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杨振宁先生百岁华诞 | 清华美院米海鹏副教授团队承担“杨振宁的世界”贺礼设计工作

2021.10.08

2021年9月22日下午，诺贝尔物理学奖获得者、中国科学院院士、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁先生学术思想研讨会——贺杨先生百岁华诞在清华大学举行。原国务委员、第十一届全国人大常委会副委员长陈至立，清华大学校长邱勇，中国物理学会理事长张杰，香港中文大学校长段崇智，清华大学原校长、高等研究院院长顾秉林在会上致辞。校党委书记陈旭主持会议。

开云网页版登录入口米海鹏副教授受清华大学高等研究院之邀，主持了高研院师生敬献之贺礼——“杨振宁的世界”的设计工作。

杨振宁先生是享誉世界的物理学家，在近代理论物理领域取得了卓越的成就。经高研院翟荟教授、顾秉林院士、李家强副院长及朱邦芬院士等反复商议，基本确立了百岁华诞贺礼作品要突出体现的三个核心要素：对人类文明所做出的科学贡献、中西融汇的人生经历，以及浓厚的家国情怀。确立了设计思路后，美院团队和高研院团队又进一步配合，逐一确定了各个要素的呈现方式。例如，以杨-米尔斯理论的公式代表杨振宁先生的科学贡献，以一系列年份来代表杨振宁先生的人生经历，用地球的形态来代表“全人类”。此外，米海鹏副教授还提出要使用投影技术，利用作品的“实”和其光影的“虚”相结合的主要思路，虚实结合，相得益彰。

确立了这些具体元素以后，米海鹏副教授团队和高研院老师多次开会研讨。最终确立由一对设计思路相同，但表现形式不同的作品共同组成的方案。每个作品的主体都是形似“地球”的球体。作品配有投影灯，通过光影效果，两个球体中的重要文字信息被投影显示出来，映射作品虚实相生的意境，延展观者的想象空间。在不打光投影时，这一对作品本身也应该是优美的艺术品。其中之一的主体是镂空经纬线的黑色地球，而另一个的主体是整体金属表面的白色地球。两件作品一黑一白，一虚一实，暗合中国传统文化的阴阳哲学。代表杨振宁先生学术成就的杨-米尔斯方程，只有当地球转动到一个恰当的角度时，才会通过投影的方式呈现在投影墙上。而在没有打开投影的时候，那些公式中的字符则巧妙隐藏在工艺品的不同位置中，给人带来想象的空间。

数字建模技术在作品的设计过程中，发挥了重要的作用。在探求方案细节阶段，数字建模可以让设计更加接近实际的想法，将设计师的想法逐渐成型的完善设计构思。在精度要求如此高的作品中，数字建模更是必不可少的一环。米海鹏副教授的博士生姚智皓负责数字建模和灯光模拟工作。他需要在数字环境中1：1搭建一个完整的设计方案，并通过不断调整经线、纬线、版图、字符等等各种要素，既要让它们呈现出一种静态的美感，还要让它们在光源照射的情况下，完美地把杨-米尔斯方程等关键信息投射到墙上。这些要求导致整体设计受到的约束非常多。不仅需要考虑内部的结构，还要注重美感的一致性，更要兼顾投影效果。经过不断推敲打磨模型构思和细节，最终完成了整体的造型、结构、材料、比例、色彩、肌理、光影等多方面的统一协调。

数字建模不仅需要模拟设计的结构本身，还需要模拟电路的搭建以及工艺的选材。从工艺方面来说，数字建模可以给人以最直观的视觉效果体验，选用何种材料可以展现何种效果都非常直观，甚至对于烤漆的颜色，都可以模拟出真实的颜色效果。这也大大减少了试错的成本，提高了整个团队整体的效率。比如白色地球的设计方案中，旋转构件的切割角度选择非常重要又很难确定。在模拟过程中发现，弧面切割会导致构件无法旋转，只能通过直线切割的方式保证构件旋转的可行性。除此之外，切割还需要控制构件表面美洲板块所占整体球面面积的比例，如果面积过大会导致电机的受力过大从而不稳定。经反复模拟实验，最终将这一切面的夹角确定为42度，也就是最终所呈现的方案。而黑色地球的方案中，为了保证工艺的精度，模型细化到了0.1mm的量级，为后续工艺的加工提供了完整性方案。每一根经纬线的旋转角度和位置都经过了模型中的数轮调整，才确定了最终形态。

