一、材料工程在儿童立体书设计中的运用

1.光伏材料又名太阳能材料，是将太阳能转换成电能运用的材料。若是将此类材料运用于儿童图书中，可使白天置于阳光下照射过的书籍在夜间发出柔和的光线，营造新的阅读体验。荧光材料荧光材料是将金属硫化物（或稀土氧化物）与微量活性剂配合经煅烧而成。无色或浅白色，是在紫外光照射下，依材料中金属和活化剂种类、含量的不同，呈现出各种颜色的可见光。遥控器上的荧光材料按钮，手机贴纸上的荧光图案在白天吸收光线后，夜间都会发出柔和的光。我们希望把这种材料运用到儿童立体书的设计中去，使夜间读书也有足够柔和的光线。将点状、线状或面状的夜光材料运用于立体书的某些结构点上，在可见光不足的空间中能得到不同的阅读体验，营造一种氛围，同时还能强调立体书的空间感和趣味性。

2.智能皮肤智能皮肤是一种颇具科幻色彩的高科技材料。将其包裹于书籍的表面，通过皮肤上的上万个微型传感器可以使书籍感受得到周围的环境，从而产生一系列的反应。我们想借由相同的原理，得到纸质的智能皮肤材料。在书籍的纸张中预埋上大量的中空纤维，纤维中灌满黏合剂。当皮肤感应到书籍的损坏，相应位置的纤维会断开，释放出黏合剂，将裂纹自动黏合住。这样就得到了一本能自我修复的书籍。虽然这种设计现在还只是一种畅想，但英国的一家公司已经率先开始着手研究在战斗机上运用这种材料，使得战斗机可以感知周围的环境，从而对危险情况产生预判。

3.形状记忆材料形状记忆材料是一种新的材料。现在已存在用形状记忆材料制作的家具，设计师将这款新型材料制作的家具压制成一个方便运输的平板，在需要的时候，通过将之接上电源，就能在十分钟之内使其从平板恢复成一个家具。在设计儿童立体书时，我们可以将想要表达的立体场景预先设计好，然后利用形状记忆的先进技术将每一个的立体场景压缩为一层薄薄的书页，然后接上电源或者接受阳光的照射使立体的场景再现。通过利用这一技术我们完全可以实现对儿童立体书的一次创新。立体书将不再被纸张创作的局限性所约束，从而实现复杂的、逼真的，纸张无法做到的立体场景，实现对儿童立体书籍设计的变革也是本文探索的主旨。

二、力学原理在儿童立体书设计中的运用

1.结构静力学结构静力学是结构力学中的分支，它主要研究工程结构在静荷作用下的弹塑性形变和应力状态，以及结构优化问题。由于在儿童立体书籍的设计中无法避免会出现较多的纤细结构，以及材料本身薄软的特性。导致它们在受压时结构会产生过大的形变，从而无法提供足够的支撑力。如图，当我们在设计立体书的结构时，需要更多地考虑在集中应力的结构点做加强强度或韧性的处理，从而能保证结构的稳定性。在纸质模型试验中我们通过增加纸张的厚度来加大它的结构稳定性，或者将集中应力的部位替换为稳定性更高的复合型材料来达到增加稳定性的目的，从而实现更加复杂的结构。

2.摩擦力下面我们要探究的是在日常生活中随处可见的摩擦力。物理告诉我们：人类在光滑的平面上行走非常困难，因为光滑的平面会减少鞋底与地面之间的摩擦力；增大摩擦力对人们的生活有种种好处，但有时减少摩擦力也是必要的，例如在机械中加入润滑剂是为了减小齿轮之间的摩擦力，增加机械的寿命。在滑梯上我们保持滑道的光滑是为了减少摩擦力从而保证更有趣的体验。儿童在翻阅书籍的时候，由于皮肤细嫩，手指短小，所以无法获得足够的摩擦力导致不易翻阅，也易造成对书籍的损害。所以在设计儿童书籍的时候，我们可以利用增大摩擦力的原理在图书底面处使用表面粗糙的纸张。这样儿童在翻阅书籍时会更加自如，也延长了儿童书籍的寿命。如图，当接触面越粗糙的时候摩擦力越大。而纸质模型图的冷灰色底面就是更加粗糙的纸质材料，可以帮助儿童更加容易地翻阅图书。而在立体书的立体部分，我们需要减小摩擦力，所以使用光滑的材料（象牙白色纸张），使书籍立体的动态过程中减少阻力的产生，使阅读的过程更加顺畅。

3.弹力在日常生活中，也有一个重要的力：弹力。其两个重要形成条件：接触和变形。物体在力的作用下发生的形状或体积改变叫作形变。在外力停止作用后，能够恢复原状的形变叫作弹性形变。弹力是指弹性形变而引起的应变力。例如将弹簧拉长后其要恢复原来的形状，就会有力，这个力就是弹力。在儿童立体书中我们运用弹力原理可以将书籍的故事情节与立体结构结合做设计。如图，讲述的是鲤鱼跃龙门的故事，小鲤鱼跃入水塘，留下涟漪。当读者拉出小鲤鱼的尾巴时产生弹性形变，而因巧妙的结构设计产生的应变力拉小鲤鱼回归平面（水面）。这样巧妙地运用弹力，我们得到了一本能与读者互动的儿童立体书。尝试小鲤鱼身体的不同结构带来的不同弹力效果。结果显示图5的结构更具弹力。如图7螺旋切割的纸张也是一种弹力控制的运用。在立体书的设计中加入如弹簧般螺旋的结构，能够在静止的立体结构中增加一丝动感。使用巧妙的剪裁能在闭合书籍的时候毫不费力。

三、总结

书籍可以启迪儿童幼小的心灵，立体书籍更加适合儿童的特殊读物。探究儿童立体书籍未来的创新形式是一次充满童趣的旅程。通过对材料科学以及力学的研究，我们更加意识到在未来儿童立体书籍可以发生的种种改变。采用这些概念设计的儿童立体书籍不仅可以更加生动地叙事，同时也在孩童的心中埋下了科学的种子。从而达到拓展立体书籍发展宽度的目的。当孩童翻开一本由形状记忆材料设计的立体书时，他不仅仅获得了故事里的启迪，同时也定会对科技产生浓厚的兴趣。当孩童打开书籍看见一个个由纤薄的纸张制作的惟妙惟肖、穷工极态的立体场景时，他定会对力学有了新的认知。当然，超前的设计理念同样意味着现实与未来的距离。比如智能皮肤就是一种离我们的生活还有些遥远的材料科学。但未来并不是完全不可见的。任何天马行空的想象都可能会成为人类开启下一个文明时代的关键钥匙。下一位爱因斯坦的诞生也许就会从他翻开一本神奇的儿童立体书开始。

作者：邓卫斌陈方婧王巍单位：湖北工业大学艺术设计学院