1.2 创新设计与材料关系的历史演变

人类社会发展史是一部材料与设计的互动史[4]，不同历史时期互动特征不尽相同。从农耕时代到工业时代，再到知识网络时代，设计和材料的演变随着人类需求的不断提高而向前发展（见图1.2），两者协同促进，推动时代的进步和工业与技术的变革。我们可以将农耕时代的传统设计表征为“设计1.0”，工业时代的现代设计表征为“设计2.0”，全球知识网络时代的创新设计表征为“设计3.0”。与之相应，诞生于工业时代的“工业设计2.0”自然也将进化为全球知识网络时代的“工业设计3.0”（见图1.3）[5]。

1.2.1 农耕时代：传统设计与材料的关系

古代社会的发展阶段可以依据人类使用的主要材料类型划分为石器时代、青铜器时代和铁器时代。人类需求主要集中于解决基本的生存问题，因此传统设计主要关注服装、器皿、家具、兵器等具有实用功能的器具，选用的材料从天然土石、竹木、纤维、皮革进化发展到制作陶瓷、玻璃、青铜、铁器等[6-8]。

在石器时代，人类的加工能力十分有限，设计只能停留于刀刃、尖针、圆片和简单凹凸等非常简单的形态。在新石器时代早期，人们用黏土或陶土经捏制成形后烧制成了陶器，这是人类第一次改变自然材料性质的创造，是世界上第一种人造材料。陶瓷的原材料黏土具有很高的可塑性，经高温淬火后则具有很高的硬度，并且耐高温耐腐蚀。黏土的这种性质为人类摆脱自然材料的限制，自主创造各种生活器具和艺术品带来了极大的想象空间和操作空间。以陶瓷器为代表的早期人类手工制品设计由此诞生。

红陶是最原始的陶器，主要用于饮食器具和炊具。在红陶的基础上，人类彩绘出几何形图案或动形花纹，形成了有设计思想的彩陶，如半坡遗址出土的人面纹陶盆（见图1.4（a））。黑陶（见图1.4（b））的原材料已经有细泥、泥质和夹砂三种。相比于彩陶，黑陶的原材料更加丰富，设计工艺水平更高。黑陶是继彩陶之后中国新石器时代的又一制陶高峰。人们对陶土进一步探索和认识后，发现利用瓷土或高岭土可以烧制表里和胎质都呈白色的陶器。白陶制作精致，胎质纯净洁白而细腻。白陶鬶如图1.4（c）所示。硬陶的原料是一种含铁量很高的黏土，胎质比一般泥质或夹砂陶器细腻坚硬，基本接近原始青瓷，可在陶器表面绘饰具有传统设计思想的几何图案纹饰[见图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，彩色釉陶发展到鼎盛时期，出现了世界闻名的唐三彩。唐三彩以细腻的白色黏土作胎料，以含铅的氧化物作助溶剂。唐三彩马如图1.4（e）所示。由此可见，陶土材料的发展与陶器的传统设计互相推动，共同发展。

随着生产力和生产技术的发展，人们开始冶炼铜矿，设计锻造青铜器，这是人类主动改造自然的象征，人类告别了仅以利用自然材料进行设计活动的时期，进入了利用加工材料进行设计的时代。青铜时代是人类利用金属的第一个时代，将铸造和锻造等传统工艺设计应用于金属材料的加工，特别是失蜡铸造方法，适合于制造形状结构十分复杂的金属器具，因而赋予了设计师广阔的设计空间。在中国的博物馆中，数量最多、文物价值和艺术价值最高的古代器物当数青铜器。中国青铜器不仅数量多，而且造型丰富、品种繁多，有酒器、食器、水器、乐器、兵器、农具与工具、车马器、生活用具、货币、玺印等。每一器种在不同时代和不同地区都呈现不同的风采，即使是同一时代的同一器种，式样也多种多样。后来还出现了金碧辉煌的错金银器，镶嵌金玉宝石的工艺及鎏金工艺，工整细致的装饰花纹（流行花纹有蟠螭纹、蛇纹等），如图1.5所示。

