当计算机学会消除人类的需要与多材料打印机功能之间的隔阂时，将会发生什么？结果将是下一代设计软件或者是我称为“物质编译器”的出现。
物质编译器这个术语最初由科幻作家尼尔·斯蒂芬森提出。在他的小说《钻石时代》（The Age）中，书中的人物讲述了他们的物质编译器会制造什么，他们会把物质编译器从机器中拖出来，不一会就制成一个塑料床垫、某种食物或一把枪。当然，斯蒂芬森的物质编译器不是3D打印机，它们是核心食物的原子重新组合后形成的“纳米装配”。像《星际迷航》中的一样，这些物质编辑器不能设计新的东西，它们仅限于复制已经存在的东西。
物质编译器的发展前景在于将人工智能的力量与3D打印相结合。人工智能将利用算法将人类提供的高级要求自动“编译”到一个最佳设计中，适用于3D打印，3D打印机将设计变为现实。将两者结合在一起，物质编译器能够使我们设计出目前尚不存在的新事物。
也许我们将物质编译器比喻成传统的软件编译器更合适。为了更好地在计算机硬件上运行，软件编译器将高级计算机语言（如C++）转换成机器代码，然后由物理处理器执行这些代码。同样，物质编译器将高级需求转变为可以利用3D打印机最新材料和特性的设计文件，然后，3D打印机创建物质编译器生成的设计文件所描述的对象。
也许墙上支架不是最好的例子，它只是一个简单的设计，挑战性不大。如果你试图设计和制造一个复杂的机器，附属于3D打印机的物质编译器的作用就非常明显了。如果20年后有人邀请我为未来的火星任务设计一个机器人，我会按照下面的步骤来做。
首先描绘火星上独特的环境，其次给出一些总体指标，如机器人重量范围、使用材料，最后我将给出它的具体性能，如移动速度、稳定性和工作效率。然后，敲一下“回车”键，等待物质编译器生成设计方案。将来某一天，当物质编译器成为日常的设计工具时，那些因试验和错误而耗费大量时间的复杂设计项目将变得非常简单。
交互式设计：和计算机交流设计想法
尽管物质编译器很智能，但它不能读懂你的心思。诚然，物质编译器可以根据你的要求制定优秀的设计方案，但是它还不能和你进行思想交流。如果你和你的设计工具在迭代设计过程中能够交流并且一起工作，将会怎样呢？
如果一台计算机能够在快速迭代中迅速给出设计理念，你就可以从中做出较好的选择了。然后计算机“研究”你的设计建议后，快速做些调整再反馈给你。你可以再次选择自己想要的选项反馈给计算机。计算机会再次进行调整，并将结果返回给你。
在迭代设计过程中，人和计算机之间相互交换想法被称为交互式“进化设计”。就像生物进化一样，但速度比生物进化更快，计算机可以使用数学算法重新调整设计。交互式进化的美妙之处在于，用户不需要了解任何有关计算机进程的内部原理，也不需要知道如何使用设计软件或如何制作出最佳设计方案。实际上，在某种程度上这有点儿像艺术家在一个新项目开始前通过浏览网页获取灵感。互动式设计软件可以激发新的灵感，促使设计者勇于创造出别人没想过的设计方案。
在我的实验室，我们做了一个互动式设计软件的工作原型。这个软件是我以前的一个学生杰夫·克卢恩开发的。杰夫和他的团队将软件做成网页并将其命名为“无尽之形”（来自于达尔文生物进化过程中的描述）。
下面介绍无尽之形网是如何工作的。人们养狗前先让那些具备他们想要的幼犬特征的狗杂交。无尽之形网可使用户选择他们喜欢的狗进行育种设计。换句话说，无尽之形网为使用者和交互式设计软件间提供了快速反复的交流。
图13–3
注：无尽之形网让用户可以选择他们喜欢的设计，并反复优化设计。
图片来源：Jeff Clune and Jason
假如让你设计一个香水瓶，你不知道如何使用设计软件，你也不愿意参照现有瓶子的扫描图案进行新设计，那么你可以坐下来进入无尽之形网，点击网页上变体集中的一个原始形状，做出初次设计选择。这时，无尽之形网将注意到你的第一次设计选择，“思考”并迅速进行一些计算。然后，它会产生几个新的形状，这些形状有点儿类似于你第一次的选择。
