我的邻居是家居用品设计师，我去他家吃饭时，他总会向我展示他最新、最畅销的作品。有一天晚上，他让我看了一个波浪形的灯罩，还有一次他递给我一个交叉相扣的盐和胡椒粉的调味瓶。不论他设计什么，一旦他开始了这一晚上的展示和陈述，我们的谈话就展开了。
我的邻居喜欢告诉他的晚餐客人们，设计的过程是充满乐趣的，但是仅仅开始阶段有趣。他会说，可以将专业人士和业余爱好者区分开的真正挑战就是如何将一个设计制造出来。从设计原型到批量生产的飞跃不亚于跨越一个大峡谷。
我的邻居会解释说，一个好的设计师必须确保其设计理念实际上是可以在工厂里生产制作的。同时他还得是一个销售人员，可以说服制造商相信他的设计可以赚钱，而且赚的钱足以负担制造商建立一条工厂生产线过程中的大量投资。
我有一阵子没见我的邻居，但我迫不及待地想告诉他，他的黑暗日子已经结束了。3D打印机就是众多设计师和艺术家一直苦苦等待的输出设备。复杂和独特的形状也许是制造工程师们担心的问题，但对艺术家、时装设计师、珠宝制造商以及建筑师来说，复杂的模型和新颖的几何形状代表着未知的新机遇。
建筑师、工业设计师和艺术家迫切地希望赶快开发利用这一大批新的可供设计的宝藏。3D打印消除了很多才华横溢的设计师在实现他们想法的过程中遇到的资源和技术限制。3D打印和设计技术实现了他们第一次向小批量生产的商业领域的进军，例如珠宝制作、高档家居装饰以及实验性的时装设计。
计算机：如同大自然造物者
自然界中发现的很多物体在测量时都具有规则的尺寸，可根据数学方程绘制。你见过切成两半的贝壳吗？贝壳的螺旋线是被称为“斐波那契数列”的古老数学概念的自然体现，无论外壳的大小是像乒乓球还是像大西瓜，其内部的螺旋曲线往往具有相同的形状。
斐波那契数列在自然界中随处可见。树枝就按照这个顺序分叉生长，蕨类植物和洋蓟花的形状，甚至漩涡和海带波动的模式都是如此。
斐波那契数列以规律的方式展开。每个数字都是前两个的总和，以简单的规则可以生成序列，所以数列的顺序是1、1、2、3、5、8、13、21……计算机被指定这一规则后，就可以轻松地计算斐波那契数的长数列。
随着计算能力的增强，研究人员发现模仿大自然设计智慧的最有效的办法之一，就是运用数学规律或算法生成形状。计算机生成的三维分形艺术已经存在了几十年，但是直到最近仍只存在于虚拟世界中。唯一改变的就是3D打印技术将实现把复杂抽象的模型从虚拟世界拉入现实世界这一构想。在3D打印技术诞生之前，贝壳的螺旋内腔室只能自然形成。
设计师们多年来都使用常规软件进行设计。有机设计作为一种新模式方兴未艾，终于出现了一种输出设备可以将这些概念变为现实。随着3D打印将数学模型和自然规律从抽象的束缚中解放出来，各种以前无法实现的设计正逐步呈现。
由算法或公式产生的图形通过人为的方式产生多种变化。利用数据和算法的结合，设计师们可以创造出多种二维和三维的形状和图案。一些算法可以生成分支结构，一些可以生成曲面形状，如大量肥皂泡，还有一些可以生成随机的角刺，如石英晶体。
大自然的制造过程是重复的。所有的生物（从一株植物到人类胚胎）通常都是从一个简单的生殖细胞或种子开始，遵从一套相对较小的发展“规律”重复进行。像不断对一个数学公式进行赋值一样，种子发育的形状、形式和模式受周围环境或有限的可利用资源中的诱因驱动。在一个较小的范围内，汽车挡风玻璃上的一片冰晶体是从籽晶开始根据固定的重复模式生长和扩散的。
咖啡桌也可以成长。Fractal–T（T型碎片）就是由设计师赫尔诺特·奥伯费尔、简·沃特尔和马蒂亚斯·贝尔设计的一个3D打印的咖啡桌。设计师们评价这一惊人的3D打印作品为：“其外观加强了自然和数学公式之间逐步增强的联系。”Fractal–T外形的灵感来源于树枝规则的生长结构和模式。咖啡桌使用立体平版印刷和半透明树脂塑料制作，是一件完整的3D打印作品，没有接缝或接头。它的设计者指出“使用其他制作方法完全不可能做出Fractal–T”。
图10–1?基于模拟树枝结构和生长算法制作的咖啡桌
图片来源：MGX, a division of Materialise. Designed by Gernot Oberfell, Jan Wertel, and Matthias B?r.