铁器是在青铜鼎盛时期发现的。铁比青铜坚硬，熔点高，铁器的使用提示了人类改造自然的能力。自然界中，铁的分布远比铜普遍，铁器发明后，在较短时期内便得以普及。青铜器未能淘汰掉落后的石器，而铁器完成了这一任务。因此，在进入早期铁器时代后，社会生产获得了巨大发展。

利用陶土设计烧制器具，冶炼铜矿设计锻造青铜器，设计制造铁制器具，利用人力、畜力、水和风力设计简单机械动力装置等，是人类主动改造自然的象征，预示着人类告别了仅以利用自然材料进行设计活动的时期，进入了利用加工材料进行设计的时期。但整体而言，受制于当时低下的社会生产力和科技认知，农耕时代的设计始终没能在材料科学、冶金技术、能源利用和动力机械设计等方面取得较大的创新突破，更未能在高效、精密工具装备设计制造方面取得重大突破。这个时期，在设计过程中改变材料性质、重新组合使用材料、改变材料用途的可能性极小，设计更多地依托于已有的材料进行，材料与设计的关系更多地表现为材料对设计的支撑和制约作用。

1.2.2 工业时代：现代设计与材料的关系

世界人口的增长、世界贸易格局的变迁，以及科学技术的重大发展，为人类从农耕文明向工业文明进化提供了土壤。18世纪，第一次工业革命在欧洲兴起，标志着人类社会正式进入工业时代；19世纪，第二次工业革命紧随而来，人类迎来了电气化的新浪潮；第二次世界大战后，数字化、信息化工业革命初现雏形。在由若干次工业革命所推动的工业时代，科学技术开始对人类社会的发展形成巨大的影响，这一点与农耕时代有显著的区别，人们对材料的使用不再过分依靠自然，设计与创造行为也不再仅仅来自于实践经验，而是更仰赖科学与技术之间的结合，科学与技术开始越来越多地应用于生产活动之中，成为生产力发展的重要推手。得益于科技的发展，人类可用材料的种类和性能都得到了大幅提升，人类的设计活动也完成了由传统的手工艺设计，向以科学和技术为本的现代设计转变。

在第一次工业革命中，存在几个重要因素——蒸汽机、煤、铁，它们代表了这个时代工业设计中最重要的元素。由煤炭转变的焦炭比木材烧制的木炭要便宜得多，这大大地降低了炼铁的成本，为技术革新生产的各种机器提供了必要原料。蒸汽机是这个时代最具代表性的设计产品，它结束了人类对畜力、风力和水力由来已久的依赖，煤炭和铁的大量供应推动了蒸汽机在工业生产中的大量应用，例如矿井抽水机、炼铁炉等，而这又反过来大大地提升了煤矿开采和冶金的效率[9]。蒸汽机、煤炭与铁之间的关联，显示出第一次工业革命期间设计与材料之间已经萌发了相互促进、相互推动的发展态势。

第二次工业革命也被称为科技革命和电气革命，大量的科学研究成果被应用于生产，各种新材料、新技术层出不穷，电气、钢铁、化工、石油等行业都出现了巨大的创新。电力的大规模应用是第二次工业革命的标志。1831年，英国科学家法拉第对磁铁产生的磁场展开研究，发现了电磁感应现象，为电机（电动机和发电机）及一切有线电器设备的创新奠定了科学基础。以永磁材料为核心的发电机的问世，使人类进入电气化的时代，自此电力开始用于带动机器，成为补充和取代蒸汽动力的新能源，并促进了电灯、电车、电钻、电焊等一系列电气创新产品的出现。此外，电气化的普及还引发了市场对于绝缘材料的强烈需求，从而推动了塑料工业的飞速发展，而后者也是第二次工业革命期间出现的一种重要新材料。这一时期类似的设计与材料之间相互促进的例证还有许多，例如西门子、托马斯等人在钢铁冶炼技术方面的创新，大幅提高了钢铁的产量和质量，使之成为机械制造、铁路建设、建筑设计中的关键材料；内燃机的发明不仅催生了汽车、飞机等交通工具的创新，也大大地推动了石油开采业的发展和石油化工业的形成，石油化工又孕育了氨、苯、人造纤维、塑料等一大批对未来设计具有重要意义的基础原材料。科技发展带来的现代设计与新材料，它们之间的相互促进、相互牵引的关系，在第二次工业革命期间已经彰显。

