基于多生物效應(yīng)的產(chǎn)品仿生設(shè)計(jì)流程研究

摘要：

仿生設(shè)計(jì)是工業(yè)設(shè)計(jì)中一種重要的設(shè)計(jì)方式，自然界中干奇百怪的生物為人類(lèi)發(fā)明創(chuàng)造提供了不竭的源泉。為了增加設(shè)計(jì)人員對(duì)生物知識(shí)的利用，本文引入了多生物效應(yīng)這一概念，并通過(guò)對(duì)多生物效應(yīng)知識(shí)庫(kù)的應(yīng)用，構(gòu)建了仿生設(shè)計(jì)流程，為仿生設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，提高設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：

仿生設(shè)計(jì) 多生物效應(yīng) 多生物效應(yīng)知識(shí)庫(kù) 設(shè)計(jì)流程

中圖分類(lèi)號(hào)：TB47

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2015）07-0060-02

一 前言

自古以來(lái)，人與自然便有著密不可分的聯(lián)系，人類(lèi)通過(guò)不斷地模仿自然生物來(lái)解決生活中的問(wèn)題。而自然界的生物經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的自然選擇進(jìn)化，表現(xiàn)出與自然環(huán)境的高度適應(yīng)性以及較強(qiáng)的自我調(diào)節(jié)能力，這些都是人造系統(tǒng)所不能匹敵的。近幾十年來(lái)，隨著人類(lèi)對(duì)生物知識(shí)的不斷深入的研究和應(yīng)用，催生了仿生學(xué)的誕生和飛速發(fā)展。仿生學(xué)這一邊緣學(xué)科從誕生到現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)近五十年的發(fā)展。逐漸發(fā)展到了信息仿生，醫(yī)學(xué)仿生，化學(xué)仿生等諸多方面，仿生研究的成果越來(lái)越多樣化。

傳統(tǒng)的仿生設(shè)計(jì)方法大多都是以頭腦風(fēng)暴法，列舉法等設(shè)計(jì)方法為主要思路來(lái)源展開(kāi)設(shè)計(jì)。這種研究方法多局限于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和能力，可能是設(shè)計(jì)師本人剛好了解這一生物現(xiàn)象，于是該生物原型就被選為仿生對(duì)象，這種研究方法和流程局限性較大，對(duì)仿生對(duì)象的確定存在著較大的偶然性，并且效率不高，準(zhǔn)確性低?；诖?，筆者旨在以多生物效應(yīng)為途徑，解決仿生設(shè)計(jì)中仿生對(duì)象確定的問(wèn)題，并提出適應(yīng)于工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的仿生設(shè)計(jì)流程。

二 多生物效應(yīng)應(yīng)用策略

隨著仿生設(shè)計(jì)的不斷深入研究，任露泉等學(xué)者發(fā)現(xiàn)生物體適應(yīng)外部環(huán)境所呈現(xiàn)的各種功能，不僅僅是單一因素的作用或多個(gè)因素作用的簡(jiǎn)單相加，而是由多種互相依存，互相影響的因素通過(guò)一定的機(jī)制耦合、協(xié)同作用的結(jié)果。生物耦合是生物功能實(shí)現(xiàn)的載體，是多生物效應(yīng)的外在表現(xiàn)。為了更有效地利用多生物效應(yīng)，人們開(kāi)始探索多生物效應(yīng)知識(shí)庫(kù)的建立。多生物效應(yīng)知識(shí)庫(kù)是生物效應(yīng)的分類(lèi)總和，是一個(gè)檢索生物效應(yīng)的系統(tǒng)，其根據(jù)所輸入的功能關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索后可得出符合該功能的生物原型。方便設(shè)計(jì)人員快速的找到設(shè)計(jì)原型，縮短查詢(xún)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性。

例如對(duì)于頭盔設(shè)計(jì)，頭盔是在遇到突然撞擊時(shí)減少震動(dòng)從而保護(hù)頭部的產(chǎn)品，因此可以提出功能關(guān)鍵詞<減少>+<震動(dòng)>作為檢索對(duì)象，得到以下檢索界面：（圖1多生物效應(yīng)知識(shí)庫(kù)檢索結(jié)果）

可以得到符合減少震動(dòng)的多生物效應(yīng)有貓足墊的構(gòu)造和啄木鳥(niǎo)的頭骨結(jié)構(gòu)構(gòu)造。并且可以得到相應(yīng)的多生物效應(yīng)模型：（圖2，圖3）

我們以啄木鳥(niǎo)的頭骨結(jié)構(gòu)為原型，對(duì)其生物效應(yīng)進(jìn)行分析可以得到以下要點(diǎn)：

1 啄木鳥(niǎo)的大腦被一層緊密并富有彈性的頭骨緊緊的包圍，頭骨的骨質(zhì)呈海綿狀，其體積很小的腦骨正是由于被這種海綿狀的組織所包圍著，形成了躲避并減少震動(dòng)功能極佳的保護(hù)墊，可以有效減少并抵御外部的撞擊力。

