1.2 創新設計與材料關系的歷史演變

人類社會發展史是一部材料與設計的互動史[4]，不同歷史時期互動特征不盡相同。從農耕時代到工業時代，再到知識網絡時代，設計和材料的演變隨著人類需求的不斷提高而向前發展（見圖1.2），兩者協同促進，推動時代的進步和工業與技術的變革。我們可以將農耕時代的傳統設計表征為“設計1.0”，工業時代的現代設計表征為“設計2.0”，全球知識網絡時代的創新設計表征為“設計3.0”。與之相應，誕生于工業時代的“工業設計2.0”自然也將進化為全球知識網絡時代的“工業設計3.0”（見圖1.3）[5]。

1.2.1 農耕時代：傳統設計與材料的關系

古代社會的發展階段可以依據人類使用的主要材料類型劃分為石器時代、青銅器時代和鐵器時代。人類需求主要集中于解決基本的生存問題，因此傳統設計主要關注服裝、器皿、家具、兵器等具有實用功能的器具，選用的材料從天然土石、竹木、纖維、皮革進化發展到制作陶瓷、玻璃、青銅、鐵器等[6-8]。

在石器時代，人類的加工能力十分有限，設計只能停留于刀刃、尖針、圓片和簡單凹凸等非常簡單的形態。在新石器時代早期，人們用黏土或陶土經捏制成形后燒制成了陶器，這是人類第一次改變自然材料性質的創造，是世界上第一種人造材料。陶瓷的原材料黏土具有很高的可塑性，經高溫淬火后則具有很高的硬度，并且耐高溫耐腐蝕。黏土的這種性質為人類擺脫自然材料的限制，自主創造各種生活器具和藝術品帶來了極大的想象空間和操作空間。以陶瓷器為代表的早期人類手工制品設計由此誕生。

紅陶是最原始的陶器，主要用于飲食器具和炊具。在紅陶的基礎上，人類彩繪出幾何形圖案或動形花紋，形成了有設計思想的彩陶，如半坡遺址出土的人面紋陶盆（見圖1.4（a））。黑陶（見圖1.4（b））的原材料已經有細泥、泥質和夾砂三種。相比于彩陶，黑陶的原材料更加豐富，設計工藝水平更高。黑陶是繼彩陶之后中國新石器時代的又一制陶高峰。人們對陶土進一步探索和認識后，發現利用瓷土或高嶺土可以燒制表里和胎質都呈白色的陶器。白陶制作精致，胎質純凈潔白而細膩。白陶鬶如圖1.4（c）所示。硬陶的原料是一種含鐵量很高的黏土，胎質比一般泥質或夾砂陶器細膩堅硬，基本接近原始青瓷，可在陶器表面繪飾具有傳統設計思想的幾何圖案紋飾[見圖1.4（d）]。在陶器上施釉可降低陶器的吸水率，所以釉陶比陶器好用。到了唐代，彩色釉陶發展到鼎盛時期，出現了世界聞名的唐三彩。唐三彩以細膩的白色黏土作胎料，以含鉛的氧化物作助溶劑。唐三彩馬如圖1.4（e）所示。由此可見，陶土材料的發展與陶器的傳統設計互相推動，共同發展。

隨著生產力和生產技術的發展，人們開始冶煉銅礦，設計鍛造青銅器，這是人類主動改造自然的象征，人類告別了僅以利用自然材料進行設計活動的時期，進入了利用加工材料進行設計的時代。青銅時代是人類利用金屬的第一個時代，將鑄造和鍛造等傳統工藝設計應用于金屬材料的加工，特別是失蠟鑄造方法，適合于制造形狀結構十分復雜的金屬器具，因而賦予了設計師廣闊的設計空間。在中國的博物館中，數量最多、文物價值和藝術價值最高的古代器物當數青銅器。中國青銅器不僅數量多，而且造型豐富、品種繁多，有酒器、食器、水器、樂器、兵器、農具與工具、車馬器、生活用具、貨幣、璽印等。每一器種在不同時代和不同地區都呈現不同的風采，即使是同一時代的同一器種，式樣也多種多樣。后來還出現了金碧輝煌的錯金銀器，鑲嵌金玉寶石的工藝及鎏金工藝，工整細致的裝飾花紋（流行花紋有蟠螭紋、蛇紋等），如圖1.5所示。