Fractal–T是一件几何模型的杰作。树状茎交织在一起，变成越来越小的分支，直到桌面。它的半透明桌体是怀旧的硬化树液。Fractal–T已经在伦敦的维多利亚和艾伯特博物馆、纽约的大都会艺术博物馆和巴塞罗那的设计中心等几个精英艺术博物馆展出。
如果你浏览Shapeways网站，就会发现3D打印珠宝是目前市场上最受欢迎的业务之一。珠宝相对较小，任务相对比较简单，也就是说，完全没有必要像3D打印航空器零件那么小心谨慎。因此，珠宝也就成为最受欢迎的设计和打印对象。
芭谢芭·格罗斯曼是3D打印领域最著名和最早的设计者之一。芭谢芭主要设计雕塑、珠宝和家居用品，其几何外观代表了数学和物理学的著名定律。芭谢芭的设计拥有一个共同的主题：数学。
图10–2?芭谢芭设计的3D打印作品开瓶器的灵感来源于被称为“克莱因瓶”的数学概念
图片来源：Bathsheba Grossman
芭谢芭在她的网站上这样写道:“我是一个探索艺术和数学交叉领域的艺术家。”她的代表作之一就是将著名的数学算法博罗梅安环设计成型，该设计为一款项链吊坠，由边缘不相碰的三连环做成。像博罗梅安环这样的项链吊坠一样，格罗斯曼的大多数作品都具有错综复杂和不断重复的内部几何结构，只能由3D打印机制造出来。传统的珠宝制作方法，如蜡模或焊接，都不能制造出这种连续不断的中空内腔。
设计师于内勒努（Unellenu）专攻设计可3D打印的不规则雕塑和珠宝，其各项设计的价格均接近于大多数消费者最高100美元的心理价位。于内勒努在Shapeways网站上的店铺提供多种选择，包括不同金属制作的树枝挂件，每一种代表一个数学模型。毕达哥拉斯树是一件珠宝首饰架，它的算法设计来源于锥尖，三角形的分支用来悬挂项链、耳环和其他首饰。
图10–3
注：麻省理工学院教授内里·奥克斯纳姆是生成设计领域知名专家之一。她利用3D打印技术制作由数学算法设计的图形，如玻璃、钢材和木材，而这类图形基本不能采用传统材料制作。
图片来源：Neri Oxman, W.Carter (MIT), Joe Hicklin (The Mathworks), Centre Pompidou, Paris, France, Photo: Yoram Reshef
神经系统公司是一家由美国麻省理工学院毕业生杰西卡·罗森克兰茨和杰西·路易斯–罗森博格于2007年成立的生成设计公司，主要设计基于数学模型的3D打印家居用品和珠宝。他们的产品风格以藻类、珊瑚、细胞和脉络的闪亮再现为主，其灵感来源于自然规律。神经系统公司在一个与消费者互动的程序软件上共享他们的数学系统，消费者可以利用这一系统设计他们自己独一无二的产品。
乔希·哈克是一位独立的艺术家和设计师，他认为自己是一位经过传统训练的艺术家和雕塑家，可以以人性的方式使用比特、二进制1和0表达自己，创作新颖的作品。我偶然在众筹网站Kickstarter上发现乔希为一件名叫“颅骨解剖”的雕塑项目的筹集资金记录。该作品是一件白色的雕塑，它的塑料头颅装饰是3D打印的。我们通话时，我得知他成长在伊利诺伊州的密西西比河流域，他将他放荡不羁的童年描述为集“‘60’后没有网络的社区生活、天使面孔魔鬼心灵的保姆、完整的艺术洗礼以及家庭悲剧”为一体的生活。如今他是一名全职的艺术家和领先的数字雕塑家。乔希解释说：“我所做的绝大部分是数字工作。”
几年前，当他开办和经营一家精品设计公司时，乔希就学会了使用设计软件和3D打印机。他说：“我不知道一个设计师在不知道工具使用方法的情况下，如何依然待在这个领域。”在这个行业摸爬滚打了几年之后，他始终难以抵挡想返回艺术和雕塑领域的召唤。2008年，乔希开始将他的所有激情都投入数字雕刻和3D打印。
