世界科学-折纸艺术家可以折叠出任何他们想要的作品

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【山下智久悼念喜多川】

2018年,劉通應清華大學美術學院之邀,為《綜合造型基礎》課程開設了一個系列講座——摺紙工程學應用。

摺疊是一種科學思維從理論上講,摺紙藝術家可以摺疊出任何他們想要的作品,因為每一次摺疊都是可以被計算的。這的確讓現代摺紙藝術家非常幸福。

站在摺紙藝術塔尖在接受《中國科學報》採訪之前,劉通剛花了兩個月時間,為“綠孔雀守護行動”創作了由一張5米×5米的正方形紙折制而成的作品。

麻省理工學院史上“最年輕的天才教授”Erik Demaine和他的藝術家父親Martin Demaine,也是摺紙界“大神”一般的存在。

“摺紙和彈鋼琴是一樣的,非日復一日的大量練習、非專註的投入,不可能成長為一名藝術家。”整個採訪過程,劉通幾乎紙不離手,“哪怕只一天不碰,都會生疏”。

摺紙起源於中國,卻並沒有在本土發揚光大,至今人們更願意將它作為一項幾乎沒有門檻的娛樂活動,鮮有人知道現代摺紙正在成為一門專業的、可“精確計算”的藝術。

“不過,現代摺紙的歷史非常短暫,摺紙的科學研究還需要經歷很長的發展過程。”劉通提道,目前有關摺紙設計的教程和研究類書籍還很缺乏,再加上本身內容枯燥,大眾的認知程度比較低。

比如,摺紙結構不需要支撐但又很穩定,內部空間非常大;摺疊結構會讓進入建築的人感受到強烈的空間感和光線感,提高人們的舒適度。

“科學的加入使得摺紙有了無限的可能性,讓這項藝術有了更強的生命力。”不過,劉通還想告訴人們的是,反過來,摺紙中的科學問題也在現實生活中具有非常廣泛的應用價值,比如航空航天、醫學、生物學、建築學和工業設計等領域,只是它們更不為人所知。

之後,他還創作了世界上最大的摺紙雪豹、摺紙白鯨。

Robert Lang因此坦言,“摺紙術有一天可能會救人一命,即使這個結論聽上去很奇怪”。

把數學變成藝術為了精進自己的摺紙技藝,幾年前,劉通不惜辭去了原本在中國人民大學的體面工作。

最終,科學家借助摺紙藝術家的幫助,才將鏡片完美地壓縮。

對劉通而言,他現在的主要興趣和精力已經從精確計算轉向感性審美和表達。“我不需要每一次都先設計好摺痕圖,而是當紙到了手裡,就可以直接變成我想要的樣子。”這就是所謂的“freestyle”。

最讓人意想不到的是,大型摺紙是一項不折不扣的體力活。成百上千個摺疊步驟,需要隊員無數次沿著摺痕路線往返,且不停地完成幾百個蹲起。完成每一次任務後,成員們幾乎動彈不得。

而與人們日常生活息息相關的是,汽車的安全氣囊完全依靠科學摺疊。

有意思的是,理性思維與這項傳統藝術看上去並沒有什麼交集,可實際卻為劉通走上創作之路打下了非常重要的基礎。

這些摺紙作品相較於劉通早年的實踐,在折法上簡單了許多,但它們所承載的故事和語言卻豐富且深刻得多。

世界頂級摺紙藝術家之一、曾供職於NASA的美國物理學家Robert Lang曾利用他強大的專業知識,創造了名為Tree Maker和Reference Finder的摺紙軟件,Tree Maker可以進行摺痕的線條輸入和計算驗證。

中國“80後”摺紙藝術家劉通可以!

他告訴《中國科學報》,摺紙作品從小型到大型的創作難度是呈指數級增長的。不僅有大型紙張購買難度和巨額成本的問題,更有從設計到摺疊過程的一系列難題。

一是任何一個交點周圍都會有峰線和谷線,其峰谷之差必須等於2;

他還專門錄製了綠孔雀摺紙教學視頻,完成了和自然之友、銀杏基金會在微博發起的#為最後500只綠孔雀折500只綠孔雀#接力活動。

真正讓劉通開始感受到他可以憑藉藝術家身份來為摺紙擴大影響力的,是他的第一件獲得了吉尼斯世界紀錄的作品——《白犀牛》。

一張紙,沒有裁剪,數百次摺疊,上千個步驟,你是否可以從人們習以為常的摺紙中探出一個別樣的世界?

至於這些線條究竟該如何設計,這就涉及分配問題了。劉通習慣把摺紙解釋為一項分配的藝術。

而這項技術後來甚至還延伸到了柔性鋰離子電池設計中,使它具備良好的拉伸、扭曲、彎折性能。

“它要求極高的團隊控制和協調能力。”劉通談道。一張196平方米、重達幾百斤的紙張,摺疊時要求十幾個成員在正確的時間做出正確的動作,否則就會出現誤差,影響後續一系列步驟。

另一個值得一提的案例,是由牛津大學科學家發明的心臟手術支架。它在到達目的地時會打開被堵塞的動脈血管,但在過程中,又需要很小的體積才能通過血管。這個支架就借助了摺紙技術來縮小,也被稱為“水彈模型”。

“藝術不僅僅是一項技藝,它更是一種表達,這樣才能被更多人所理解和感受。”劉通說。漸漸地,他不再熱衷於“炫技”,而是試圖成為一個藝術的表達者、溝通者,讓觀賞者去瞭解那些他們可能忽視的想法和現實。

