成七八个小或中型块，并进行拼接。在对每个模块进行加工之后，我们需要考虑拼接、装车和运输的方法，通过参数化优化可以将所有信息集中起来。整个过程是一站式的处理，从建模到落地都高度信息化，包括建模、出图、导出方案说明，以及后续改动，都是在Rhino里实现。

▲六边形模块的中型块

▲安装策略

下面介绍一下我们是如何运用机械臂来进行泡沫的切割。这个过程被称为机器人的减材制造，减材就是机器人对材料进行铣削、切割，CNC是其中一种方法。

相应的，机器人的增材建造则是使材料增加，比如3D打印或者其他打印类的加工方式。

▲机械臂泡沫切割

下一步，是用真空袋来压制碳纤维，然后把碳纤维包裹在泡沫上，这样就会形成一个真空、紧密的三明治结构。

▲真空袋压制碳钎维

然后，是把这些个体安装成这种中型的板块，然后再准备在工厂里预组装。

▲工厂预组装

最后，我们进行了预组装来探究这种技术及方法是否可行。我们挑选了屋顶中间最难处理的部分，即天窗到大约二分之一的部分，它的曲率非常大。当时实验效果非常好，贴合度很高，使用了理想的流程并用螺栓将其拴紧，并且相互都能够紧密连接，误差并不大，工人量也很少，且速度也很快。

最终，我们成功建造了金山岭上院禅堂。

▲金山岭上院禅堂

项目二

机械臂喷涂充气膜结构的房屋

1 / 机械臂如何快速制造房屋？

当我们需要快速建造房屋，尤其是在一些没有办法获取水泥或其他材料的地方（如火星或其他行星）——我们就需要根据当地情况进行因地制宜的建造。

目前来说，广泛认同的一种方法是使用充气膜。我们可以先将充气膜随身携带或随飞船携带，将其充气成所需要的形状，如半圆形。然后在里面给其喷涂上合适的建造材料，如在内部喷涂保温材料，在外部喷涂建筑材料巩固造型。这种结构就会被立起来。我们就可以利用智能建造来实现这整个思路，用机械臂一遍遍的喷涂里面和外面进行加固，达到快速造房的成果。

▲ 机械臂喷涂

2 / 设计流程

确定这种办法之后，设计流程就比较清晰了。

第一步，我们需要设计机械臂喷涂的轨迹。

第二步，我们要给充气模建筑充气，为建造做好准备。

第三，现场校验模拟。

第四步，实时观察机械臂喷涂的结果，并及时调整。

（为什么呢？因为机械臂在喷涂充气膜建筑时容易出现重力导致的误差，比如左侧重时会向左倾斜，上方重时会逐渐压变型。）

第五步，进一步调整轨迹，可以通过参数化系统进行实时扫描和调整，来模拟这个过程。

最后，我们完成喷注。

▲ 设计流程

▲ 喷涂模拟

3 / 设计挑战

在做这个项目的时候，我们有两个挑战：规则的半圆形建筑和有复杂的开口（如门和窗）的不规则气膜。

▲ 设计挑战

如何喷注一个普通的半圆形建筑？这个轨迹方案是由其中一位同学提出的，主要因其具有较好的美感，以及镂空的设计。当喷注成功后，所有的白色部分都会露出光来，这样室内就不需要额外的照明，非常节能。

▲ 设计轨迹

喷注的时候我们需要模拟一些压力和角度，以确保这个轨迹能够在机械臂的承受范围内打印，避免出现巨大的问题。

▲ 压力模拟

那么如何喷注不规则的气膜呢？首先，我们采取了三个定点喷。然后我们通过利用贝兹曲线的函数来缩放这个喷射点的距离，并且精确定位到膜上的每个点，使得机械臂在喷涂一型气膜的时候能够喷到尽可能远并且精确的距离。

其次，我们的轨迹设计是连续拱形喷柱，非常高效率。这种连续的同样形状的喷柱可以大面积省材料，避免喷涂非常不均匀的情况。

第三点，我们提出利用算法绕过障碍物的喷涂方案，通过进行断点续打的操作，用TPU信号控制喷枪开关来避开障碍物。每次经过预定位置，如窗户或门，就暂停喷涂，并且在设定位置重启喷涂。这个方案解决了机械臂喷涂带有门窗或其他障碍物的时候，气膜应该如何喷涂的问题。

▲ 喷涂轨迹

最后，我们提出了机械臂的两定点喷涂方案。这样机械臂能尽少的移动，只需移动一次，并让它可以反向喷涂。下面是一些模拟方案的图表，右边是机械臂在不同角度下的测试结果。最终我们发现这个方案是合理的，可以正常运行的。