乔希开始用3D打印技术制作他在计算机上设计的精巧复杂的几何图形。他说：“我习惯于在计算机上创作几何图形，但是它们太复杂了，几乎制作不出来，这些年我所画的设计图都过于复杂，难以雕刻，黏土、木头、石头，没有一样可以成功。”
乔希的很多雕塑作品都反映了他的传统训练—裸体和人物的研究，他的很多作品也都是数字化设计的3D打印。他的“结和纠缠”（Knots & Tangles）系列反映了他对自然形成的形状，如树根、藤蔓、神经网络或心血管系统等的热爱及他的设计潜力。
“我很庆幸，我经历了这些改变。这对艺术家来说是一次彻底的变革。”他有些动情地补充道，“这种有机的复杂模型从来没有开发和制造出来，我很期待未来的发展。”
无机的物理过程同样也可以产生图形。来自特拉维夫的埃亚尔·吉佛（Eyal Gever）创造了他称为“灾难艺术”的作品。他采用仿真算法，重建了眨眼就会消失的瞬间悲惨时刻。他集中全力，利用3D打印机使这些时刻成为现实，例如他成功展现了车祸或溢油的瞬间，这些在现实世界里均是冻结的时间效果。
图10–4?油的瀑布
注：油的流动模拟被用来计算几何图形，然后将其“冻结”制作一个打印的模型（小图）
图片来源：Eyal Gever ? 2012 All Rights Reserved www.eyalgever.com
3D打印：让你脚上的鞋子舒适无比
生成设计最有效的应用之一就是将计算机算法应用于某一特定问题，从而找到最佳解决方案。通过快速的迭代处理和对所有可能性的测试，计算机可以生成设计规格，当进行3D打印时，可以创造一件适应某一特定对象或环境的最佳产品。时装设计就是一个可以利用优化的3D打印技术、有机设计的成熟领域。我们参观了伦敦时装学院，以更多地了解有关3D打印时装鞋的知识。
当菲利普·德拉莫尔和几个学生走进来介绍自己，并将两只鞋摆在会议桌上的时候，我们与时装学院师生下午的会谈就开始了。菲利普解释说，这两只3D打印鞋都是硕士生设计项目的成果。两只鞋都是3D打印的，是时装学院和伦敦一家名为Within Technologies的软件设计公司的合作成果。
菲利普负责的学院时尚数码工作室是时装学院的学生接触先进技术进行实践的地方，如全身扫描室以及最近的3D打印技术。菲利普说：“时装设计产业越来越关注时尚的功能性。”
撇开舒适性不谈，鞋的款式与我之前见过的任何一款鞋均不相同。我不是一个天马行空、想象力超常的时尚潮人，但这些鞋是完全不同的，背离了传承千年的传统设计。一只鞋是黑色的，充满了短刺，像一只豪猪的背部或者更像一张钉床。设计师罗斯·巴伯告诉我们，几周前，这些鞋曾经出现在那些大摇大摆地走猫步的男模脚上。
罗斯告诉我们，他的鞋之所以与众不同，不是因为它们的外观，而是工业设计造就了它们。帮助设计鞋子的软件公司Within Technologies开发了基于自然的设计解决方案。举例来说，Within Technologies最近的项目中包括一个优化金属发动机缸体热交换项目，公司的工程师研究了鱼鳃中水的流动，从而发明出一种非常有效的发动机缸体，它的内部几何结构就是波浪形和腮状的。
图10–5
注：由伦敦时装学院的罗斯·巴伯设计的3D打印鞋，由Within Technologies公司优化。里面的皮鞋手工缝制进去，以确保男模走秀时穿着的舒适度。
图片来源：Ross Barber
罗斯向我们指出，他的3D打印鞋并没有使用任何胶水黏合。它们采用通常应用于制造工业零部件的超耐用聚合材料，作为一个整体打印出来。为了改善鞋子的舒适度，罗斯手工缝制了一只从男鞋店中购买的皮靴面。结果就成了眼前这只罩有标准鞋面、蕾丝和鞋舌，并嵌套在一个3D打印的鞋壳内的混搭鞋。