以电子计算机的出现为标志的数字化革命是工业时代最近的一次大变革，并且一直持续至今，它不仅深刻影响了人类设计创造的方式，而且还使得整个社会的运作模式发生了彻底改变；而这场影响深远的电子化、数字化革命自始依赖的关键物质之一，就是以硅、锗为代表的半导体材料。以半导体材料为基础构建的晶体管是集成电路以及现代计算机的基本组成单元；20世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs半导体激光器的发明，则推动了光纤通信技术的迅速发展。计算机系统和网络通信技术的出现，使人类的科技创造能力和工业制造能力得到大幅提升。在科技领域，过去需要通过大量实验获取数据的方式，改进为建模后的计算机模拟，省去了大量的实验成本和时间，各行业理学原理的求证和推导效率成级数的增加，提高了人类在基础科学和应用技术上的理论水平。在工业领域，计算机与通信技术带来的机械化、自动化制造，大大地降低了生产成本，提高了生产效率，加工业、制造业的精度与复杂程度得到前所未有的提升。在此基础上，人类的设计水平也达到了前所未有的高度，发明和制造了大量的创新产品，如移动电话、个人电脑、太阳能电池等。而材料技术与产业，同样也大大地受益于这场技术革命，由于有了坚实的科技基础和制造加工工艺，金属、化学品、半导体等诸多材料在纯度、结构、性能等各方面都获得了提升，更加夯实了其他设计产品的物质基础。现代设计的需求也催生了更多新材料，如航空航天产业对轻量化的设计需求使钛合金与碳纤维大放光彩，先进照明与显示产业对光源的设计需求催生了GaN蓝光LED材料，等等。

与此同时，各种新的、强大的材料加工方式也爆发式地发展起来。铸造、锻造等古老的金属加工技术从手工作业发展成为大机器生产，再到流水作业线和自动化生产。机械加工方式及机床的诞生，开创了精密和超精密加工金属零件的时代，这使得设计由极其大量的零件配合在一起形成具有复杂功能的现代产品成为可能。这个时期还催生了大量的特种加工方式，如各种电加工、高能束加工、化学加工等。大量的新材料及其新加工方式为新设计提供了新的可能性，大大地促进了设计的发展，工业和社会产品也随之极大地丰富起来。交通领域里，汽车、轮船、飞机、火车等提供了快捷舒适的出行方式；工程领域里，水泥、钢铁、沥青的大规模生产及大型工程机械使得大型建筑工程得以高效地建设起来，建造了跨海大桥、高铁系统、大型机场、体育场等巨大的基础设施；生活领域里，广播、收音机、电视机、自行车、洗衣机、厨房电器、照相机、摄像机等使生活变得越来越方便和丰富多彩；军事领域里，坦克、航空母舰、潜艇、导弹、自动步枪等显著改写了战争模式。

这一时期，科学技术在各个领域相互渗透，现代设计与材料之间的关联越发紧密，二者之间相互促进、相互推动的关系在这一时期表现得淋漓尽致，并朝向更深一步的相互融合方向发展。

材料及其加工技术的发展在工业时代依然是设计发展的支撑要素。然而，工业时代材料与设计的关系出现了一个新的特征：设计对新材料提出需求，促进材料的发展。这是由两方面的因素共同促成的：一是新材料的大规模发展为新设计提供了越来越多的可能性和自由空间，使设计思维得到了前所未有的解放。设计不再仅仅依托现有材料进行，在不断发展的设计思维指导下，产品在结构和功能设计方面的创新突破反过来提出对新材料的需求；另一方面是人类有了创造新材料的强大技术能力，使得设计师可以期盼通过开发具有新功能和更高性能的新材料来实现重大的设计目标。于是，人们发现在大量的领域里，制约新产品设计的瓶颈是材料性能和制造技术不能满足设计需求。