接下来，你会从这一组新的形状中再次选择。无尽之形网将重复这一过程：关注你的设计选择，产生一批新形状供你挑选。最后，在经过多次快速迭代和形状选择后，你会看到一个新的设计样式。当你觉得这个设计正是你想要的设计时，保存最终设计，这时你的设计任务就完成了。
当杰夫和他的团队成立无尽之形网时，他们意识到他们可以亲眼看到人们的设计过程。给用户一个几乎空白的平面，他们做出一系列快速的选择后，有趣的设计就出现了。网站正式上线后，短短几个月内用户生成了超过300万个奇形怪状的物体，从蘑菇形状的灯罩、生育女神雕像到显示出幽灵般面孔的立方体。
当人们使用传统的设计工具时，界面和软件使人们通过自我意识塑造他们的想法。但无尽之形网用户可以通过不断点击他们喜欢的形状完成设计。快速选择然后坐下来等待的过程与计算机为用户做了大部分工作的事实使人们的潜意识似乎有了一个新的表现。
无尽之形网也许不是创建下一代火星探测器零件最好的设计工具。当用户带着冲动点击他们喜欢的形状进行方案设计时，设计结果可能不完美，也不具有最佳性能。作为一种新型的人机交互的早期原型，无尽之形网的价值就在于证明人机是可以进行合作设计的。
事实证明，让人们评价提供给他们的设计方案比让他们从头开始设计方案要容易得多。虽然你可能无法从头至尾设计一所房子，但是你很容易说出你喜欢或不喜欢一所房子。一个好的建筑师会听从你的意见和反馈，经过反复交流，设计出你喜欢的房子。人们饲养狗已有几百年的历史，却不懂动物遗传；农民在了解植物遗传学之前很早就培育出玉米了。我们也可以创造复杂的东西，而不需要了解它们是如何工作的。
无尽之形网展示了计算机和交互设计软件如何将一个新维度引入创造性工作中。计算机艺术先锋斯蒂芬·托德和威廉·莱瑟姆描述了一个以计算机为基础的艺术创作过程，包括两个阶段：创建和园艺。艺术家首先运用他选择的物理和生物规则，如光线、颜色、重力、成长和进化，以及他自己发明的其他规则创建虚拟世界系统。然后，艺术家在他创造的虚拟世界里变成园丁，像植物育种家培育花一样选择和培育雕塑样式。
形式语言：设计师与计算机无缝协同工作
3D打印设计中最大的挑战是如何使人类设计师和计算机创造性地、无缝地协同工作。一个相关但是可能被忽略的问题是，为了更好地发挥3D打印机的生产能力，计算机需要知道如何更好地设计形状。
人类用书面和口头语言从语法上分析、记录和思考现实，每种文化的语言都体现其价值和物理环境。熟练的演讲者会使用复杂的语法和丰富多彩的词汇。其他人说话时通常使用一串简单、松散的词汇，这些词语缺乏组织，语法上也不怎么通顺。
设计软件不用语言，而是通过捕捉和追踪描述物体的数据分析和记录外部世界。这种以数字化形式描述物体的方式，专业术语称之为“几何描述”。
未来的设计软件就如同孩子学习语言一样，在描述形状方面将会变得越来越流畅。孩子学习语言的成功表现为他说话流利，并对周围环境做出恰当的反应。同样，设计工具能否有效改进取决于我们能否创造出针对当前设计问题能够快速准确地改进几何表达方式的软件。
一些人类语言有其他语言没有的表达情绪状态或特定情况的词汇，人类语言的复杂性和可供使用的词汇数量影响语言表达内容。同样，专业设计软件处理内部几何表示的方式决定了软件控制设计的好坏。
当前，大多数设计软件只能使用简单的语言形式，运作起来类似传统的蓝图纸，语言简单、粗糙，登不了大雅之堂。例如，设计软件用两个词表达设计中材料的存在和不存在，即“有”和“没有”，毫无歧义。它没有办法描述物体的成长、变化或有条件的适应。如同一个讲外语的人或孩子学习他的第一个词一样，设计软件只是简单直白地表达设计形状或材料的细节。