2 啄木鳥(niǎo)的頭骨結(jié)構(gòu)疏松并且充滿(mǎn)空氣，頭骨的內(nèi)部具有一層輕薄的外腦膜，在外腦膜和腦髓之間的狹小的空隙里，腺體細(xì)胞分泌了腦脊液，腦脊液充斥在頭骨外腦膜附近，使震波在啄木鳥(niǎo)頭部的傳播比在人頭部困難的多。降低了震波的流體傳動(dòng)，自然起到了減震的作用。

3 啄木鳥(niǎo)頭部的肌肉群也有助于吸收并分散收到的撞擊力。

4啄木鳥(niǎo)的舌骨結(jié)構(gòu)也不同于人類(lèi)的結(jié)構(gòu)，人類(lèi)只有在喉結(jié)上方存在這種骨骼，而啄木鳥(niǎo)的舌骨卻從鳥(niǎo)嘴下面開(kāi)始，一直延伸到鼻孔，分布于頭部下面和四周，最后越過(guò)頭骨頂部最終在前額處交匯。

通過(guò)以上的分析，可以得到在仿生時(shí)可以借鑒的生物效應(yīng)：啄木鳥(niǎo)緊密而富有彈性的頭骨結(jié)構(gòu)——頭盔外殼材質(zhì)堅(jiān)硬抗撞擊，有襯墊，佩戴舒適，并且為了滿(mǎn)足所有人的頭部尺寸，可以在緩沖層增加氣體充氣裝置（類(lèi)似于血壓儀），方便調(diào)節(jié)與頭部的貼合度；啄木鳥(niǎo)頭骨內(nèi)海綿狀的組織和腺體細(xì)胞充斥的腦脊液——頭盔內(nèi)部有緩沖層，在受到撞擊時(shí)可以分散力；啄木鳥(niǎo)的舌骨結(jié)構(gòu)——頭盔有帽帶，可以調(diào)節(jié)松緊，并且起到很好的固定作用。

由上分析可以看出，多生物效應(yīng)知識(shí)庫(kù)的應(yīng)用為仿生設(shè)計(jì)生物原型的搜索提供了很大便利。在得到生物原型之后，設(shè)計(jì)師便可根據(jù)該生物的多生物效應(yīng)進(jìn)行分析，選擇最優(yōu)的生物原型，進(jìn)而進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)工作。從而擺脫了頭腦風(fēng)暴似的聯(lián)想，提高了設(shè)計(jì)的效率，并且確保了設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性。

三 基于多生物效應(yīng)的產(chǎn)品仿生設(shè)計(jì)流程

基于以上相關(guān)知識(shí)的梳理，筆者總結(jié)了基于多生物效應(yīng)的產(chǎn)品仿生設(shè)計(jì)流程：（圖4基于多生物效應(yīng)的仿生設(shè)計(jì)流程圖）

本流程可以分為三大部分：

（1）前期調(diào)研階段

包括：明確設(shè)計(jì)任務(wù)、用戶(hù)需求分析、產(chǎn)品創(chuàng)新形式確定、以及產(chǎn)品總功能確定。

確定設(shè)計(jì)任務(wù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，了解現(xiàn)有產(chǎn)品的特點(diǎn)和不足，明確用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的需求和潛在需求，確定該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新形式。產(chǎn)品創(chuàng)新形式分為兩種，一是已有產(chǎn)品改進(jìn)，即對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)品功能與用戶(hù)的實(shí)際需求以及產(chǎn)品的定位進(jìn)行研究，找出不足之處，包括其不足功能、過(guò)剩功能、不必要功能等。通過(guò)功能改進(jìn)，從而去除功能系統(tǒng)中不必要的甚至是有害的功能，合并相同或者是相近的功能，從而精簡(jiǎn)產(chǎn)品系統(tǒng)，滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)高質(zhì)量、個(gè)性化的追求，達(dá)到產(chǎn)品完善的程度。二是新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，即按照用戶(hù)的需求和產(chǎn)品的市場(chǎng)調(diào)研、定位，對(duì)產(chǎn)品功能進(jìn)行一種預(yù)測(cè)，重新設(shè)計(jì)出新的產(chǎn)品系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)更完整、理想的功能。最后明確產(chǎn)品的總功能。

（2）方案確定階段

包括：提取功能關(guān)鍵詞、進(jìn)行多生物效應(yīng)知識(shí)庫(kù)檢索、分析多生物效應(yīng)模型、生物——技術(shù)類(lèi)比推理，從而確定仿生對(duì)象，然后進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

