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手机外壳进化史:那些“手感”因何而变?

手机外壳进化史:那些“手感”因何而变?

Google 10 月 9 日发布的自有品牌手机 Pixel 3 标志着一次智能手机设计潮流转变的完成。

Pixel 3 标志着全球主要手机公司都在新机上放弃了铝合金材料。虽然 Google 去年才卖出 390 万台手机,但它依然是控制 Android 生态的那个公司。和绝大部份公司一样,Google 也选了玻璃替代过去两代金属的机身。

金属向玻璃转变整个过程持续了大约三年。三星 2015 年 4 月在 Galaxy S 系列首先用了玻璃后盖,2017 年的 iPhone 8/X 确定了这个潮流。今年华为发布的 P20、年中发布的 vivo NEX 和 OPPO Find X,还有之后的小米 8 都用了玻璃外壳。

Pixel 3 和 Pixel 2 背后材质对比,来源:androidauthority

而 2016 年市场调研机构 IDC 统计的智能手机出货量前五大的手机品牌里,三星以外几乎所有的主要机型包括苹果 iPhone 7、华为 Mate 9、OPPO R9 以及 Vivo X9 都使用的是铝合金的机身。

你现在还能买到铝合金外壳的新款手机,但定位都以中低端为主。调研机构 Counterpoint research 报告显示,到今年年底,全球智能手机出货量中将有 26% 是玻璃后盖设计,2 年后这个数字会涨到 60%。


曾经,金属才是高端的象征。2012 年,库克举起 iPhone 5 的时候,铝合金一体化机身是当时消费品金属加工的极致。

那是苹果从乔布斯时代就开始筹备的工艺革命,一度苹果全系列产品,从电脑到手机再到 iPod、鼠标和路由器,甚至苹果店的墙壁都由铝合金构成。乔布斯生命最后几年请人专门设计的豪华游艇 Venus 号,也是铝合金外壳。

铝合金外壳的 Venus 号

从各种塑料到铝合金再到金属,十几年的时间,智能手机机身材质已经经历了两次大的转变,好看并不是其中的唯一原因。

玻璃成为主流,因为外观但更因为 5G

通透,精致,这类的词总会被用来形容玻璃制品。直到现在,巨大的玻璃外墙,也一直是高端零售店常见的设计。

玻璃在手机上的好处很明显,透明的玻璃可以直接展示后壳设计,带来例如各种颜色、渐变线条、金属风格等更多可能性。

手机的设计整体性也更好,为了避免信号屏蔽,像 iPhone 6 铝合金机身背后裸露的三段白色天线也不用再出现。

玻璃的手感也更温润,不会像金属一样在冬天里太冰冷,稍微玩一会儿游戏,金属的导热性又立刻让手机烫起来。它比金属更抗划痕。苹果曾经在 iPhone 7 亮黑版上将金属打磨成玻璃那样的镜面效果,却出现了大量不耐刮的现象。

玻璃并不是手机最好的选择。手机追求的更轻、更薄、更耐用等重要需求都无法满足。从铝合金到玻璃,体验上有明显牺牲。

首先是重量,iPhone 8 比上一代重了 7%,vivo X23 重了 3%,华为 P20 重了 13.8%。

玻璃也让手机变厚了,iPhone 8 比上一代厚了 4%,iPhone 8 Plus 比上一代厚了 2.7%。华为 P20 和 Mate 10 分别比上一代厚了 12.9% 和 3.8%。增加的厚度和重量并没有被用在电池续航上,iPhone 8 的电池容量上反而还减少了 139mAh。玻璃也显然比金属更易碎

iPhone 8/8 Plus 都比上一代要厚,来源:爱否科技

优点和缺点都很明显。但所有厂商的主要手机 2018 年都转向了玻璃,原因就在于玻璃是最适合用在 5G 手机上的材质。

“玻璃主要解决的就是金属材质机身影响手机信号的问题。尤其是明年 5G 手机将开始出售,玻璃材质可以减少机身天线的出现。”一位参与过 Pixel 系列设计,现在在 vivo 工作的工业设计师对《好奇心日报》表示。