除非软件设计工具更有说服力，否则我们无法充分挖掘3D打印的潜力。计算机设计形状即有几种简单的方法也有非常复杂的方法。如果必须对设计范例从最简单到最流畅和适用性最强进行排名，排名如下。
首先，最简单的几何表示是传统的纸质蓝图、表面网格模型或固体的几何形状。这些设计符号描述的是简单的固定形状，相当于语言中一些简单的描述性词语。
其次，适用性较强的是那些能够处理参数设计的软件。这些软件使用户能够定义随参数调整的通用几何形状。例如，类似锤子的形状都可以用一个几何形状来描绘，只是几何形状中把手的长度和宽度不同而已。
在这一点上，我们进入了未来的世界。以下几种设计语言具有高度实验性，大部分是在实验室和尖端设计实验中使用。在一种所谓的“编程式设计”的方法中，计算机把形状描述成一系列有特定顺序的步骤，有点儿像按照食谱而不是最终的外观描述蛋糕。
再次，就是一个比较复杂的方法，被称为“生长式系统”。按字面意思，这种系统就是按照一套既定的规则从一颗种子“长成”形状。
最后，最复杂流畅的未来设计形式是“即兴蓝图”。这些设计可以根据使用条件进行自身修改，就像一个雄辩家即兴在讲台上回应群众的情绪和问题。即兴计算机蓝图软件是动态的。
后者是大自然的杰作。植物的DNA不直接决定植物的最终形状，它只是设定了一套规则用于环境出现特殊情况时控制植物生长。
3D打印机问世之前，任何有关形状的复杂构想都只是幻想、理论数学和计算机图形学的素材。只有大自然才有能力把生成的蓝图变成复杂形状。随着3D打印技术的发展，这些新的设计概念将最终走出虚拟世界进入现实世界。
食谱式设计
用食谱表达未来设计软件的工作原理可能最恰当。蛋糕的食谱不会详细描述蛋糕的最终形状和成分，相反，食谱描述的是做蛋糕的一系列步骤，本质上是一个程序。
一个简单的食谱也可以做成一个外形精美的蛋糕。将苹果片和葡萄干洒在千层饼上卷起来烘烤就可以做出苹果馅卷饼。食谱中的步骤顺序比口头描述苹果卷饼的形状、外观和材料成分要简单得多。然而，用食谱做出食物比食谱简单的建议要复杂很多。换句话说，整体要大于部分之和。
苹果卷饼食谱相当于设计软件的“几何编程”或“功能表示”。几何编程需要新颖的思维方式、丰富的想象力和个性的设计师，生成的对象也比用传统设计工具设计出的对象复杂得多。
几何编程软件可以很容易地描绘有些许差别的重复结构和半对称结构，但大部分雷同，也可以描绘由小的子结构组成的分层结构。
鉴于此原因，在设计复杂的和由许多小部件组成的模型时，几何编程软件可以大大提高设计者的工作效率。例如，设计一套需要用手指点击上百万次才能完成的由极细网格组成的锁子甲，如果用传统的计算机辅助设计软件做，将是一项极其痛苦、耗费时间的工作。
然而，如果你使用几何编程软件，这项任务将变得非常轻松。你只需要简单地写一个“食谱”：创建一个直径3毫米、厚度0.5毫米的环，然后水平交错复制1 000次，再垂直复制1 000次就可以生成一块布。按“回车”键，你的计算机辅助设计程序会按照“食谱”生产面料。
如果布料的重量和密度需要逐渐变小，你可以简单地调整“食谱”。你可以告诉计算机，当复制每一行时，下一行的网格要比上一行小1%。在复制2 000行后，你还可以让每一个小网格连接处的尺寸慢慢增加0.5%。如果你愿意的话，你甚至可以改变塑料的混合程度。
生长式设计
生长式设计进一步利用了食谱的概念。不采用集中的脚本，生长式设计采用了一个种子形状和一套规则，这套规则决定形状应该如何随着时间的推移发展、变化。例如，要“长成”一棵复杂的像树一样的形状，首先你应当使用简单的“种子”：平底上的一个圆柱。其次要设立一个规则：在每个圆柱的未固定端按照字母“Y”的形状附着两个缩小10%的圆柱。使用这个规则，种子圆柱最后会长成树形。
图13–4生长式设计可以用于设计更具有机外表和感觉的物品
图片来源： , Inc.