根據(jù)產(chǎn)品的主要功能，可以提煉出檢索關(guān)鍵詞。關(guān)鍵詞的提取要精準(zhǔn)，是對(duì)所要實(shí)現(xiàn)的功能的具體概括，通常有兩種表示形式：“動(dòng)詞+名詞”，其中動(dòng)詞表示產(chǎn)品要完成的一個(gè)操作，名詞表示被操作的對(duì)象，比如拉伸試驗(yàn)裝置的總功能我們可以描述為“拉伸試件”?；蛘呤恰皠?dòng)詞+動(dòng)詞”的描述形式，其中第一個(gè)動(dòng)詞表示產(chǎn)品要完成的一個(gè)操作或者是產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)的程度狀態(tài)，如增加、減少、保持。第二個(gè)動(dòng)詞表示產(chǎn)品實(shí)際發(fā)生的狀態(tài)，比如碰撞、溫度、移動(dòng)……然后將關(guān)鍵詞輸入到多生物效應(yīng)知識(shí)庫(kù)中進(jìn)行檢索，得出檢索結(jié)果。并對(duì)多生物效應(yīng)模型進(jìn)行分析。

有了生物原型以及對(duì)應(yīng)的生物效應(yīng)之后，生物原型如何應(yīng)用到技術(shù)上，以及是否可以與技術(shù)進(jìn)行銜接，需要驗(yàn)證，這里筆者應(yīng)用因果關(guān)系類(lèi)比推理原理進(jìn)行驗(yàn)證，按照因果關(guān)系類(lèi)比推理的原則：已知存在因果關(guān)系Sl： A→B，給定事物A'與A相似，則可能有與B相似的事物B’滿(mǎn)足因果關(guān)系52：A'B’。

例如上文中提到的頭盔設(shè)計(jì)案例，可以進(jìn)行以下的類(lèi)比推理：通過(guò)對(duì)啄木鳥(niǎo)的生物效應(yīng)屬性進(jìn)行規(guī)范，可以得到，其頭骨結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬、周?chē)杷刹⒊錆M(mǎn)了空氣；在大腦周?chē)小獙雍＞d狀的骨骼內(nèi)含液體；在頭兩側(cè)具有強(qiáng)大的肌肉群。這是啄木鳥(niǎo)客觀存在的生物屬性的描述，將其稱(chēng)為A。對(duì)其進(jìn)行規(guī)范化的描述，即某類(lèi)組織或者裝置外層結(jié)構(gòu)疏松且堅(jiān)硬，內(nèi)層結(jié)構(gòu)富有良好的彈性，并對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)具有很好的把控力，此結(jié)構(gòu)稱(chēng)之為A'。

對(duì)于歸納的A啄木鳥(niǎo)的基本生物屬性，可以看出這些基本的生物屬性直接引發(fā)的生物功能是啄木鳥(niǎo)在啄木時(shí)能夠有效的分散力，減少?zèng)_擊力對(duì)頭部的損傷。得到的這種生物功能稱(chēng)之為B，最后我們希望存在B’這樣具有減少撞擊功能的結(jié)構(gòu)。由于由A可以得到B。根據(jù)因果關(guān)系類(lèi)比推理原則我們可以推測(cè)出A’→B’。即依照B這樣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行的設(shè)計(jì)具有減少撞擊的功能。

通過(guò)類(lèi)比推理原理，可以確定出生物原型的選擇可以實(shí)現(xiàn)與技術(shù)理論的銜接，是對(duì)生物系統(tǒng)的進(jìn)一步分析以及對(duì)仿生對(duì)象的再—次確認(rèn)。

經(jīng)過(guò)以上各步驟，可以最終確定仿生對(duì)象。確定了產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)的原理，繼而進(jìn)行產(chǎn)品形態(tài)的設(shè)計(jì)。

（3）評(píng)價(jià)實(shí)施階段

包括：產(chǎn)品方案的最終構(gòu)建、方案評(píng)價(jià)，以及設(shè)計(jì)實(shí)施。四結(jié)語(yǔ)

仿生設(shè)計(jì)為工業(yè)設(shè)計(jì)提供了新的思想和觀點(diǎn)，仿生設(shè)計(jì)的發(fā)展將滲透到人們生活的各個(gè)方面，自然界中生物效應(yīng)的有效利用將會(huì)為仿生設(shè)計(jì)開(kāi)闊新的思路，本文通過(guò)對(duì)多生物效應(yīng)知識(shí)庫(kù)的應(yīng)用，提供了更多的可以利用的生物效應(yīng)，梳理了仿生設(shè)計(jì)流程，通過(guò)對(duì)生物效應(yīng)的分析，提高了仿生設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性。