小型数字制造工具正以惊人的速度出现在世界各地的创客空间、学校和博物馆中。任何人都可以轻松地设计任何东西，生成新的物理形态和形状。数字化设计和制造的民主化催生了个人制造（Personal Fabrication）模式，它不仅极大地扩展了个人的创造能力，也为个人提供了一种将设计想法转化为有形形式的机会。互联网技术的普遍应用，使个人越来越容易获得设计工具，利用数字制造技术快速生成产品原型。产品原型作为设计创新的重要手段，逐渐呈现出数字化、智能化特征。本文将阐述在个人制造模式下构建产品原型的设计方法，为积极创新的个人或大众提供一种新的设计创新范式。

一、个人制造模式

经从以产品和生产为中心转向以人为中心新技术剧烈变换带来了工业社会向后工业社会的转变，设计已。经过一个世纪的大规模生产和消费，越来越多的个人可以获得先进的技术、工具和知识，为艺术、设计或商业目的制造产品。生活和工作在社会中的消费者、用户成了设计创新的主体。他们使用计算机处理数据的同时，也加工有形的物质。

（一）个人制造模式的发展背景

美国麻省理工学院（MIT）Gershenfeld教授是“个人制造”的先驱者，2005年他提出了从“个人电脑到个人制造”的概念，并阐明个人制造不仅创造三维结构，还整合了逻辑、传感、驱动和显示构成一个完整功能系统。同时，Gershenfeld教授创建了FabLab微观装配实验室（FabulousLaboratory），与不同国家和地区的Fab实验室共享知识和设计想法。他将“个人”定义为积极创新的实践者。个人可以通过FabLab所提供的材料、电子工具、开放源代码软件等，与其他人或组织合作，或者独立完成产品原型的设计和制造。设计成果将以技术文档的形式被记录下来，以便于他人参考。

计算与网络的广泛运用，使个人制造不再局限在FabLab实体空间，而是结合云制造平台构建更大的设计制造空间。空间里聚集了大量具有创造力的消费或制造群体，为产品原型的设计和制造提供先进的信息资源。该空间不但允许个人在家里设计物品，而且个人可以采用分布式制造快速、精准地实现设计想法，创造出具有一定功能的产品原型。

（二）个人制造模式的设计特性

1.开放式

个人制造是一种开放的并积极引入他人想法的设计模式，也被视为共同设计或开放式创新。设计过程允许任何人（新手或专业人士）参与协作开发，并在线共享和修改设计信息。

图 1 个人制造模型下的产品原型设计框架

在个人制造过程中，个人所使用的开放源代码软件、开源硬件和网络化制造服务等都属于数字技术开源社区。它们允许被任何人使用，并且将信息和知识，如编译代码、CAD数据、印制电路板（PCB）设计文件等，开放共享给社区内的所有人。开放源代码软件以开源编程语言为基础，联合开源社区群体，公开交流设计作品来实现源代码的共享与迭代。依据开源许可协议，软硬件信息可供他人下载、制作、复制和修改。

图 2 设计目标与问题界定

个人在完成设计的同时，也将设计信息共享至开源社区平台供其他人使用。以Processing、Fritzing、Blender3D平台为例，其中的用户均受益于软件的开源通道和快速响应的设计过程。开源硬件根植于庞大的、互联的、分散的网络系统中。个人可以根据设计需求，组建工具集合，自定义扩展功能。最具代表性的开源硬件平台有Arduino、RaspberryPi、BASICStamp等。以3D打印技术、激光切割、电子电路为代表的网络化制造服务，分布式蔓延在社会组织的各个角落，它们以分布式协作的方式为所有人提供数字化制造服务。开放的个人制造模式整合了专业的技术、制造知识并转移给了个人，为个人提供了获得设计信息和工具的渠道，激励着个人制造向开放式创新不断演进。

2.参与式

个人制造区别于封闭式的大规模生产或定制，其重视在设计过程中纳入潜在用户，让用户全程参与设计。针对设计人员对设计对象参与程度的不同，vanOorschot等人展开了探讨。他们认为，一方面，设计人员参与过程、方法和工具的设计后，进一步帮助改进设计；另一方面，设计人员也直接参与到了产品、服务和系统的设计之中。个人制造模式是一种由个人设计扩大到群体分布式设计的过程，强调所有的利益相关者（设计师、用户、制造者以及其他参与者）直接参与设计的全过程。在设计想法初期，用户直接参与设计的前期探索，与设计师共同提供创意和想法。到设计原型阶段，个人联合利益相关者，对设计概念做出反馈和评价，补充设计空缺，完善设计成果。在个人制造模式中，个人既是用户，又是设计师，还可能是制造者。多重身份的相互交融正反映出了参与式设计的特点。