目前，从新材料开始研发到最终工业化应用一般需要10～20年。以能源领域的锂离子电池的研发为例，20世纪70年代中期锂离子电池的实验室原型就得以建立，然而受限于电极、隔膜等材料开发的制约，直到90年代晚期才逐渐在移动电子设备中得到推广应用；受到储能材料开发的限制，动力型锂离子电池至今还无法在电动汽车中得到广泛应用，即便是在纯电动汽车中引领时代潮流的特斯拉（Tesla）汽车，目前也仅是采用了8142颗18,650单体电池作为电力储备方案，大量单体电池的协同工作对汽车的电量监控、充放电控制提出了极高的要求，也因此带来了系统可靠性的降低和额外的控制风险。在化石能源枯竭、危机日益严重的情况下，为了满足绿色能源产业及电动交通工具的发展需要，迫切需要开发具备更高能量密度、高循环次数且足够安全的储能材料。

看着不起眼的磁性材料在现代科技应用中占据着重要地位：磁铁在能源、交通及信息行业中都不可或缺，受关联行业快速发展的刺激，对优质磁铁的需求也不断攀升。传统的铁基和铁氧体磁铁因其能量密度过低无法满足产品设计上的需求，而添加了稀土元素的钕铁硼永磁体则因其优异的性能受到了人们的青睐。风力发电机、电动汽车和电动自行车中的马达必须强大且轻巧，只有钕铁硼永磁体才能二者兼得，每辆电动汽车中的马达需要大约2千克钕铁硼永磁体；一座能输出百万千瓦电能的风力发电机，则需要大约2/3吨优质永磁体。测算表明，仅风力发电机一项，就会促使优质永磁体的需求在2010到2015年之间攀升7倍。随着磁性材料需求的快速增长，稀土资源的消耗使得高性能钕铁硼磁体材料的持续开发利用难以为继。在稀土资源紧缺的情况下，美国能源部率先开始倡导研发用于替代稀土永磁体的磁性材料，被缩写为“反击”（react）的“关键技术中稀土替代品”（Rare Earth Alternatives in Critical Technologies）项目由14个不同的研究小组构成，总投入为2200万美元，其目标就是研发对稀土元素需求更低的高性能磁性材料。

航空航天业的快速发展对先进轻型金属材料及复合材料的研发和应用提出了挑战。前美国总统奥巴马于2014年2月25日宣布，出资1.48亿美元在底特律和芝加哥分别建立两家先进制造业中心，重点研发用于国防、航空等领域的先进轻型金属材料。其中，位于底特律的创新中心将专注于适用于国防、航天、工业机械等领域的先进轻型金属材料的研发，而位于芝加哥的创新中心将致力于软件开发和数据管理技术，以帮助制造商以更短的时间和更低的成本实现其产品设计。来自印度的市场咨询机构Composite Insight发布的“全球航空航天复合材料工业2014—2019年趋势和预测分析”报告则显示，因持续增加的现有和新型的大型商用飞机，以及民用直升机和公务喷气机的生产，复合材料在全球航空航天业的需求在过去三年期间显著增加，而随着航空旅行需求增长以及燃料价格上升，商用航空业将进一步增大先进复合材料在新型高效飞机中的应用。正在加速开发的中国商飞ARJ21和C919、庞巴迪C系列、三菱MRJ21、苏霍伊-超级喷气-100等新飞机项目，将确保先进轻型金属材料及复合材料在民用航空领域中持续的增长需求。

工业时代，材料与设计关系更多地表现为相互促进，相互推动：一方面，新材料以爆发的速度增长，大量的新材料为新设计提供了新的可能性，与此同时，材料制造工艺也取得了革命性的进步，大大地促进了设计的发展；另一方面，人类需求的爆发性增长，科技带来的生产力的进步，加上新材料提供的物质基础，使设计思维得到了前所未有的解放，层出不穷的现代设计拉动了对新材料的需求，设计不再仅仅依托现有材料进行，而是要求开发甚至是创造出具有新功能和更高性能的新材料以实现重大的设计目标。这对材料的发展起到了积极的推动作用。

1.2.3 知识网络时代：创新设计与材料的关系

进入网络信息时代，全球宽带、云计算、云存储、大数据，新材料与纳米技术、新能源、空天海洋、深部地球、高端制造、生物医学等为设计制造与材料创新提供了全新的信息网络、物理环境和新的技术创新动力。同时，新兴经济体快速崛起、全球市场持续发展，多样化个性化需求、资源环境压力、气候变化、健康与高生活品质需求等，成为设计制造与材料创新进化的巨大市场动力和新的可持续发展目标追求。此外，宽带网络、云计算、虚拟现实、3D+X打印、信息开放获取、交通物流、全球市场等，为设计制造与材料创新创造了全新的自由公平竞争和全球合作环境。