菲利普把鞋放在桌子上。我拿起来，惊叹它竟如此轻盈。尽管鞋子主要追求吸引时尚界的关注，但这也是一件不可思议的应用，它结实耐用，采用工程级别的高分子聚合物制成，而且结合了Within Technologies公司复杂烦琐的计算机
算法。
Within Technologies公司的技术总监安东尼·鲁托也于当天下午参观了伦敦时装学院。安东尼解释道，他和罗斯改写了一种设计算法，该算法通常被Within Technologies公司设计者用来制作定制的医疗整形植入物，如人造髋关节。为了满足设计一只鞋的挑战，重量上要轻，而且要结实耐用，安东尼和罗斯调整了医疗整形算法，从而达到优化鞋底结构和外形的目的。
经过几个月的辛苦工作、实验和纠错，安东尼和罗斯设计并打印出外观靓丽、轻巧、舒适耐用的鞋子。安东尼向我们演示了该鞋底的设计生成过程：鞋底制成了类似格子框架的结构，而这种格子结构的定制设计使鞋子减轻了重量，但又比工业用的橡胶鞋底耐用。
大多数人听到“格子”这个词都会想到一个玫瑰花园或是开满鲜花的绿色藤蔓，向上缠绕在一排白色网格结构的栅栏上，那是一种二维的格子。二维格子采用传统的生产工艺是很容易制造出来的，但3D打印技术出现在设计舞台前，三维格子是无法制作的。
格子是一种拥有广泛应用范围的基本工程结构，类似于可以用来制作出精美糕点的生面团。格子结构是生成设计的经典案例，是由计算机算法自动生成定期重复的、半定期重复的或者随机重复的结构。一些三维格子结构内部是带角的重复几何形状，如三维三角形，而其余的则看起来像是纤维的随机纠缠。
当罗斯完成他的陈述后，我们转向了摆放第二只鞋的桌子。这只鞋同样也是3D打印的，是一只女士的露趾凉鞋，白色楔形高跟，亮桃红色鞋面。设计这只鞋的学生名叫宋坤（Hoon Chung），其导师同样也是菲利普。宋坤解释说他采用了不同的设计方案，较少关注内部结构和鞋子的耐用性，更多关注它的市场吸引力和制作过程。
图10–6?由宋坤设计的3D打印鞋模
图片来源：Hoon Chung
像大多数设计师一样，宋坤喜欢3D打印他的设计理念，因为这样他可以更好地控制制作过程。本学期初，宋坤首先考虑的是注塑鞋。他访问了西班牙的鞋厂，并看到了胶水和工厂使用的其他化学产品对环境造成的危害。
宋坤进而说到3D打印，他发现增加添加剂的制作过程使他能够利用模块化组件制造鞋子。鞋子的部件可以互换，所以穿鞋人能够“啪”地解开鞋跟，然后换上其他颜色的鞋跟，这样脚上的鞋就焕然一新了。模块以及替换零部件也不需要用胶水黏合，方便环保。
图10–7?下一代沙滩装
注：图中为无尽时尚设计工作室（Continuum Fashion）的詹娜·费瑟和黄玛丽设计的3D打印比基尼。
图片来源：Jenna Fizel and Mary Huang, Continuum Fashion
获取生物数据：打印最优化产品
大部分西方的设计历史记录都把自然和科技看成极性。自然之力是随性且不可预知的，是一种被驯服的力；设计就是从自然的混沌中进行创作的过程，将人类理性的标记印刻到原材料上。想想装饰华丽的巴洛克家具风格或是在俄罗斯东正教教堂发现的令人震惊的精雕细琢的镀金塑像。
是的，几十年前，现代建筑就包含有机和自然启发的形状。然而，并不是每一个人都同意建筑师应扮演的创意角色，将引导和协调基于生物算法的应用当成一个设计问题。这就是生成设计之所以引起争议和破裂的原因。
如果生成设计是使用数学法则和约束的循环从而形成3D外形和模式的过程，那么到底是计算机还是人在做设计？有一些人也许会辩解说，因为生成设计的结果是数学模型循环的产品，所以它实际上就不是设计过程了。计算机只是盲目地按照它自己的程序运行公式和数据。但是，设计这些运算规则的正是这些艺术家们。