生长式设计系统现在刚刚开始商业化，其中定制项目的大部分工作都由熟练的设计师完成。有时生长式设计程序被称为“形状语法”，打印时可以生成复杂的三维图案。
生长式设计系统适用于不同的设计规则、基本操作、基本形状和语法等。一些人试验过使用固定的规则，另一些人使用依赖于当前形状状态的条件规则。例如，当圆柱的直径大于5毫米时，按规则要将圆柱分裂为更小的圆柱。以生物学家阿里斯蒂德·林登迈尔命名的一套规则非常出名，它能够生成植物形状和有机组织，电影和游戏中计算机合成的郁郁葱葱的自然场景都是用该规则生成的。（你不会真的认为每一棵树都是美术家画的吧？）
生长式设计软件可以处理半随机规则，这些半随机规则可能会导致偶然的形状变化，或者根据预先设定产生不同的结果。半随机规则将确保场景中的每棵树看起来都像一颗真正的树，同时每棵树之间也会有细微差别。与生物学不同，生成现象可以不断反复，形状也会变得更加丰富和复杂。
生物学中的现象是可以生成的：我们的DNA不会对我们身体的每个细胞所处位置、作用以及如何与大脑中的神经元相连进行编码。DNA也不是一旦执行就会产生一个人体的脚本。相反，DNA编码了一组规则，迭代使用于第一个生殖细胞直至形成完整的人体。
反应蓝图：复杂形状的自动化生产
用于形状描述的最复杂的语言形式就是动态的有反应的语言，我们将这种设计过程称为“反应蓝图”。这种反应蓝图使我们的设计人员能够实现复杂形状的自动化生产，这些形状会根据环境实时调整，而设计师们都不知道这些具体环境情况。
反应蓝图不做小物体。例如，你不能使用反应蓝图3D打印家里的洗衣机旋钮。反应蓝图可用于在未知甚至变化的环境中设计项目。
反应蓝图可以指引大型的水泥打印机打印出适应未知地形的房子、适应风力条件的桥梁以及适应特殊环境照明条件的灯罩。反应蓝图还将是外科手术的理想选择。也许有一天，3D打印机可以就地制造出适应每个人不同情况的生物组织。
设计软件执行反应蓝图时，首先需要扫描目标环境，并且能够非常准确地模拟目标环境，以便知道有哪些规则及它们何时起作用。利用这一信息，3D打印机才能生成适合特殊环境的形状，然后就可以用3D打印机打印了。
图13–5反应蓝图将针对环境设计出最理想的家的形状
图片来源： “ ”by S. , Mei-ling Lin, Ling Han, Song, part of : “ ”led by Marta Malé- and with van at the of ,
当设计师准备用3D打印机打印反应蓝图时，他是不可能提前准确，知道最终设计是如何产生的，也不知道最后是什么样子。每一步的反馈都是不同的，最终设计的具体细节也在不断变化。例如，自然界中植物往往向朝光的方向生长，但是一段时间后，由于自身重量增加引起的内部压力使得它在一定高度停止生长。如果你有能力设计植物的生长，你可以设计一套规则，使植物在接触外部光线的情况下继续增长。你可以用基于压力传感器的规则调节植物的增长、控制植物的高度，这样植物就不会因为长得太高而产生内部负担。
如果内部和外部两套规则同时作用于不同条件下的植物，那么植物的高度和形状很可能不同。即使两个植物同时应用同一套规则，一个放在暗光灯下，另一个放在明亮的阳光下，由于它们传感器发出的反馈不同以及规则引起的反馈产生了不同反应，它们最终的外表也不一样。
一种设计生产多种定制产品
未来的设计者如何将反应系统应用于产品设计过程呢？设想一下一个灯罩蓝图是动态的。从简单的初始形状到形成最终的灯罩设计会应用一系列规则，灯罩的形状不断被细化。在计算机中，灯罩被放在一个虚拟房间的角落中，挨着一个虚拟的窗口，软件将根据虚拟窗口附近的光线水平计算并设计一个特定的形状。
如果你将灯罩放置在另一个不同的虚拟房间，位置接近另一个照明设备，灯罩的设计将演变成一个新的形状。通过将计算机模拟的环境暗示运用到设计过程中，反应蓝图就可以根据响应数据而非根据形状描述形成产品了。