鐵器是在青銅鼎盛時期發現的。鐵比青銅堅硬，熔點高，鐵器的使用提示了人類改造自然的能力。自然界中，鐵的分布遠比銅普遍，鐵器發明后，在較短時期內便得以普及。青銅器未能淘汰掉落后的石器，而鐵器完成了這一任務。因此，在進入早期鐵器時代后，社會生產獲得了巨大發展。

利用陶土設計燒制器具，冶煉銅礦設計鍛造青銅器，設計制造鐵制器具，利用人力、畜力、水和風力設計簡單機械動力裝置等，是人類主動改造自然的象征，預示著人類告別了僅以利用自然材料進行設計活動的時期，進入了利用加工材料進行設計的時期。但整體而言，受制于當時低下的社會生產力和科技認知，農耕時代的設計始終沒能在材料科學、冶金技術、能源利用和動力機械設計等方面取得較大的創新突破，更未能在高效、精密工具裝備設計制造方面取得重大突破。這個時期，在設計過程中改變材料性質、重新組合使用材料、改變材料用途的可能性極小，設計更多地依托于已有的材料進行，材料與設計的關系更多地表現為材料對設計的支撐和制約作用。

1.2.2 工業時代：現代設計與材料的關系

世界人口的增長、世界貿易格局的變遷，以及科學技術的重大發展，為人類從農耕文明向工業文明進化提供了土壤。18世紀，第一次工業革命在歐洲興起，標志著人類社會正式進入工業時代；19世紀，第二次工業革命緊隨而來，人類迎來了電氣化的新浪潮；第二次世界大戰后，數字化、信息化工業革命初現雛形。在由若干次工業革命所推動的工業時代，科學技術開始對人類社會的發展形成巨大的影響，這一點與農耕時代有顯著的區別，人們對材料的使用不再過分依靠自然，設計與創造行為也不再僅僅來自于實踐經驗，而是更仰賴科學與技術之間的結合，科學與技術開始越來越多地應用于生產活動之中，成為生產力發展的重要推手。得益于科技的發展，人類可用材料的種類和性能都得到了大幅提升，人類的設計活動也完成了由傳統的手工藝設計，向以科學和技術為本的現代設計轉變。

在第一次工業革命中，存在幾個重要因素——蒸汽機、煤、鐵，它們代表了這個時代工業設計中最重要的元素。由煤炭轉變的焦炭比木材燒制的木炭要便宜得多，這大大地降低了煉鐵的成本，為技術革新生產的各種機器提供了必要原料。蒸汽機是這個時代最具代表性的設計產品，它結束了人類對畜力、風力和水力由來已久的依賴，煤炭和鐵的大量供應推動了蒸汽機在工業生產中的大量應用，例如礦井抽水機、煉鐵爐等，而這又反過來大大地提升了煤礦開采和冶金的效率[9]。蒸汽機、煤炭與鐵之間的關聯，顯示出第一次工業革命期間設計與材料之間已經萌發了相互促進、相互推動的發展態勢。

第二次工業革命也被稱為科技革命和電氣革命，大量的科學研究成果被應用于生產，各種新材料、新技術層出不窮，電氣、鋼鐵、化工、石油等行業都出現了巨大的創新。電力的大規模應用是第二次工業革命的標志。1831年，英國科學家法拉第對磁鐵產生的磁場展開研究，發現了電磁感應現象，為電機（電動機和發電機）及一切有線電器設備的創新奠定了科學基礎。以永磁材料為核心的發電機的問世，使人類進入電氣化的時代，自此電力開始用于帶動機器，成為補充和取代蒸汽動力的新能源，并促進了電燈、電車、電鉆、電焊等一系列電氣創新產品的出現。此外，電氣化的普及還引發了市場對于絕緣材料的強烈需求，從而推動了塑料工業的飛速發展，而后者也是第二次工業革命期間出現的一種重要新材料。這一時期類似的設計與材料之間相互促進的例證還有許多，例如西門子、托馬斯等人在鋼鐵冶煉技術方面的創新，大幅提高了鋼鐵的產量和質量，使之成為機械制造、鐵路建設、建筑設計中的關鍵材料；內燃機的發明不僅催生了汽車、飛機等交通工具的創新，也大大地推動了石油開采業的發展和石油化工業的形成，石油化工又孕育了氨、苯、人造纖維、塑料等一大批對未來設計具有重要意義的基礎原材料。科技發展帶來的現代設計與新材料，它們之間的相互促進、相互牽引的關系，在第二次工業革命期間已經彰顯。