进化的过程“设计”了贝壳的形状，使其能够在残酷的海洋环境中生存下来，这一过程持续了数百万年，涉及数十亿次的设计循环（或产生新一代）。设计师通过计算机的计算能力、数据和3D打印技术来呈现这一进化过程。设计师能够使一套设计规则自动运行并监测由此产生的形状，使其展开成为一个模式。同时，设计师还能够应用相同的规律多次重复设计过程。设计师还可以改变设计规则，选择那些能够生成更好外观或是更有趣图形的设计规则。新技术的发展使设计师、艺术家和建筑师的水平和设计理念均获得提升。
珍妮·萨宾是康奈尔大学建筑系的教授，同时也是一名具有开创精神的建筑设计师。她的研究涉及生物系统、计算过程以及材料结构设计三者的交叉融合。我们采访了珍妮，从而了解到更多关于生成设计过程和体系结构的知识。“近年来，建筑设计过程从构图设计转变为生成设计。”她解释道，“写作和黑客软件已成为设计过程的一部分。”
珍妮毕业于宾夕法尼亚大学，获得建筑硕士学位，她在那里学习了6年。当她攻读学位时，她发现自己深深陷入一个不可预测的尚未开发的创作领域，那就是基于计算机的生成设计和3D打印技术。珍妮说：“生成设计最令人兴奋的一个特点就是不到最后你永远不知道结果将是什么。”
她目前的合作研究项目之一—埃斯金（eSkin），就是使用蜂窝数据来为设计师所使用的建材提供灵感的。她和她的团队使用3D打印技术探索和捕捉基于组件的生成模型中的生物行为。我们请珍妮教授来帮助我们了解在下一代建筑材料打印中受生物学启发的生成设计究竟起了什么作用。
“对于埃斯金项目，大量的研究工作都专注于理解建筑物在与周围环境互动和相互适应的过程中如何变得更具有生物性。”她说道。埃斯金项目的科学家们获得了大量数据，这些数据是通过团队中的材料科学家设计的工程基质上所附的人体细胞获得的；然后团队中的建筑师尝试“逆转”所观察到的行为—他们设计了算法来模拟所观察到的细胞行为和生长过程，之后团队采用这些算法来生成可大范围应用的新设计方案。
埃斯金研究项目的研究理念就是细胞行为可以帮助人们设计出更节能的建筑材料，这些材料能够模仿细胞适应变化的环境条件。在一封邮件中，她是这样解释的：
细胞知道如何回应并适应环境的变化。我们将捕捉它们的动作，然后数字化，并最终使用3D打印机将结果输出。3D打印机使我们可以通过实时限制材料和制作过程来探索生物的行为和过程。现在我们不太把3D打印机视为一个具有代表性的设备，而是通过使用可替换零部件来探索部分和整体的
关系。
图10–8?受细胞结构启发的3D打印产品
图片来源：Jenny Sabin
埃斯金研究项目属于仿生学的族群研究方法。美国自然科学作家雅妮·班娜斯认为仿生学是“学习并模仿生命设计的过程，它的创新来自于大自然的灵感”。计算机生成设计和3D打印令人兴奋的地方就在于，最终我们希望能够3D打印的形状是根据周围环境或应用最优化后的物体。
随着技术的进步，我们继续从大自然中寻找灵感。自然界的设计代表着一种能够应对现实世界挑战的、优雅的、经得起时间检验的解决方案。2010年，建筑设计师迈克尔·珀林在TED大会的演讲中提道：“可以把大自然看作是一个产品的目录，而一切都得益于一项每年投入38亿美元的研究及其发展。”
响应智能设计
在伦敦市中心的另一所建筑学院里，学生3D打印出了蜂窝结构和未来派圆顶形建筑原型。我在伦敦访问期间顺便走访了建筑联盟学院。学院与几座宏大的灰白色联排式石质住宅融为一体，距离特拉法尔加广场只有几个街区的距离。后来我得知学校在很多年前，即在伦敦房价涨成天文数字之前，就购买了这些联排住宅。学校在街区上曾经存在过的唯一线索就是悬挂在一座灰白色的石头房子上的一个不显眼的横幅。
我早已经通过电子邮件向学院的数字化样机教授杰伦·范阿美嘉德做了自我介绍，并约好对其进行采访。我到学校的那天，长长的走廊从学校的前门延伸到了热闹喧哗的接待区，众多热切的学生们正上交他们用牛皮纸包裹好的设计
