前言
最近一直在準(zhǔn)備申請(qǐng)，也是有點(diǎn)糟心，又恰逢畢設(shè)即將開題，所以心想無(wú)論結(jié)果如何，畢設(shè)還是要認(rèn)真對(duì)待。也由于之前一直在關(guān)注如何用程序輔助做設(shè)計(jì)，也慢慢接觸到了Self-assembly這個(gè)概念。所以也想著深入了解一下這個(gè)自組裝的思想，看看自己能不能結(jié)合自己專業(yè)，做點(diǎn)有趣的東西出來(lái)。
*部分觀點(diǎn)內(nèi)容整理來(lái)自《Autonomous Assembly: Designing for a New Era of Collective Construction》
什么是Self-assembly
Self-assembly一般意義上來(lái)說(shuō)，是用來(lái)形容一無(wú)序系統(tǒng)在沒(méi)有外部的干預(yù)下，由個(gè)別部件間之互動(dòng)（如吸引和排斥，或自發(fā)生成化學(xué)鍵），而組成一個(gè)有組織的結(jié)構(gòu)之過(guò)程。在在化學(xué)、生物和材料科學(xué)中，是一個(gè)常見的概念，一個(gè)自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)就可以描述成一個(gè)自組裝的過(guò)程。同樣的，DNA轉(zhuǎn)錄mRNA，通過(guò)核糖體將mRNA中堿基序列翻譯成蛋白質(zhì)，就是典型的self-assembly的過(guò)程（努力回憶高中生物課程hhh）。
不過(guò)這些討論的都是分子層面上的，如果我們把這個(gè)過(guò)程給過(guò)程給抽象一下，就以一個(gè)非常常見的化學(xué)方程式為例。
碳在氧氣中燃燒生成二氧化碳，也就是意味著在燃燒的過(guò)程中，碳分子與氧氣分子結(jié)合，生成了二氧化碳。碳分子與氧氣分子式反應(yīng)物，二氧化碳是生成物，而燃燒，是反應(yīng)條件，在這個(gè)反應(yīng)背后，實(shí)質(zhì)就是一個(gè)化學(xué)鍵斷裂重組的過(guò)程。等同于化學(xué)反應(yīng)，一個(gè)自裝配系統(tǒng)同樣包含這些因素：
- 組件(parts)，用于裝配的部件
- 連接(links)，自發(fā)的連接方式
- 容器(container)，一個(gè)可以容納裝配過(guò)程的空間，可以提供裝配所需的條件
- *目標(biāo)(target)，這個(gè)目標(biāo)是最終裝配完成后的產(chǎn)物，是由前面綜合決定的，并不意味著100%可以達(dá)到
組件，連接，容器構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)裝配目標(biāo)的最基礎(chǔ)的條件，是一個(gè)自裝配系統(tǒng)必備的要素，但是光光具備了這些條件，并不是說(shuō)一定就能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，而是需要根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，越復(fù)雜，越難以精確。
自下而上的設(shè)計(jì)思想
前面討論了self-assembly的要素，不難看出整個(gè)自裝配系統(tǒng)，是一個(gè)自下而上的表達(dá)，通過(guò)將組建根據(jù)特定的連接方式，在一個(gè)合適的環(huán)境下，自發(fā)的完成裝配與表達(dá)。這個(gè)是一個(gè)非常自然而然的思想，尤其是在微觀尺度下，特別是在合成科學(xué)上。其實(shí)也非常顯而易見，因?yàn)樵谖⒂^尺度上面，我們?nèi)狈苤庇^的工具讓我們可以直接對(duì)某個(gè)精確的對(duì)象進(jìn)行一些操作，而更多的是通過(guò)某個(gè)特征來(lái)進(jìn)行廣泛篩選和定位，就比如CRISPR 基因編輯技術(shù)。
但是在宏觀尺度上面，我們就有了非常非常的工具和手段，能夠幫助我們直接對(duì)對(duì)象進(jìn)行操作，我們可以用錘子直接把釘子敲進(jìn)去，而不需要把所有的釘子都遍歷一遍。所以在思考和設(shè)計(jì)過(guò)程中，人們往往會(huì)習(xí)慣與自上而下（top down）思考。先是對(duì)一個(gè)事物有個(gè)大概的認(rèn)識(shí)，然后再一步一步的向下，把細(xì)節(jié)做好。所以這也衍生了自上而下的設(shè)計(jì)思想，先完成整體設(shè)計(jì)，再將整體設(shè)計(jì)分塊，然后再逐個(gè)完善。自上而下的設(shè)計(jì)方式非常的高效，人們也憑借這種思想，也制造出了及其復(fù)雜的大家伙，航天飛機(jī)、高鐵、萬(wàn)噸巨輪，將上百萬(wàn)的零件組裝起來(lái)，然后還能平穩(wěn)的運(yùn)行，不得不說(shuō)，還是非常敬佩這些人的。
在這些復(fù)雜裝備的設(shè)計(jì)開發(fā)中，模塊化越高，也就意味著更加方便的裝配，維護(hù)，以及更大的升級(jí)空間。所以很多裝備會(huì)盡可能把不同的功能單獨(dú)出來(lái)，通過(guò)指定統(tǒng)一的接口，使得整個(gè)裝備在生產(chǎn)制造維護(hù)的過(guò)程中，零件的復(fù)用程度更高，降低成本，提高效率。這也是常常提及的標(biāo)準(zhǔn)化。于是也就誕生我們經(jīng)常使用的螺栓螺母這些標(biāo)準(zhǔn)件了。