以電子計算機的出現為標志的數字化革命是工業時代最近的一次大變革，并且一直持續至今，它不僅深刻影響了人類設計創造的方式，而且還使得整個社會的運作模式發生了徹底改變；而這場影響深遠的電子化、數字化革命自始依賴的關鍵物質之一，就是以硅、鍺為代表的半導體材料。以半導體材料為基礎構建的晶體管是集成電路以及現代計算機的基本組成單元；20世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs半導體激光器的發明，則推動了光纖通信技術的迅速發展。計算機系統和網絡通信技術的出現，使人類的科技創造能力和工業制造能力得到大幅提升。在科技領域，過去需要通過大量實驗獲取數據的方式，改進為建模后的計算機模擬，省去了大量的實驗成本和時間，各行業理學原理的求證和推導效率成級數的增加，提高了人類在基礎科學和應用技術上的理論水平。在工業領域，計算機與通信技術帶來的機械化、自動化制造，大大地降低了生產成本，提高了生產效率，加工業、制造業的精度與復雜程度得到前所未有的提升。在此基礎上，人類的設計水平也達到了前所未有的高度，發明和制造了大量的創新產品，如移動電話、個人電腦、太陽能電池等。而材料技術與產業，同樣也大大地受益于這場技術革命，由于有了堅實的科技基礎和制造加工工藝，金屬、化學品、半導體等諸多材料在純度、結構、性能等各方面都獲得了提升，更加夯實了其他設計產品的物質基礎。現代設計的需求也催生了更多新材料，如航空航天產業對輕量化的設計需求使鈦合金與碳纖維大放光彩，先進照明與顯示產業對光源的設計需求催生了GaN藍光LED材料，等等。

與此同時，各種新的、強大的材料加工方式也爆發式地發展起來。鑄造、鍛造等古老的金屬加工技術從手工作業發展成為大機器生產，再到流水作業線和自動化生產。機械加工方式及機床的誕生，開創了精密和超精密加工金屬零件的時代，這使得設計由極其大量的零件配合在一起形成具有復雜功能的現代產品成為可能。這個時期還催生了大量的特種加工方式，如各種電加工、高能束加工、化學加工等。大量的新材料及其新加工方式為新設計提供了新的可能性，大大地促進了設計的發展，工業和社會產品也隨之極大地豐富起來。交通領域里，汽車、輪船、飛機、火車等提供了快捷舒適的出行方式；工程領域里，水泥、鋼鐵、瀝青的大規模生產及大型工程機械使得大型建筑工程得以高效地建設起來，建造了跨海大橋、高鐵系統、大型機場、體育場等巨大的基礎設施；生活領域里，廣播、收音機、電視機、自行車、洗衣機、廚房電器、照相機、攝像機等使生活變得越來越方便和豐富多彩；軍事領域里，坦克、航空母艦、潛艇、導彈、自動步槍等顯著改寫了戰爭模式。

這一時期，科學技術在各個領域相互滲透，現代設計與材料之間的關聯越發緊密，二者之間相互促進、相互推動的關系在這一時期表現得淋漓盡致，并朝向更深一步的相互融合方向發展。

材料及其加工技術的發展在工業時代依然是設計發展的支撐要素。然而，工業時代材料與設計的關系出現了一個新的特征：設計對新材料提出需求，促進材料的發展。這是由兩方面的因素共同促成的：一是新材料的大規模發展為新設計提供了越來越多的可能性和自由空間，使設計思維得到了前所未有的解放。設計不再僅僅依托現有材料進行，在不斷發展的設計思維指導下，產品在結構和功能設計方面的創新突破反過來提出對新材料的需求；另一方面是人類有了創造新材料的強大技術能力，使得設計師可以期盼通過開發具有新功能和更高性能的新材料來實現重大的設計目標。于是，人們發現在大量的領域里，制約新產品設計的瓶頸是材料性能和制造技術不能滿足設計需求。