支持 4G 信号的手机天线是一根一根长条形状,也就是 iPhone 6 发售后开始被人吐槽的机身背后上下三段明显的白色线条。

在 5G 时代,为了确保信号稳定,天线的形式从长条形转向正方形矩阵。金属机身上不能再靠背后几条窄线或者用细窄的机身边框作为天线,宽度不够放置矩阵天线。

不管 4G 网络、Wi-Fi 还是蓝牙,都用电磁波传输信号。而信号之间是会有冲突的。4G 时代,各国运营商把 1800MHz 到 2600 Mhz 的频段都利用的差不多。为了避开它们,5G 标准选择了更高频率,比如目前,国际和国内规定,5G 高频的频段最高可以达到 30 Ghz。

频率越高,波长越短,而天线长度一般在波长 1/4 - 1/2 的时候效率最高。最后,一根用于接收 5G 高频的天线长度将被缩短到 5 mm 到 2.5 mm 之间。

同时电磁波的频段越高,信号衰弱的速度也将极大增加。解决办法是用更多天线,采用 4x4 或者 8x8 贴合在一起的矩阵天线——这时候手机上就需要留出 10mm x 10mm 的空间放置天线,现在天线常放置的中框位置并没有空间能放下。

金属设计的 iPhone 6/ 6 Plus 背后白色天线明显
联发科 5G 样机的天线样式,天线只能放在背后开洞

10mm 宽的矩形无法放在手机的边框等位置,只能放在背面里。而铝合金这类的金属会直接屏蔽电磁波,导电的金属能对电磁波产生反射、吸收、和抵消等作用。为了确保信号强度,必须避免金属包裹天线。

此外玻璃更容易让信号穿透、不会阻挡无线充电。北京邮电大学和工信部电信研究院的论文研究过电波穿透玻璃材料的损耗。透明钢化玻璃的穿透损耗约在 10db 以下,穿透金属的电波损耗则达到 25db。

虽然 5G 还没开始用,但赶上 4G 升级到 5G 这样的大转变,手机厂商和运营商的磨合会需要一两年时间。运营商需要升级基站来满足愈发高速的移动网络,而手机厂商需要在硬件上提前一到两年来布局,确保推出前可以反复测试 5G 信号。

对于手机外观的审美各有所好,不过技术限制是确定的。手机历史上每一次材质的大转变也都是因为这样的新需求而发生。

从塑料到金属再到玻璃,手机用的材质经历过几次大转变

像今天几乎所有消费电子产品的起点一样,手机用的材料一开始也是塑料。

1973 年,第一部手机摩托罗拉 Dyda TAC 8000X 在纽约诞生。发明它的工程师 Martin Cooper 举起这个塑料外壳的方盒子,第一个电话就打给了摩托罗拉当时的竞争对手美国电报话务公司。

塑料成为手机第一种主流材质并不难理解。在手机体型还很大的初期,塑料轻便、不会阻碍手机信号、工艺成熟、成本便宜都是选择的理由。

另一方面,塑料满足易于成型的特点。早期手机最主要的功能是打电话、发短信,手机品牌每年会推出包括翻盖、侧滑盖或者直板等大量不同造型设计的手机型号来刺激销量,机型迭代速度很快。

到 2005 年的时候,光诺基亚一个公司一年就有 61 种造型不同的手机外壳设计,包括直板九宫格、直板全键盘、翻盖式、侧滑盖等多种结构设计。相对较短的销售周期,一年数十款机型,塑料会是更适合的材料。

为了让手机外观有足够的差异,手机早年基本都是塑料结构上加上其它表面处理,比如诺基亚在高端 N 系列上喷涂的金属漆、黑莓高端 9 系列一度在塑料后盖上贴了一层人造革。

打破塑料垄断局面的是第一代 iPhone,原因却并不是说它在当时来看新颖的铝合金外壳。

在 iPhone 之前,金属已经出现在手机外壳上。摩托罗拉经典的刀锋手机 V8 就采用了不锈钢材质的框架、铝合金的转轴。看上去也很高级。

第一代 iPhone 对于手机最重要的影响是,它定义了一种新的智能手机造型:没有键盘、没有翻盖,一块大屏幕占据整个机身。手机的主要功能从电话和短信变成在一块尽可能大的屏幕上呈现应用。当这个终极形态出现之后,所有手机都开始朝着这个方向设计。

iPhone 一代 VS iPhone X,基本形态十年未变,来源:YouTube

在 iPhone 定义了手机终极形态后,外形上新颖的改变逐渐减少。剩下还可以改变的,主要就是屏幕尺寸、手机外壳材质以及机身色彩。

手机材质正是在这个过程中,开始经历了一些较大的变化。

2010 年的 iPhone 4 是另一个大改变,这款手机将不锈钢作为中框的材料,同时天线融入在中框上。前后采用了双玻璃的设计,机身前后被两块整块裁切的玻璃覆盖,和上一代全身塑料材质的 iPhone 3GS 有着天壤之别。