劉通在清華大學美術學院開設的“摺紙工程學應用”系列講座也正是出於這樣的願望。

頂級摺紙藝術家與普通愛好者最本質的區別在於,後者只是按照固定的折法不斷重覆現有設計的作品,很難創作一個可被覆制的全新作品。

劉通花了十幾年的時間,讓自己從一個普通的摺紙愛好者,成為了摺紙藝術塔尖上的人。然而,在很多人眼裡,這份技藝也不過是一項勉強被認可的小眾藝術。

美國勞倫斯利弗摩爾國家實驗室要將一個橄欖球球場大的望遠鏡鏡片送上太空,唯一的辦法就是依靠摺疊。

劉通說,《白犀牛》從設計到成品前後經歷了近1年的時間,第一次嘗試摺疊竟花費了7個多小時!

為了讓更多人知道,這個古老的物種走到了功能性滅絕的地步,他用一張196平方米的巨型正方形紙張完成了世界上最大的摺紙白犀牛,去往世界各地進行展覽。

這樣的互動,劉通每年都會應邀進行很多次,既有公益項目,也有商業合作,還有對外文化交流。

Reference Finder則可以幫助設計者正確找出紙張內部的摺疊關鍵點位置。

一種線叫峰線,代表著摺痕凸起來的地方,另一種線叫谷線,是摺痕凹進去的地方。“不管多複雜的紙、多複雜的作品,都是由這兩種線組成的,而這兩種線又可以統一為‘折’。”

二是任何一個交點周圍的角,必須按照順時針進行標識,而這些角還需要滿足一個條件,即奇數角之和=偶數角之和=180度。

安全氣囊必須滿足兩個條件,一是體積小,二是不能有結構性錯誤。很多設計師遇到了把大薄片塞進小空間的難題,他們通過各種程序研究如何把安全氣囊摺疊得更加平整的方法,最後是從藝術家摺疊昆蟲的摺痕圖中得到了啟發。

幾年前一次偶然的機會,劉通瞭解到了非洲最後一頭雄性北部白犀牛——“蘇丹”的故事。

日本工程師Koryo Miura曾發明過一種叫做Miura-ori的摺紙結構,它可用於航天飛船上的摺疊式太陽能電池板。

“摺痕圖內部所有的點都需要按照上述條件進行驗算,只有滿足了全部條件,才能保證作品沒有任何結構性的錯誤。”

另外,在摺紙藝術的殿堂里,這類大型摺紙作品屬於稀有品,這也讓更多人開始關註和瞭解劉通。

而摺紙藝術家創作出一個形態,已經不是人們普遍理解的依靠個人經驗和技巧的事情了。現代摺紙不僅是一種傳統文化的載體,更是與精密計算緊密聯繫在一起的一項非常複雜的“科學活動”。

Erik憑著自己在計算摺紙領域的開創性工作,獲得了麥克阿瑟獎學金,併在麻省理工學院開設了幾何摺疊算法公開課。這對父子堅信,摺紙是把造型先變成數學,再把數學變成藝術的過程。

劉通還介紹,摺紙在建築當中也應用廣泛,因為它有一些特有的優勢。

還有一個原因,這是個骨子裡愛挑戰的人,一路做著附加題,參加數學、物理、化學奧賽長大的。

劉通說,每一個全新的摺紙造型都需要一個設計圖,也叫做摺痕圖。摺痕圖,就是紙張在經過摺疊以後在紙上留下的痕跡,上面有兩種線條。

劉通介紹說,目前,摺痕圖創作公認的重要規律是,從線與線的交點入手,每個交點都必須同時滿足兩個條件:

“當我們在不同的生活、生產、科研場景中,越來越追求小型化、簡潔化的設計,摺疊的確是一種非常重要的科學思維。”劉通認為,其實在自然界中本來就存在著豐富多彩的摺疊現象,昆蟲翅膀的摺疊、植物葉片的摺疊等等。無論是從自然界還是通過摺紙藝術領域的觀察和研究,都可以幫助人們培養和學習摺疊思維。

事實上,有很多數學研究都表明,摺痕具有數學性質,數學的應用可以幫助設計者發現摺痕圖中潛在的規律,這就形成了一種強大的工具。

大多數只把摺紙當作小玩物的人,很難想象,摺紙可以折出國禮,可以被博物館所收藏,可以作為頂級奢侈品品牌的櫥窗設計品,可以為加菲貓之父——吉姆·戴維斯定製40周年作品……

“繪畫是一種加法藝術,創作者需要一筆一筆往上添加,音樂也是通過一個音符一個音符累計而成的,雕刻則是一種減法藝術,雕塑是一種或加或減的藝術。而摺紙,由於它只發生在單位1的空間裡頭,就必須經過科學的計算、合理的佈局,才能讓二維的摺痕圖在變成三維作品時比例協調、結構穩定。”這就不難理解,摺痕圖上的差之毫釐,都有可能導致最終作品的失之千里。

劉通之所以對摺紙如此執著,一方面是因為酷愛動手活動,他不僅自學了許多樂器,還愛好畫畫、木雕、製作皮具等等。按他的話說,藝術本來就是相通的。

“動手摺一隻綠孔雀,也許比你單純閱讀綠孔雀的圖片、知識印象更深刻。”就在劉通位於北京宋莊的工作室里,他手把手地指導記者折出了一隻“綠孔雀”,過程差強人意,遠沒有學生時期摺紙鶴、折星星來得得心應手。