目前，從新材料開始研發到最終工業化應用一般需要10～20年。以能源領域的鋰離子電池的研發為例，20世紀70年代中期鋰離子電池的實驗室原型就得以建立，然而受限于電極、隔膜等材料開發的制約，直到90年代晚期才逐漸在移動電子設備中得到推廣應用；受到儲能材料開發的限制，動力型鋰離子電池至今還無法在電動汽車中得到廣泛應用，即便是在純電動汽車中引領時代潮流的特斯拉（Tesla）汽車，目前也僅是采用了8142顆18,650單體電池作為電力儲備方案，大量單體電池的協同工作對汽車的電量監控、充放電控制提出了極高的要求，也因此帶來了系統可靠性的降低和額外的控制風險。在化石能源枯竭、危機日益嚴重的情況下，為了滿足綠色能源產業及電動交通工具的發展需要，迫切需要開發具備更高能量密度、高循環次數且足夠安全的儲能材料。

看著不起眼的磁性材料在現代科技應用中占據著重要地位：磁鐵在能源、交通及信息行業中都不可或缺，受關聯行業快速發展的刺激，對優質磁鐵的需求也不斷攀升。傳統的鐵基和鐵氧體磁鐵因其能量密度過低無法滿足產品設計上的需求，而添加了稀土元素的釹鐵硼永磁體則因其優異的性能受到了人們的青睞。風力發電機、電動汽車和電動自行車中的馬達必須強大且輕巧，只有釹鐵硼永磁體才能二者兼得，每輛電動汽車中的馬達需要大約2千克釹鐵硼永磁體；一座能輸出百萬千瓦電能的風力發電機，則需要大約2/3噸優質永磁體。測算表明，僅風力發電機一項，就會促使優質永磁體的需求在2010到2015年之間攀升7倍。隨著磁性材料需求的快速增長，稀土資源的消耗使得高性能釹鐵硼磁體材料的持續開發利用難以為繼。在稀土資源緊缺的情況下，美國能源部率先開始倡導研發用于替代稀土永磁體的磁性材料，被縮寫為“反擊”（react）的“關鍵技術中稀土替代品”（Rare Earth Alternatives in Critical Technologies）項目由14個不同的研究小組構成，總投入為2200萬美元，其目標就是研發對稀土元素需求更低的高性能磁性材料。

航空航天業的快速發展對先進輕型金屬材料及復合材料的研發和應用提出了挑戰。前美國總統奧巴馬于2014年2月25日宣布，出資1.48億美元在底特律和芝加哥分別建立兩家先進制造業中心，重點研發用于國防、航空等領域的先進輕型金屬材料。其中，位于底特律的創新中心將專注于適用于國防、航天、工業機械等領域的先進輕型金屬材料的研發，而位于芝加哥的創新中心將致力于軟件開發和數據管理技術，以幫助制造商以更短的時間和更低的成本實現其產品設計。來自印度的市場咨詢機構Composite Insight發布的“全球航空航天復合材料工業2014—2019年趨勢和預測分析”報告則顯示，因持續增加的現有和新型的大型商用飛機，以及民用直升機和公務噴氣機的生產，復合材料在全球航空航天業的需求在過去三年期間顯著增加，而隨著航空旅行需求增長以及燃料價格上升，商用航空業將進一步增大先進復合材料在新型高效飛機中的應用。正在加速開發的中國商飛ARJ21和C919、龐巴迪C系列、三菱MRJ21、蘇霍伊-超級噴氣-100等新飛機項目，將確保先進輕型金屬材料及復合材料在民用航空領域中持續的增長需求。

工業時代，材料與設計關系更多地表現為相互促進，相互推動：一方面，新材料以爆發的速度增長，大量的新材料為新設計提供了新的可能性，與此同時，材料制造工藝也取得了革命性的進步，大大地促進了設計的發展；另一方面，人類需求的爆發性增長，科技帶來的生產力的進步，加上新材料提供的物質基礎，使設計思維得到了前所未有的解放，層出不窮的現代設計拉動了對新材料的需求，設計不再僅僅依托現有材料進行，而是要求開發甚至是創造出具有新功能和更高性能的新材料以實現重大的設計目標。這對材料的發展起到了積極的推動作用。

1.2.3 知識網絡時代：創新設計與材料的關系

進入網絡信息時代，全球寬帶、云計算、云存儲、大數據，新材料與納米技術、新能源、空天海洋、深部地球、高端制造、生物醫學等為設計制造與材料創新提供了全新的信息網絡、物理環境和新的技術創新動力。同時，新興經濟體快速崛起、全球市場持續發展，多樣化個性化需求、資源環境壓力、氣候變化、健康與高生活品質需求等，成為設計制造與材料創新進化的巨大市場動力和新的可持續發展目標追求。此外，寬帶網絡、云計算、虛擬現實、3D+X打印、信息開放獲取、交通物流、全球市場等，為設計制造與材料創新創造了全新的自由公平競爭和全球合作環境。