在此背景下，设计与材料的创新和应用将更依靠创意创造、创新驱动，依靠科学技术、经济社会、人文艺术、生态环境等知识创新与信息大数据。设计制造与材料创新和应用的全过程、所有产品的设计制造、运行服务将不仅如同工业化时代处于物理环境之中，而且同时将处于全球网络环境之中。设计与材料创新将从工业时代主要注重产品的品质和经济效益，转变和拓展为对营销服务、使用运行、遗骸处理和再制造等产品全生命周期的整体关注，其价值追求已经转变为追求资源高效循环利用与社会可持续发展，达到经济社会、文化艺术、生态环境和谐协调的系统优化。

因此，新的时代环境必然会使设计与材料延续和深化工业时代相互激发、相互促进的关系；新材料将继续成为新概念、新设计、新工艺“具现化”的物质基石，而创新技术和工艺也将进一步推动新材料的改良和诞生。

不仅如此，设计与材料还将在知识网络时代实现相互融合，这种融合表现在：①个性化和定制化的需求被大大激发，设计成为无所不在的需求，这种巨大的设计需求建立在数量更多和水平更高的材料及其制造技术基础上。例如，3D打印技术以其能够制造几乎任意复杂材料结构的能力，对设计创新的推动作用尤为显著[10]。②随着需求对象体系的日益复杂化，只有经过精确设计的产品才能满足日益提高的使用需求，设计将成为一个十分复杂的方法体系，深入到产品结构的各个层次，包括材料本身都是精确设计的对象。例如，不断演进的纳米技术将使人们能够从原子层面构建新材料，或对现有材料进行重构，使之具有更加优异甚至前所未有的性能。此外，长期以来人们在不断进行材料设计过程中所积累的知识基础，辅以大数据技术和信息技术，得以构建出材料的“基因组”数据库，从而可以摆脱复杂漫长的实验，实现对新材料复杂系统的精确设计。③通过纳米技术、材料基因组等得到的品种多样、功能丰富、性能优异的新材料设计，如超智能材料、超强结构材料、绿色环保材料、生物仿生材料等，将颠覆过往的产品设计理念和设计方式，使设计师能够根据需求实现任何设计，随时回应市场需求。

与此同时，由互联网引发的通信革命拉近了人与人之间的距离，并且让人们得以用前所未有的方式来分享观点和创造新构想。在此背景下，以技术为中心的设计理念已经无法满足人类社会的发展需求，设计思维开始向以人为本转变，人们将致力于设计、创造能够平衡个人与社会整体需求的新产品，能够解决能源、健康、交通、气候等全球性问题的新型产品和服务体系。同时，产品制造方式将发展进化为依托网络和知识信息大数据的全球化的绿色、智能制造与服务方式，设计与制造重新融合，制造者、用户、行销、运行服务者皆可共同参与。由此带来了材料、设计与制造深度融合。未来，除了材料本身要设计和创造以外，更要做到料要成材、材要成器。设计不但需要解决材料的制备工艺，还需要关注材料的制造装备、性能表征，以及材料组成器件、形成系统，直至回收再利用的全生命周期。设计将基于网络信息和大数据、云计算，将融合理、化、生、机、电等多学科工程技术创新，融合理论、实验与技术仿真等科学方法，体现高性能、低成本、绿色化、短流程、少设备、少耗材等特征。材料的设计、构件的设计乃至系统的设计将和整个制造充分融合，形成一体化、数字化、智能化、网络化的发展趋势。如图1.6所示，在材料、设计和制造三者的关系中，设计是核心、是灵魂，材料是基础，制造是实现料要成材，材要成器的关键和保障。设计以社会需求为根本出发点，促进科技与文化的结合，加速新材料的研发、制造和应用，实现产品使用价值与文化价值的有机统一。设计将催生新技术、新工艺、新产品，满足新需求。因此，在知识网络时代，设计在支撑材料发展的同时，也将引领材料的创新与发展。