作品。
杰伦·范阿美嘉德是学院里3D设计与3D打印领域的专家。相互寒暄之后，他带我从接待区下楼梯来到了数字化样机区，它就隐藏在学校后面一片连续的、如同洞穴般的地下室。桌上摆放着几架小巧的制造机器，抽象的3D打印雕塑品悬挂在天花板上，地面上堆满了奇形怪状的3D打印设计试验作品。
数字化样机区的房间布置并不是以教学为导向的。杰伦告诉我说，这些房间在20世纪70年代用来举办平克·弗洛伊德的演唱会。而在那之前，大概20纪50年代，建筑系学生就在现在这些打印机摆放的地方举办了摇摆舞会。
杰伦5年前受聘来到学校教授数字化样机和设计。“我一来到这，就对这里非常感兴趣。”杰伦说，“学生们对集群计算机设计类的课程具有浓厚的兴趣和需求，而作为一个关键的设计工具，3D打印机也就理所当然地被认为是计算机设计的
延伸。”
建筑史上有两个主要的思想流派：一种认为建筑设计是一门艺术，而另一种认为建筑设计更多地结合了工程制造的分析过程。杰伦说：“计算机辅助设计课程已经教了很多年，但其中创新的一点就是在实际设计过程中，我们可以应用计算机算法来帮助我们设计和创造出新颖的结构。”
“我刚来这所学校两三年的时候，数字化样机的理念就渗透到了每一门课程中。”杰伦说，“人们认识到设计软件和3D打印机并不仅仅是一门孤立的课程。相反，它们是另外一种工具，用来辅助所有可能利用它们来教授的其他课程。”
“计算机可以加强建筑设计的过程，我称它为3D思维。”杰伦说，“现在我们正开始应用这项技术捕捉物体形状最复杂的部分—数据，然后我们就可以编译算法，使其成为设计对象里不可分割的组成部分。”
“设计项目中最令人兴奋的事情就是拿到数据的时候。”杰伦巧妙地总结了数据在设计过程中所起到的越来越重要的新作用。不断增多的数据成为基于算法的智能设计和3D打印的原材料。来自各个渠道的数据被应用到建筑过程中，近期激光扫描已经成为建筑设计过程中的标准部分，传感器则成为另一个可以提供丰富信息的来源。
杰伦解释到，他的课程的长期愿景（愿景的实现依赖于一到两个学期的课程）就是设计一个响应型3D打印机。他设想了一种建筑物的3D打印机，可以直接拉到现场打印房屋和其他建筑物。这种响应型打印机可以对传感器传来的数据实时响应。智能设计软件快速翻译传感器传来的数据，进而引导打印机在特定的环境下制造出根据外部条件优化的结构。
一个响应型3D打印机将不断更新设计命令，并相应地调整它的打印过程。未来响应型设计软件将会不断调整所打印结构的建筑形状。智能设计软件能够调整建筑结构的空间形状，从而使建筑结构更稳定。除了能够引导外形变化，响应型的智能设计软件也能够引导3D打印机所用的材料或者组合材料发生变化。
这种打印机运作起来会是什么样呢？杰伦在他的笔记本电脑上给我展示了一段概念视频。在屏幕上，一个大的打印头被一层层地放置，从而创造出一个带有波浪形墙壁和尖顶的蜂巢状圆屋顶。视频展示的这个特殊结构的设计理念部分来自于带有通风井的墙。
杰伦说：“设计过程将包括智能化的部分，设计软件越来越复杂化，由自然环境决定的3D打印结构也会成为可能。”换一种方法来思考，也就是设计软件将作为一个动态响应电子蓝图，在一个封闭的反馈回路里，对3D打印机进行“传话”。
我得知杰伦正在学校指导一个学生科研项目，试图发明一个能够打印几米大小结构的3D打印机。由于这种打印机市面上买不到，杰伦和他的学生正在拆卸一个大型的数控机床，并装配上一个3D打印头。他们摆弄这台机器，希望可以发明一个能够自由起伏摆动的打印头。