二、个人制造模式下产品原型的特征

人工制品，而不是需要解释的抽象描述”原型被定义为“交互系统的部分或全部的具体表示”或“有形的，原型的设计过程也存在不同的类型。在个人制造模式下，原型的设计和制造依托于数字化设计工具和云制造平台，使其也具备了独有的特征。

（一）数字化

“个人制造”可以更准确地称为“个人原型设计”，是以数据驱动的设计制造模式，生成的产品原型是数字化的，而非物理的。个人采用计算机辅助设计和计算机辅助制造（CAD/CAM）工具，快速创建原型的三维物理形态。专业用户可以利用数字制造工具创建自定义对象；非专业用户也可以直接选用数据库中的模型，调整模型参数，改变模型的颜色和形态。个人可以整合全球性开源社区的软硬件资源，构建原型的电子电路模块以及其他扩展功能。开源软件是一种可编程且模块化程度较高的数字化设计工具，它们隐藏了数据的底层逻辑，强化了可视化效果。通过对数字化原型的测评和修改，用户可以不断提高对设计概念的满意程度。对个人而言，数字化原型加快了设计开发速度，降低了设计研发成本。

（二）智能化

在个人制造过程中，通过数字制造技术、开源软硬件平台，用户已经可以生成一个完整的智能产品原型，完成了从创建实体原型到搭建功能模块，最终形成产品原型智能交互特征的全过程。智能产品原型能够让设计师、用户以及利益相关者直观地对原型开展设计评估，用户信息输入和原型系统输出紧密耦合，不存在明显滞后。

智能产品原型是快速表达设计想法，描绘产品未来使用情景的重要方式。通过与原型的情景互动，个人进一步测试原型的交互行为、智能功能、结构形态和材料性能等，为改进和优化设计方案提供参考信息。

三、产品原型设计方法

制造和设计之间存在着固有的联系，通常依赖于技能、知识和工具，并共同努力实现结果。个人制造模式下的产品原型设计是设计驱动的、以个人为主导的，很大程度上受到设计思维方式的影响。

（一）产品原型设计框架

设计框架被归纳为3个阶段，分别是需求阶段、设计阶段和应用阶段。需求阶段关注的是个人对客观事物的认知需求、情感需求和精神需求，与个人的真实需求挂钩。个人既是问题的提出者，又是问题的解决者，拥有用户、设计师、制造者等多重身份。设计阶段着重构建设计解决方案、技术环境以及制作手段。个人通过信息收集和分析，在明确设计需求后，重组设计工具和材料，联合其他利益相关者共同开发产品原型。应用阶段主要承载着产品原型的信息交流与共享，以扩充开源社区/平台的共享资源。在原型制作后期，个人将创建的新工具、程序代码以及软硬件设备等信息共享至开源社区中，以供其他人参考或使用。如图1所示，设计过程始终以个人为主体，要求个人全程参与，最大程度地实现设计想法。同时，设计过程允许不同专业背景的个人或提供制造服务的企业协同参与设计，共同评测产品原型。

（二）产品原型设计流程

1.问题界定：潜在的产品原型通常在设计初期就已经出现了，而个人对设计问题的界定难以明确，设计想法逐渐由解决问题转向为探索问题的可能性。尽管设计问题的边界越来越模糊，解决问题的方式越来越多样，个人的创造能力却在不断提升。如图2所示，在个人不同的需求生命周期中，潜在的产品原型涵盖了物质需求、感官需求和精神需求3个维度。当个人需求被不断地提取分析，潜在的产品原型也逐渐显现出来。个人通过反复定义设计问题，进一步评估潜在产品原型的设计价值。

图 3 目标分类

2.目标分类：目标分类的目的是在原型设计初期针对已知的用户信息，提出设计解决方案。它将设计问题、解决方案和制造手段三者贯通，为原型设计匹配相应的工具、技术、材料。在个人制造中，开源技术、设计材料是设计工具与材料的基石，直接关乎产品原型的表现形式。图3描绘了目标分类的基本框架，框架内容与设计解决方案共同进化。用户信息是个人需求的反馈，包含了产品形态感知、用户感官体验以及用户与产品之间的交互方式。开源技术为原型制作提供技术支持。开源技术支持原型功能性重组，以提高产品原型的制作效率，快速实现产品原型与用户之间的交互行为。设计材料则帮助用户选择合适的、性能优良的、加工性能较好的材料进行设计和制作。目标分类帮助个人、用户和设计师在进入制作周期之前，明确原型的制作方法和手段。