當(dāng)然，光靠螺栓螺母這些連接件，并不能做出很有價(jià)值的東西，我們還需要一些結(jié)構(gòu)件，就比如鋁型材、工字鋼這種，不過(guò)就算如此，很多場(chǎng)合下，還是需要單獨(dú)加工和制造一些針對(duì)特定用途的非標(biāo)件，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)件并不能滿足應(yīng)用，而且這種非標(biāo)的需求現(xiàn)在還是非常普遍。
但是這種模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的思想已經(jīng)開始深入人心，樂(lè)高就是一個(gè)完美典范。樂(lè)高將小小的塑料磚塊作為普遍工具，使人可以搭建理想的東西。哪怕就是一輛真正能夠開的"跑車"（maximum speed:20km/h)。
從磚塊出發(fā)的搭建，就是一種自下而上（bottom up）的裝配方式，這是一種非常有機(jī)的方式，這讓我不禁想到在物理仿真、影視特效中常常使用的粒子系統(tǒng)。通過(guò)將粒子個(gè)體賦予規(guī)則屬性，比如重力、速度、極性，然后再將成千上萬(wàn)的粒子放在一個(gè)環(huán)境之中，便由一個(gè)簡(jiǎn)單規(guī)則，便組合成了復(fù)雜與驚人的景象。
所以，無(wú)論是一塊樂(lè)高積木，還是單獨(dú)一個(gè)粒子，就是整個(gè)系統(tǒng)中一個(gè)組件，通過(guò)簡(jiǎn)單的規(guī)則相互連接，在合適環(huán)境中，表達(dá)出了驚人景象。搭建和定義規(guī)則過(guò)程，實(shí)際上就是對(duì)目標(biāo)自下而上的設(shè)計(jì)過(guò)程。那么對(duì)于self-assembly，連接部分，是需要被設(shè)計(jì)的。這是一種面向過(guò)程的設(shè)計(jì)，而最終產(chǎn)物則是反應(yīng)的體現(xiàn)。（意義在于滿足了過(guò)程的需要，那么就是滿足了結(jié)果的需要）
Self-assembly lab的一些案例
在大的尺度上的自裝配，MIT的self-assembly lab是做了很多研究，而且開始的也很早。開頭提及的那本書，也是這個(gè)實(shí)驗(yàn)室出的。更多的研究案例可以在他們網(wǎng)站上面看到 ：https://selfassemblylab.mit.edu/
Self-Assembly Line
這個(gè)滾動(dòng)裝置是受到病毒自我復(fù)制過(guò)程啟發(fā)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)滾筒，讓其中各個(gè)單元幾何體碰撞。
各個(gè)單元幾何體之間的連接面上，都有預(yù)先安置的磁體，通過(guò)對(duì)這些磁體的安置位置和極性的控制，使得再無(wú)序碰撞的過(guò)程中，完成單元體之間的連接。
Fluid-Assembly Chair
這個(gè)case則是將具體的椅子，拆分成了幾個(gè)不同部分，然后再各個(gè)部件的節(jié)點(diǎn)上設(shè)置接口，同樣的還是利用磁力去完成吸附和連接。不過(guò)很有意思的是整個(gè)裝配環(huán)境是在一個(gè)水槽之中，通過(guò)水槽下部的兩個(gè)葉輪去擾動(dòng)水流，創(chuàng)造出了一個(gè)允許各個(gè)部件碰撞的環(huán)境。整個(gè)裝配過(guò)程花費(fèi)了7個(gè)小時(shí)。
小結(jié)
相比微觀的分子層面更大尺度上，通過(guò)對(duì)部件形體、連接方式的設(shè)計(jì)，通過(guò)碰撞的形式讓其完成裝配。這種裝配方式看上去并不高效，而且前面兩個(gè)case也是相當(dāng)?shù)膶W(xué)術(shù)，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，通過(guò)7小時(shí)來(lái)組裝一個(gè)并不是很牢固的椅子是很難以接受的。
但是這個(gè)過(guò)程卻又有很多有價(jià)值的地方，一方面是裝配過(guò)程中并不需要嚴(yán)格按照裝配順序，只需要將所有的部件丟到一個(gè)環(huán)境中，然后開動(dòng)馬達(dá)即可。另一方面零件的復(fù)用程度高，都采用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，這樣在加工的時(shí)候，只需要批量生產(chǎn)若干個(gè)零件，既可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的目標(biāo)。
不過(guò)這些都是建立在面對(duì)這個(gè)裝配過(guò)程的自下而上的設(shè)計(jì)之中，如何使用盡可能少的部件，和盡可能簡(jiǎn)單的連接規(guī)則，去實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多樣的表達(dá)，是這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的問(wèn)題。