从左到右依次为:iPhone 1 代,iPhone 3G,iPhone 4

但这种玻璃材质并没有成为潮流,延续很久。苹果在 2012 年的 iPhone 5 上换成一体成型的铝合金机身。这也是因为屏幕。

“苹果在当时不断强调轻薄和一体感这两个概念,MacBook 笔记本设计就是相同的风格。铝合金金属是保证机身强度和轻薄比较好的选择。”上述工业设计师认为玻璃无法更轻薄是苹果转向金属的原因。

iPhone 4 的玻璃和现在的不一样。除了强度不如现在以外,当时玻璃边缘是垂直的,整个玻璃有多厚,最边缘就有多厚。之后从诺基亚的 N9 开始,边缘带有弧度的玻璃被用在手机上(所谓 2.5D)玻璃。同样的厚度,视觉上会看起来更薄。

之后索尼、三星分别从 2014、2015 年开始尝试玻璃后盖。2014 年,索尼推出使用玻璃后壳的高级手机 Xperia Z3、随后三星、小米等公司也重新开始在Galaxy S9、小米 4S 等手机上使用双面玻璃设计。

但设计的主流不再是玻璃,苹果 iPhone 6/6 Plus 系列的异常成功让整个行业调转方向。这两款手机至今还是苹果所有手机产品里销量最好的一代,整个 2 年的产品周期里,加起来总共卖出 2.2 亿部。

iPhone 6 系列一体成型的机身极大地减少了手机上的缝隙,视觉上更为整体。而几经调整的铝合金材料能在不增加厚度的情况下确保大屏幕手机的结构强度。

从 4.7 英寸屏幕增加到 5.5 英寸的 iPhone 6 Plus 在厚度上也只增加了 0.2 mm。而 5.5 英寸的 iPhone 6 Plus 甚至比 3.5 英寸的 iPhone 4 还要轻 2g,厚度更是薄了 2mm,减少了 21.5%。

手机厂商在当时还有一些其他的尝试,例如第一代一加手机,以及之后摩托罗拉的 MOTO X 上都推出了可以更换后壳的设计,包括竹质、陶瓷等不同材质的后壳都出现在手机上。摩托罗拉还把后盖做成了功能模块,比如换上新的相机或者增大电池容量。

苹果也在 iPhone 5C 上尝试过聚碳酸酯。这种诺基亚早先力推的塑料材质可以让手机外壳做成果冻质感,同时颜色的选择更加鲜艳、丰富。2016 年,苹果还推出了尝试将手机外壳打磨成类似玻璃质感的 iPhone 7。

但这些在外壳上的变化最终都没有保留下来。在玻璃重新到来之前,铝制一体成型的机身成为了绝对的主流。

到 2016 年,出货量前五大的手机品牌里,几乎所有的主要机型包括苹果 iPhone 7、华为 Mate 9、OPPO R9 以及 Vivo X9 都使用的是铝合金的机身。2016 年 12 月,中国市场前 20 大畅销的手机中,采用一体化金属机身就有 17 款,占比 85%。

重新回到玻璃差不多从 2016 年开始。另一个手机标杆公司三星在当时并没有选择跟随苹果, 一直沿用塑料的三星在 2016 年 2 月发布的 S6 上使用了玻璃材质的后壳。之后三星在高端机型上将玻璃做出类似金属质感的视觉效果。

“三星其实利用了磨片,它利用金属色泽的反射磨片让玻璃可以呈现出金属的质感。” vivo 的工业设计师解释了这种工艺实现的原理。

这也是玻璃重新回到手机上的特征。和 iPhone 4 时候使用的玻璃相比,iPhone 8 以及 Galaxy 8 上的玻璃边缘采用了 3D 的工艺打磨,边缘变得更薄,看上去像是机身的一部分,而不再是 iPhone 4 时代用一整块方形玻璃贴合的感觉。