图 4 设计解决方案

3.设计解决方案：设计解决方案是快速生成产品原型设计方案的过程。个人在明确设计工具和制造条件后，以发散性思维提出各种各样的设计想法，并寻找其中的最优方案。在这一阶段，设计问题和解决方案始终处于耦合关系之中，相互作用、相互影响个人通过不断分解、合并设计问题，提炼出与产品原型相关的形态、结构、功能和交互形式等设计要素。前期组建的设计工具和材料成了推动各设计要素并行、纵深发展的必要条件。图4列举了在个人制造模式下产品原型设计常用的设计工具和制造设备。

4.方案深化：方案深化是协同反馈与共享评估的过程，是联合不同专业背景的个人或提供制造服务的企业协同创新的过程。如图5所示，此时，兼具多重身份的个人与消费者、工程师、制造商等利益相关者进行设计信息的共享互动。消费者提供与形态审美、可操作性相关的信息反馈；软硬件工程师在提供技术支持后，评估原型交互方式的可行性；结构工程师主要测试原型功能的稳定性；设计师不断整合设计资源，优化原型设计的思路和方法。个人在收集到多维度的反馈信息后，逐步改善和迭代产品原型细节，进一步模拟产品原型的未来使用场景。经由利益相关者共同反馈并评估过的产品原型更能够被个人接受。此时的设计问题与设计目标更加接近，产品原型的表现形式也更加系统化。

图 5 协同反馈与共享评估机制

5.原型迭代：原型迭代是改进设计细节的过程。原型迭代分别从功能性模块设计、形态设计、交互信息搭建、软硬件模块组建等方面展开。个人制造模式下的产品原型是由不同的功能性模块组成，涵盖了驱动、传感、图形代码、存储、电子电路等方面，用以最大化实现产品原型的智能交互功能。利益相关者需要反复对其进行测试评估，提升原型功能的稳定性和流畅性。形态设计通常体现在原型的外在表现上，突显产品造型的形式美。交互信息搭建为个人与原型建立互动通道，原型能够即时获取、处理个人发出的信号，同时向个人反馈输出信号。软硬件模块被集成封装在特定的区域，为产品原型搭建了信号传输的基础设备。原型迭代就是个人联合利益相关者反复优化原型设计、测试交互行为、模拟使用情景、迭代设计概念的过程。

图 6 设计解决方案

6.循环反馈：在循环反馈过程中，个人将产品原型的设计信息、功能信息、交互信息和技术信息共享至开源社区或平台，传播和分享程序代码、三维数字模型、电子电路模块等产品原型信息。这些信息的共享，使个人和产品都成了开源社区中共享资源。社区中的每个人在参考和使用他人信息的同时，也得到了评价和建议。开放共享机制，不仅大幅度降低了个人设计创新的门槛，还高效提升了个人设计创新的能力。即使没有经验的个人，也能够抽象剥离出各个领域的知识、方法和技术，便于理解和使用。对于有一定经验的个人，这种机制则提供了更加丰富的设计资源和技术经验。

四、应用实例

以光影互动产品原型为例，针对个人的多感官体验需求，个人制造模式下的产品原型设计通过声音、图像和触感媒介建立了多维度感官通道，增强了个人交互体验。该产品原型的设计对象（个人），既是设计师，又是用户和制造者。个人制造模式下的产品原型设计方法不仅将个人想法转化为有形的智能交互原型，还联合利益相关者共同开发新的共享资源，传播、分享给其他人。

（一）需求阶段——问题界定

在需求阶段，针对设计目标，个人提出设计问题，明确设计需求。光影互动产品在满足个人基本的照明需求的同时，兼顾个人在光影环境中的即时体验，使个人能够更加感性而有效地与产品进行互动。

为此，设计将从心理疗愈、感官体验以及功能使用等维度，关注个人的情感融入和体验趣味。以声音、图像和触感为媒介建立多模态交互系统，设定人与产品、人与环境之间的交互行为。