响应型3D打印技术很有可能在5~10年内成为现实，杰伦告诉我说。我质疑说，发明一个大型打印机的本身结构相对而言就已经是这一项目的一部分了，而发明能够现场响应并做出最优决定的智能设计软件将花费更长时间。
不同于建筑起重机将钢筋投放到指定位置的方式，一个3D打印的结构是由能适应压力和负荷的建筑材料的定制混合而成的。就像一块不断生长的骨头，当在上面放置重物时，就会变厚，而3D打印的响应型桥梁就能够随着模拟压力的增加而增厚。
Fabbaloo博客（一个关注3D打印的博客网站）里一篇文章谈到个人制造和3D打印的问题时，是这样描述的：“想象一下，建筑用的大梁在需要坚固的地方坚固，在需要轻巧的地方轻巧—或者在稀疏的部分不用任何材料。造出的每一块都能够根据它的特有目的，应用最少的材料，提供最好的物理强度。”
在理想的状态下，3D打印的结构能够采用本地可用资源制成，例如沙子或泥土。智能设计软件能够将材料混合，其本身就是一种复杂的艺术。而响应型3D打印技术要想变成现实，就需要更好的建筑材料、更有效的计算建模能力以及更强的变速数据分析能力，从而实时地响应设计的变化。
响应型打印机能够应对各种现实挑战。它们能够为流动人口所用，如难民或自然灾害的受害者，帮助他们建造避难场所。在普通情况下，作为建筑材料的一种改善，响应型打印机能够建造出生态友好型高密度舒适住宅。响应型、智能型和现场型的施工将对未来军事和太空探索大有益处。
便携式响应型打印机能够建造低成本住宅。根据《科技》（Txchnologist）杂志摩根·佩克的数据，在美国建一座2 800平方英尺的标准两层楼房需要花费6周到6个月的时间，成本的一大部分来自于原材料，另外一块成本及困难源自施工过程和施工人员成本。
3D打印技术和计算机让我们可以从自然系统中汲取养分，并将数学模型应用到设计过程中。设计师休·都百利总结道：“设计不再只关心物体本身，渐渐变成关心系统，而现在是系统的系统，或者说生态系统。从某种意义上说，这些系统都是活的，它们不断成长，共同进化。”
用3D打印机打印建筑物
3D打印的结构已经出现。如今专家们正在使用传统的设计软件和定制的3D打印机打印水泥房子。像它们小尺寸的兄弟一样，建筑物的3D打印机能够制成迄今为止没办法制成的形状，如改善通气的渠道，特别的建筑特征以及千奇百怪的花样装饰。
南加州大学的教授比洛克·霍什内维斯正在打印建筑物。几年前，他和他的学生开始将实验黏土作为打印材料。现在，他早期的研究取得了进步。他可以使用名为轮廓工艺的建筑机器人，建造出大型混凝土建筑。
建筑机器人的工作原理跟普通大众使用的“喷嘴”3D打印机基本类似，都通过一个喷嘴打印头来挤压原材料。机器人通过喷射水泥浆来勾画出建筑结构的轮廓，然后使用纤维材料进行加固。随着打印头的不断移动，底层逐渐变硬，从而难以支撑不断增加的墙壁的重量。
目前，轮廓工艺机器人能够建造高7英尺、长23英尺、宽15英尺的建筑结构。比洛克估计他的打印机可以20秒内建造1平方英尺的墙。轮廓工艺几秒内就可以铺设厚的水泥浆流，它拥有两个旋转铲子，随着水泥浆的注入，旋转铲子不断磨平每层水泥。
图10–9?轮廓工艺从喷嘴中喷射纤维增加水泥强度
图片来源：Behrokh Khoshnevis Center for Rabid Automated Fabrication Technologies (CRAFT) at the University of Southern California
现在，轮廓工艺技术尚不能将关键的基础设施嵌入到它的水泥毛坯中，如管道和电线。但相信总有一天，将会加入更复杂的建筑工具来帮助建筑机器人打印，例如新加一个“管道安装工”，机器人就能够将管道铺进逐渐变硬的水泥中。