今天前五大手机厂商,除了小米在高价 MIX 系列上用了陶瓷以外,其它厂商的主力机型已经都是玻璃后盖。即便是小米,在卖得更多的小米手机系列上用的也是玻璃材质。

任何材料的应用背后都是巨额投入,这也是为什么厂商对于设计非常谨慎

新工艺的出现,新材质的使用,背后的投入都相当巨大。在苹果总设计师 Jonathan Paul Ive 传记里有详细描写苹果在铝金属一体化工艺上的巨额投入。

在开发出金属一体成型工艺(Unibody)后,苹果在 2007 年左右开始正式投资,收购了所能找到的每一台数控铣床。甚至预定了日本一家工厂未来 3 年内生产的所有铣床。它们少则 25 万美元一台,高的可能上百万美元一台。

到了 2012 年,由于 iPhone 5 和 iPad 3(都是金属一体成型产品)的投入生产,苹果公司在这块的资本支出高达 95 亿美元,其中大部分都花在了生产工具和工艺上。

相比之下,苹果在零售商店上只花费了 8.65 亿美元。即便专卖店的地理位置都是租金昂贵的豪华地段,苹果在制造上的投入还是比专卖店多了 11 倍——它还不用负担富士康建厂的成本。

直到现在,美国铝业协会还在官网上挂着对乔布斯的感谢信。标题就是“Thank You, Steve Jobs”,称他推动了铝合金工艺的发展。

虽然我们现在看到的是苹果的铝合金一体设计主导整个行业许多年。但这不是一个理所当然的选择。早先铝镁合金、钛合金也都是电子产品常用的材料。

实际上,在此之前苹果尝试了多种金属,包括钛合金、镁合金、镀铬钢。这些材质因为容易产生划痕、硬度不够,以及重量太沉等原因都无法在手机上使用。

这里还有个人喜好的影响。乔布斯坚持要手机呈现一种金属自然的颜色,烤漆、镀铬这些工艺都没法被他接受。

一般手机产品从设计、选外壳材料到最终上市大约要经历一年的时间。发售前对于手机也有一系列使用测试。即使这样漫长的过程,细致的测试,铝合金使用中还是有过两次大问题。

2012 年苹果推出的全黑版本的 iPhone 5 在金属机身上出现大量黑色的掉漆现象,第二年 iPhone 5s 就放弃了全黑色的版本,改用深空灰。

掉漆严重的 iPhone 5,图片来源 GIZMODO

之后下一代的 iPhone 6 又因所用铝合金强度不够发生折弯,下一代 iPhone 6s 改变铝合金配方才解决了强度问题。

几年时间,iPhone 的铝合金从苹果打击竞争对手的差异化,变成全行业都能用上的新工艺。后来者不用经历苹果这样的反复试错,避免在这些错误的材质上花费巨大投入。

手机材料上试错成本是高昂的。

2012 年,苹果投资了蓝宝石公司 GT Advanced Technologies,却并没有能将蓝宝石玻璃用在手机面板上,最后只在 iPhone 镜头和销量较少的不锈钢、黄金等版本 Apple Watch 上用过。GTAT 于 2014 年申请破产,苹果前后总共向投资 6 亿美元。

苹果还要花钱投资玻璃制造商。2017 年苹果花费 2 亿美元投资给大猩猩玻璃的制造商康宁公司(Corning)。用于支持康宁的研发最先进的玻璃处理工艺以及采购设备。

同样的事情发生在 iPhone 7 的亮黑色版本上,苹果将不锈钢打磨出玻璃的手感和镜面效果。其设计负责人艾维曾经在一个视频中介绍这种亮黑色采用了 9 道打磨的工艺。

繁琐的工艺导致产能的下降, iPhone 7 的亮黑色发售后严重供应不足。更大的损失是,苹果只在 iPhone 7 这一代手机上使用了投入巨大花费研发的新工艺,之后你只能在少数手表以及高价的 iPhone X 系列边框上见到这种材质。

不耐划的 iPhone 7 亮黑版,图片来源:feng.com

小公司的投入同样巨大。2014 年,沿用了 3 代塑料的小米试图转做不锈钢边框的小米 4。根据黎万强当时的说法,富士康和赫比共增加了 19 亿元数控机床设备的投入(富士康 12 亿,赫比 7 亿)。这些成本最终都要分摊到小米手机生产的生命周期当中。

2016 年的小米 MIX 用了新的陶瓷外壳。但两年下来,只有小米一个公司投入的陶瓷没有变成主流,甚至小米也只能在销量较少的 MIX 系列用这样的材料,小米 8 继续用玻璃,而低端系列也是铝合金。

玻璃以外也有新的设计,但都没能扭转下滑的手机市场

当终极设计不够终极,新的设计开始了。

iPhone

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