在此背景下，設計與材料的創新和應用將更依靠創意創造、創新驅動，依靠科學技術、經濟社會、人文藝術、生態環境等知識創新與信息大數據。設計制造與材料創新和應用的全過程、所有產品的設計制造、運行服務將不僅如同工業化時代處于物理環境之中，而且同時將處于全球網絡環境之中。設計與材料創新將從工業時代主要注重產品的品質和經濟效益，轉變和拓展為對營銷服務、使用運行、遺骸處理和再制造等產品全生命周期的整體關注，其價值追求已經轉變為追求資源高效循環利用與社會可持續發展，達到經濟社會、文化藝術、生態環境和諧協調的系統優化。

因此，新的時代環境必然會使設計與材料延續和深化工業時代相互激發、相互促進的關系；新材料將繼續成為新概念、新設計、新工藝“具現化”的物質基石，而創新技術和工藝也將進一步推動新材料的改良和誕生。

不僅如此，設計與材料還將在知識網絡時代實現相互融合，這種融合表現在：①個性化和定制化的需求被大大激發，設計成為無所不在的需求，這種巨大的設計需求建立在數量更多和水平更高的材料及其制造技術基礎上。例如，3D打印技術以其能夠制造幾乎任意復雜材料結構的能力，對設計創新的推動作用尤為顯著[10]。②隨著需求對象體系的日益復雜化，只有經過精確設計的產品才能滿足日益提高的使用需求，設計將成為一個十分復雜的方法體系，深入到產品結構的各個層次，包括材料本身都是精確設計的對象。例如，不斷演進的納米技術將使人們能夠從原子層面構建新材料，或對現有材料進行重構，使之具有更加優異甚至前所未有的性能。此外，長期以來人們在不斷進行材料設計過程中所積累的知識基礎，輔以大數據技術和信息技術，得以構建出材料的“基因組”數據庫，從而可以擺脫復雜漫長的實驗，實現對新材料復雜系統的精確設計。③通過納米技術、材料基因組等得到的品種多樣、功能豐富、性能優異的新材料設計，如超智能材料、超強結構材料、綠色環保材料、生物仿生材料等，將顛覆過往的產品設計理念和設計方式，使設計師能夠根據需求實現任何設計，隨時回應市場需求。

與此同時，由互聯網引發的通信革命拉近了人與人之間的距離，并且讓人們得以用前所未有的方式來分享觀點和創造新構想。在此背景下，以技術為中心的設計理念已經無法滿足人類社會的發展需求，設計思維開始向以人為本轉變，人們將致力于設計、創造能夠平衡個人與社會整體需求的新產品，能夠解決能源、健康、交通、氣候等全球性問題的新型產品和服務體系。同時，產品制造方式將發展進化為依托網絡和知識信息大數據的全球化的綠色、智能制造與服務方式，設計與制造重新融合，制造者、用戶、行銷、運行服務者皆可共同參與。由此帶來了材料、設計與制造深度融合。未來，除了材料本身要設計和創造以外，更要做到料要成材、材要成器。設計不但需要解決材料的制備工藝，還需要關注材料的制造裝備、性能表征，以及材料組成器件、形成系統，直至回收再利用的全生命周期。設計將基于網絡信息和大數據、云計算，將融合理、化、生、機、電等多學科工程技術創新，融合理論、實驗與技術仿真等科學方法，體現高性能、低成本、綠色化、短流程、少設備、少耗材等特征。材料的設計、構件的設計乃至系統的設計將和整個制造充分融合，形成一體化、數字化、智能化、網絡化的發展趨勢。如圖1.6所示，在材料、設計和制造三者的關系中，設計是核心、是靈魂，材料是基礎，制造是實現料要成材，材要成器的關鍵和保障。設計以社會需求為根本出發點，促進科技與文化的結合，加速新材料的研發、制造和應用，實現產品使用價值與文化價值的有機統一。設計將催生新技術、新工藝、新產品，滿足新需求。因此，在知識網絡時代，設計在支撐材料發展的同時，也將引領材料的創新與發展。