（二）设计阶段——设计与制作

1.提出设计解决方案：在提炼设计需求，明确设计问题后，个人综合考虑设计工具、设计材料以及技术条件，提出设计解决方案，如图6所示。原型设计方案拆解为硬件集成、软件搭建、实体模型三部分。个人使用开源软硬件技术创建原型的多模态交互系统，实现个人的视觉、听觉和触觉体验，采用互联网分布式制造服务完成实体模型外部形态和内在结构的设计和制作。原型设计以RaspberryPi和ArduinoUno为计算核心，以具象的自然元素，如细雨、海浪、落叶、花瓣、树林、飞鸟等为图像主题，配以对应的自然声效，通过发声模块和图像显示设备分别输出声音和图像，通过抓握控制器实现光影和声音情景主题的自主切换，强化实体交互形式。

图 8 光影互动产品的使用场景与情景主题

图 9 光影互动产品原型

图 10 光影互动产品原型外在表现形式

2.方案深化：原型设计和制造将充分利用了ArduinoUno、RaspberryPi、Processing开源平台以及3D打印、激光切割等互联网分布式制造服务。产品原型基于Processing和Arduino开源软硬件平台，构建了数字设备与交互对象。个人在Processing开源平台上进行图形界面的设计开发，并植入了与图形对应的声音数据，再经由ESP8266WIFI模块与ArduinoUno、RaspberryPi串口通信实现远程控制，如图7所示。控制器采用柔性导电织物制作而成，使用三维数字模型对控制器的形态功效进行验证。控制器将作为产品原型的设备执行器与环境发生互动，通过读取用户命令，执行命令，实现图形、声音的实时切换。图8展示了产品原型的使用场景以及情景主题。系统以Processing开放源代码为基础数据，通过对源代码的进一步编译，构建了新型动态图形环境。与此同时，经过硬件集成与软件搭建的逐步完善，硬件模块的实际尺寸得以确定，为原型内在结构设计提供数据参考。系统搭建后，为确保智能交互原型的稳定运行，软硬件工程师联合对各个模块和集成系统进行了功能测试和调试。

3.原型制作与迭代：产品原型主要由可发光发声的实体以及可发出信号的控制器两部分组成。实体部分在制作过程中使用了3D打印、激光切割技术以及金属加工技术等分布式制造服务。结合Oloid三维曲面原理，控制器被制作成适合抓握的实体形状，如图9所示。个人可以根据不同的使用场景，调整光影的折射角度，使光影投射到空间环境中，将光影和空间联系起来，营造沉浸式交互体验氛围，如图10所示。个人通过物理制造空间和虚拟共享平台，实现原型快速成型。在制作过程中，个人能够实时获得原型制作的具体数据和信息，为个人提供了及时发现问题和解决问题的渠道。分布式协同制作模式显著降低了个人生产制造门槛，减少了产品原型在制作过程中的时间成本与材料成本，也丰富了个人的设计和制造经验。

（三）应用阶段——开放共享

应用阶段主要任务是产品原型的信息共享。个人建立光影互动产品的核心功能包，其中包含图形代码、程序代码、电路设计、功能元件手册、三维数字模型等信息。核心功能包以技术文档的方式保存下来，上传至开源共享社区平台，与其他人分享，获取他人的评价和建议。个人将设计信息、功能信息、交互信息、技术信息共享至社区平台，与他人交流互动。这个过程不但丰富了个人的设计想法和制造经验，而且推动了个人制造模式下开源创新生态的良性循环发展。

五、结论

个人制造模式下的产品原型设计方法是以个人为主体的设计创新方法。个人通过搭建“设计-技术-制造”空间，以与他人协作共享的方式，解决各种复杂的设计问题。随着移动互联网、数字化制造技术、云计算平台的快速发展，个人的创新能力在大幅度提高，个人的创造需求显得尤为突出。基于个人制造模式的发展过程及现状，本文研究了个人制造模式下的产品原型设计方法，分析了个人制造模式的开放式、参与式设计特性以及个人制造模式下产品原型的数字化、智能化特征，提出并归纳了产品原型设计方法及其3个设计阶段。光影互动产品原型设计的应用，验证了此设计方法具有可行性和有效性。该方法为个人提供了便捷的设计制造途径，缩短了个人与数字化设计、数字化制造的距离，为用户、设计师、技术爱好者等搭建了畅通的交流渠道，也为更广泛的积极创新群体提供了一种新的设计创新范式。

作者：北京服装学院 李盈 杨洪君