▲ 两定点喷涂方案

▲ 最终成果

除此之外还有一个延伸方案，虽然我们最终没有采用，但也是一个非常值得考虑的方向。我们首先使用拓扑优化的方法对复杂的气膜进行了最佳力学分析，然后根据受力分析选出最佳的喷涂路线。这样一来，在受力方面它是最科学的，不容易塌陷，也不会出现重力不均匀的情况。并且这个方案是连续的，能够保证结构的稳定性。这样的做法可以最大程度地避免重力带来的问题。

▲ 延伸方案

项目三

机械臂互动绘画与雕塑

除了与建造相关的领域，机械臂在互动绘画等一些艺术方面还有很大的潜力。因为现在做机械臂互动艺术的并不是太多，下面来简单讲讲我在这一领域做的一个小实验，这个作品最终在2022年的acadia conference上呈现。

该互动装置是在grasshopper里实现了一个协同控制。使用VR手柄作为传感器，就像Switch的手柄一样，手柄实际上是一个带有体感传感器的结构。这样的话我们就可以提取其中的传感器数据来同步机械臂的空间位置。

1 / 喷涂石膏2D平面图案

我运用VR手柄在空间中画画，形成一些空间上的轨迹。机械臂可以复制我的轨迹，在纸板上喷涂石膏作画。我的运动轨迹实际上是在空间上的3D轨迹，但是机械臂最终呈现在纸板上的是一个2D平面图案。

▲ VR手柄操纵机械臂

值得注意的是，机械臂实际上仍然有一些限制，它并不是说完全重复我的轨迹制作，甚至会加入一些自己的“想法”。这是因为它有一些旋转角度的限制。当它为了达到某个角度时，会自动进行反方向的优化，在轨迹上形成一个完美的圆圈，就像人的左右转身轨迹一样。在进行空间绘画时，我的操作轨迹很难形成完美的几何图形，每次直板上出现的这种完美的几何图形，实际上是机器人带来的这种转圈或机械化操作形成的。因此，这个艺术作品可以认为是我和机器人共同创作的。它并没有完全按照我的指示作画，还夹带了一点“私货”。

▲ 机械臂互动喷涂作品

2 / 金属锡三维雕塑

刚才用到的是纸板作为承接喷涂轨迹的对象，如果我们不是在平面上接收这个空间轨迹，而是用一个碗或者其他奇怪的形状来接收，那么冷却之后就可以形成一个三维的雕塑。这样，我们探索了利用机械臂来制作雕塑或其他空间结构的潜力。我们利用金属锡来进行浇筑，因为锡这种材料很软，易于造型，且快速冷却。如图，对于纸板喷涂和金属喷涂我使用的是相同的绘画轨迹，最终形成了左边的雕塑作品和右边的平面绘画。由于材料的选择以及机械臂的种种误差加成，它们看起来有些相似，但实际上又有所不同。

▲ 相同绘画轨迹得到的不同作品

另外，我们还运用了热感应相机来拍摄浇筑时的场景。金属浇筑是高温作业，人手不得触碰，利用机械臂辅助，我们可以轻松完成这样的工程。

▲ 热感应相机拍摄喷温度

其他项目分享

· 空间三角形机械臂打印装置 ·

这个装置由俞挺与大界合作设计与制造，2022年在上海万象城落成。我们是用机械臂来进行空间三角形的打印，相当于用3D打印材料形成连续的三棱锥轨迹，这会要求材料及时凝固冷却才能形成这种结构。

▲ Instellation Design

· 凝胶空间移动轨迹 ·

这是在哈佛GSD做的一个学生项目，首先使用动作捕捉工具去记录使用者的空间移动轨迹，然后在grasshopper里面把它进行一些可视化，接下来进行一系列可视化实验，比如制作有蝶泳空间轨迹的教学体验工具，以轨迹为基础开始艺术创作，以及最终在凝胶中把这个轨迹打印出来。

▲ Motion Imposible: Visualization of Butterfly Stroke

· 勾针指南 ·

使用grasshopper创造了一套钩针编码工具。你能想象到的任何形状勾针指南只要能够被数字建模，就可以在grasshopper里面被转译成勾针图纸。这个编码工具对于模块化编织和定制化编织有着重要意义。

▲ Computing Stitches for Collective and Distributed Crocheting

总结

看到这里，大家应该会发现，其实参数化也不一定是用于智能建造中，它也可以运用在更加生活化的方面，比如说时尚、绘画、雕塑、编织或其他需要定制化产品的领域，带来新的创意。

文章图文均来自作者@Wei Wu,

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汇集哈佛、MIT、RCA、CMU、UW、TUD等全球顶尖院校师资，联合谷歌、亚马逊等头部互联网公司的精英设计团队。指导领域涵盖UI/UX、服务设计、人机交互、数字媒体、设计学、算法等多个方向，助力新一代交互设计师。

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