将这一独特的作品实现，需要分别解决电路工艺和金属加工工艺两方面的问题。

电路工艺方面，首先是在投影灯的选择上，为了最好的投影效果，需要使用尽可能接近点光源的光源。设计团队在进行逐一测试排查后，挑出了投影效果最好的投影灯。但是，投影灯本身的散热也是需要解决的问题，在测试初期，投影灯不能连续点亮超过5分钟，否则一定会烧掉控制电路板。为此，团队专门找到一款专用驱动板，用来调控电流，并增加散热模块，才得以解决这个问题。开云网页版登录入口供电方式，也有很多细节的考虑，为了让作品看起来更是一个纯粹的工艺品，团队提出了不能使用一根外露导线的要求。对于白色地球方案，这一要求尤为困难。因为球体内藏着电机，要供电，还不能连导线，几乎是无法做到。最终团队采用了无线电源传输的方案，经过细致的测算，使得作品精确放置在底座之上时，就可以实现机构旋转和投影的效果。

要将这样独特大胆的设计方案呈现出来，更需要有顶尖的金属加工工艺的支撑。这需要考虑到材料的机械特性和加工工艺，怎么把它高水准地制做出来，成了团队眼前的大问题。米海鹏邀请到美术学院工艺美术系的王晓昕副教授担任工艺技术顾问，王晓昕邀请了一位他曾指导过的学生陆勇来解决具体的传统金属工艺加工问题。现任中国工艺美术协会金属艺术专业委员会委员的陆勇曾经在清华美术学院进修，他和他的团队擅长高难度的铣切削焊等加工工艺。然而此次作品本身的难度，还是让陆勇感受到了很大压力。这个作品不仅需要艺术表现力，还需要和科技相结合，需要非常高的精密度以及精巧的结构，还要集成团队从来没有涉足过的电子控制系统。

由于需要采用钛合金材质加工，又给工艺团队带来了更大的困难。钛合金导热性能差，不易于铣削等加工，在之前行业内几乎很少有大尺寸钛合金一体铣削制造的先例。工艺团队在实现过程中，克服了诸多困难，产生了很多创新的方法，最终完成了作品的制作实现。

钛合金容易在焊接点产生反应，使其脆化，这就容易导致已经做好了的焊接，在后期发生折断或者损坏。在黑色地球的方案中，杨-米尔斯公式的字符需要采用镂空焊接的工艺。焊接连接的部分只是一个极小的横切面，这对焊接就造成了非常大的困难。作品的投影特性，也使得字母并不是焊接上就可以了，而是需要焊点能够非常精准地还原投影效果。为此，工艺团队只能在晚上焊接。在没有环境光线影响的情况下，打开投影灯光，就着投影灯光效果焊接。

白色地球方案的工艺难点在于“铣削”。白色地球球体的材料是钛合金，其内部中空，一是为了球体减重，二是需要在球体内部放置电机、控制器等电路系统，以支持球体旋转部分的运动。外观上虽然看起来像是两个部件，其实是用四块实心的材料，铣削成中空壳体之后，再分别焊接组装。而最终的球壳璧厚达到了5mm到6mm，对于这样的铣削厚度，在直径30cm的钛合金球体这么大体量的加工下是有极大的困难的。钛合金在车床上加工过程中容易产生共振，从而使刀具的刃口迅速磨损、崩裂、并生成积屑瘤，又使切削区域产生更多的热量，进一步缩短刀具寿命。经过团队不断地摸索调整，终于战胜了这一工艺难题，完成了加工。