科幻小说家布鲁斯·斯特林有一句名言：“就像白蚁在地球上建造城堡一样，机器人也可以在月球上建立起摩天大楼。”因为有太空旅行的想法，美国国家航空航天局资助了几个比洛克的建筑研究项目以探索在外太空建造建筑物的可能办法。比洛克预想某一天能够在月球和火星上盖房子，或者在地球上提供紧急的低成本住房。
在大西洋的另一边，意大利比萨斜塔的外面，意大利设计师和建筑师恩里科·迪尼设计了一个计算机引导的3D打印施工方法，使用沙子和一种无机黏合剂来建造人造砂岩。沙子是全球最常用的建筑材料之一。恩里科描述他的打印作品就像大理石一样光滑，冰凉，坚硬。他把他的建筑打印机命名为“D型自动化建造系统”。连接到D型打印机上的计算机运行计算机辅助设计软件，可以引导自动化手臂在一片沙床上一点点移动。
D型打印机通过许许多多的小打印头将液体黏合剂挤压到沙床上，黏合剂含有催化剂能够快速黏合沙子。反复工作4遍之后，打印层开始凝固，再将新沙子撒到上面，重新校对自动化手臂，在第一层的上面重新涂一层黏合剂。打印的墙壁凝固需要花费约1天的时间。
我们在恩里科的网站上看到，黏合剂非常牢固，可以替代铁来加工建筑。由D型打印机打印的人造石头能够由任何一种沙子支撑，而且比普通水泥更坚固、便宜。3D打印的砂岩结构比采用传统建筑材料建设更方便快捷。
图10–10
注：恩里科·迪尼用沙子和黏合剂打印出的结构。石面坚硬且光滑，外形和曲线很难用石头或大理石手工雕刻出来。
图片来源：Enrico Dini and Andrea Morgante
在写本书时，我不知道有没有人住在3D打印的房子里。但也许有人会做第一个吃螃蟹的人，来感受一下打印房屋里的各种设计构想。跟传统3D打印机能够自由打印形状一样，建筑物3D打印机能够在一个更大的范围内打印奇特而不寻常的物理形状。想象一下生活在一个有巨大石头圆顶或者像印第安人村庄的房子里，你可以对你的屋顶进行各种装饰，甚至可以打造你自己想象的怪兽状滴水嘴。
图10–11
注：“神奇板凳”是3D打印的水泥产品。使用传统的水泥浇灌技术不可能造出这种曲线和中空的内部管道。
图片来源：Sungwoo Lim and Richard Buswell. Photo: Agnese Sanvito
目前尚无法预估3D打印混凝土房屋的未来。但在小范围内，大家可以从打印一个简单的混凝土户外长凳开始。拉夫堡大学的一个研究小组（现设于诺丁汉大学）通过对轮廓工艺运行原理的整合和扩展，制造出3D打印水泥产品—“神奇板凳”。
神奇板凳是一种内部带有通风管道的蜂窝状结构，研究者将其称为“空隙”。这些空隙可以作为良好的保温载体，或者只是简单地提供一个开放空间来安装额外的建筑部件，可能是我们之前提到的管道和电线。神奇板凳向我们展示了3D打印更大型且复杂的建筑结构的可能性。打印的建筑结构可能包括内置的电路、电线和水管，还可以包括智能空间或空隙。这样，之后就可以很容易地添加额外的住宅基础设施。
机器人设计师
斯蒂芬·托德和威廉·莱瑟姆在一本有关计算机图形学的著作《进化艺术和计算机》中解释道：“计算机不会盲目地服从指令，它们只是用来提供建议，从而使艺术家们保留决定最终审美选择的权利。”而下一代的智能设计软件工具就会具备相同的设计效果。
总有一天，创作的过程将会由智能响应型软件或者“机器人设计师”进行辅助，这将加速实现设计解决方案。如今，计算机算法已经能够提供超出设计师所能想象的更为复杂的设计解决方案。未来，连接到3D打印机和数据源的机器人设计师将会改变设计师、艺术家或者建筑师的角色。
未来，人们将不再花时间起草和测试可能的设计方案。相反，我们将拥有对设计目的、设计约束和设计内容具备较高水准的机器人设计师，而人们只需要定义目标解决方案的参数。未来，设计师、艺术家和建筑师不会被新工具淘汰，相反，他们将会达到一个崭新的创作高度。