一个灯罩设计可能会引发许多其他自定义的设计，每项设计适用于特定的用途，尽管如此，每个灯罩仍像森林中的每棵树一样互不相同。如果你有这种灯罩的反应蓝图，只要在设计软件中准确地模拟每个房间的光线条件，就可以给每个房间生成不同的灯罩设计。
会思考的打印机
动态蓝图进一步发展，设计反馈将直接从现实而非计算机模拟中输入打印机。想象一下，一台3D打印机会知道它需要打印什么，并将根据打印条件进行调整。对于大部分3D打印机来说，它们是“盲目的”，因为它们只知道执行指令而不知道指令能生产什么物体，这种系统被称为“开环控制”。
康奈尔大学的丹尼尔·科恩探索了这一想法，即3D打印机能够实时监控自己所打印的产品。丹尼尔创造了一个闭环打印机，该打印机能够“观察”打印结果并根据不同情况进行动态调整。用一些渗出材料进行打印，可能无法很好地保持形状，例如在炎热的时候用蜡进行打印，用蜡打印时，一些地方可能会因融化而与预期有所不同。这种情况下，开环控制打印机会继续工作，打印出一个畸形的物体。
为了纠正这样的问题，丹尼尔将光学扫描仪添加到3D打印机的顶端。本质上，光学扫描仪可以观察3D打印机是如何打印的。丹尼尔闭环控制打印机，因为有了扫描仪，所以可以检测出问题，比如蜡质产品融化变形。
但是，这种监测只是第一步。通过创建能够从光扫描仪读取输出结果的软件，3D打印机能够根据环境的变化做出调整。通过跟踪打印输出结果，修改设计以更正它们，并实时调整其打印过程，你可以说，这台特殊的3D打印机正在“学习”。
闭环打印的贡献不仅仅是监控打印品的形状。如果程序正确并给予适当的硬件传达环境反馈，闭环的3D打印机就可以监控它正在打印的材料的强度，并根据需要添加材料。智能的闭环3D打印机可以在打印材料时监测材料的导电性或弹性。事实上，使用适宜的闭环3D打印机并遵从动态的设计蓝图发出的指令，任何材料或结构属性都可以被实时测量和修改，进而制造出来。
改变设计工具的形状
首先我们塑造工具，然后工具打造我们。3D打印的设计反映了多年来物理约束的影响，类似于录制音乐打包出售。你还记得黑胶唱片专辑吗？一张唱片包含许多歌曲，每首歌曲三四分钟。因为一张唱片专辑只能容纳这么多内容，所以每张唱片大约有10首歌曲。
其实唱片并不神秘。没有深奥的审美理论规定艺术家必须定期推出一批大多是同等长度的歌曲，并把它们全部保存到一个已命名并用艺术封面装饰的物理存储器内。莫扎特当然不遵守这个标准。然而我们现在录制音乐的观念仍然受到已经过时了几十年的黑胶光盘的影响。
年龄偏大的音乐爱好者都钟爱唱片。设计师考虑的是曾经有限的计算能力和生产机器的物理限制所带来的制约。
我们的想象能力和3D打印实物的能力将与设计软件设计形状的能力共同发展。未来的设计工具将很直观，一些设计工具将可以对触摸、运动和环境条件做出反应。计算机将会更熟练地描述形状并有足够的智能解决我们不能解决的设计问题。
人类将通过输入数据或者去除不想要的设计解决方案，并提出更多令人满意的方案引导计算机的设计策略。就像斯瓦木·克里什在他的博客《生成式设计》上写的那样：“答案不在于消除人类设计师，而是在于帮助设计师管理贯穿整个设计过程的约束条件和需求。”
例如，在生物打印领域，血管系统还没有相应的设计软件。总有一天，医生会用生长式设计软件解决这个问题。医生不是通过直接描述一个肾脏错综复杂的分支形状设计一个复杂的血管系统，而是指定一些基本规则，然后“设计”出肾脏的血管网络，并启动生长式设计软件“生长出”一个精细的静脉网络。大自然为植物和动物创造了一系列惊人的复杂的排列“设计”，甚至包括非生命物体，如水晶和沙子的模式。我们已经可以利用3D打印机制造复杂的结构，但这些设计仍然遥不可及。
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