產(chǎn)品基因在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

張 貴,袁萬(wàn)選,胡擁軍,劉 帆

（廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械系，廣東廣州，510635）

產(chǎn)品基因在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

張 貴,袁萬(wàn)選,胡擁軍,劉 帆

（廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械系，廣東廣州，510635）

基于產(chǎn)品基因概念，提出了一種產(chǎn)品基因的劃分和提取方法以及相應(yīng)基因庫(kù)的建立原則。通過(guò)對(duì)已有產(chǎn)品實(shí)例的分析，提取其中的各項(xiàng)產(chǎn)品特征抽象歸納為功能基因、外觀基因和結(jié)構(gòu)基因，建立產(chǎn)品實(shí)例基因組模型，并按照各基因?qū)?yīng)的原理將基因進(jìn)行編排建成產(chǎn)品基因庫(kù)。由于產(chǎn)品基因庫(kù)中同一原理一般對(duì)應(yīng)多種基因組合，因此能重組產(chǎn)生較多的基因突變組合，能有效地啟發(fā)設(shè)計(jì)者，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性。

產(chǎn)品基因；基因庫(kù)；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1 產(chǎn)品基因簡(jiǎn)介

目前，隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈和現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)力的飛速發(fā)展，產(chǎn)品的生命周期越來(lái)越短，新產(chǎn)品層出不窮并快速取代舊產(chǎn)品，針對(duì)這一趨勢(shì)，企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)越來(lái)越追求縮短設(shè)計(jì)周期、降低設(shè)計(jì)成本和針對(duì)用戶需求的個(gè)性化設(shè)計(jì)。為滿足企業(yè)的這一需求，就要求產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程既能延續(xù)舊產(chǎn)品的優(yōu)秀設(shè)計(jì)，又能快速的舉一反三、推陳出新，在較短的時(shí)間內(nèi)以較低的成本設(shè)計(jì)出客戶滿意的產(chǎn)品。這里，我們將遺傳變異思想引入其中。

在自然界中，生物通過(guò)遺傳基因?qū)⒆约旱奶卣鬟z傳給后代，并能通過(guò)基因的重組和變異產(chǎn)生新的性狀甚至新物種。同樣，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品的創(chuàng)新也大多將已有產(chǎn)品中的原理和設(shè)計(jì)進(jìn)行重用和再組合，也具有遺傳和變異的特征。同種產(chǎn)品一般具有相同的功能、原理和結(jié)構(gòu)，基于舊產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品也將大量延續(xù)前者的特征并在此基礎(chǔ)上整合了其他產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)特征，這一點(diǎn)也和動(dòng)植物的雜交和嫁接十分相似。由此可見(jiàn)，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程和生物的遺傳規(guī)律有著許多共通之處，基于這一認(rèn)識(shí)研究學(xué)者們提出了“產(chǎn)品基因”這一概念[1]。

本文對(duì)產(chǎn)品基因進(jìn)行了初步的分析和歸類(lèi)并引入了外形基因這一概念，使其更適用于工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程。并在此基礎(chǔ)上提出了基于產(chǎn)品基因的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，包含產(chǎn)品實(shí)例基因模型的建立、產(chǎn)品基因庫(kù)的編排及產(chǎn)品基因的重組和突變方法。使產(chǎn)品基因概念能運(yùn)用到創(chuàng)新設(shè)計(jì)中去。

2 產(chǎn)品基因的分類(lèi)與提取

2.1 產(chǎn)品基因的分類(lèi)

生物的基因即DNA包含A、G、C、T四種堿基，這4種堿基通過(guò)排列組合能構(gòu)成不同的基因并通過(guò)轉(zhuǎn)錄表達(dá)出各種生物性狀，從而決定了生物的各種特征。反之，通過(guò)研究生物的性狀、特征就能推導(dǎo)出相應(yīng)的基因。

工業(yè)產(chǎn)品的特征一般是由產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、外觀所體現(xiàn)的，與之相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)就好比決定性狀的堿基排列。所以我們可以按照生物基因工程的方法研究產(chǎn)品實(shí)例，從中提取設(shè)計(jì)案例并最終抽象成產(chǎn)品基因[2]。這里我們將產(chǎn)品的基因分為功能基因、結(jié)構(gòu)基因、外觀基因，三種基因的定義如下：

（1）功能基因：描述產(chǎn)品的使用功能，產(chǎn)品的子功能可以看做最小的元基因，多項(xiàng)功能組合就形成了功能基因組（如圖1），功能基因的內(nèi)容能直接影響產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和部分外觀設(shè)計(jì)。

圖1 產(chǎn)品功能分解圖

（2）結(jié)構(gòu)基因：表現(xiàn)產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)、裝配關(guān)系和材料特性等，是對(duì)功能要求和外觀要求的原理解和具體設(shè)計(jì)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基因?qū)⒑艽蟪潭鹊貨Q定產(chǎn)品形態(tài)的最終實(shí)現(xiàn)。同功能基因一樣，結(jié)構(gòu)基因也由各級(jí)子結(jié)構(gòu)基因和基因組合構(gòu)成[5]。

（3）外觀基因：描述產(chǎn)品的美學(xué)功能、外觀設(shè)計(jì)和物料特性。產(chǎn)品的外觀受功能和具體結(jié)構(gòu)影響，但具有一定的獨(dú)立性。產(chǎn)品的外觀基因應(yīng)該體現(xiàn)情感化設(shè)計(jì)的要求，滿足用戶的美學(xué)需要，既要不同于舊產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)又要要保持繼承性，體現(xiàn)品牌特征。例如蘋(píng)果公司的數(shù)碼產(chǎn)品產(chǎn)品的族群可以細(xì)分為iPod shuffle、iPod nano、iPod classic和iTouch四條產(chǎn)品線[3]。每種產(chǎn)品在外觀造型和配色方案上都有明顯區(qū)別但在風(fēng)格上卻又延續(xù)了統(tǒng)一的特征：簡(jiǎn)潔的外部線條，純凈的顏色，觸感良好的材質(zhì)，圓形的操控轉(zhuǎn)盤(pán)，直觀易懂的人機(jī)界面等。

三種基因的作用關(guān)系如圖2，可見(jiàn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)基因由產(chǎn)品的功能基因和外觀基因決定，其作用方法類(lèi)似生物的轉(zhuǎn)錄[4]。功能基因和外觀基因經(jīng)過(guò)功能分析和外觀分析得到相應(yīng)的原理，由原理求解得出結(jié)構(gòu)基因并最終表達(dá)成產(chǎn)品特征。

由圖2還可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品功能基因和產(chǎn)品外觀基因的作用過(guò)程是相對(duì)獨(dú)立的，在現(xiàn)實(shí)中不同產(chǎn)品其功能基因和外觀基因所占的比重是不同的。例如結(jié)構(gòu)較復(fù)雜技術(shù)含量較高的產(chǎn)品一般首先注重使用功能的實(shí)現(xiàn)，一次外觀設(shè)計(jì)的成分較少；結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單且以實(shí)現(xiàn)美學(xué)功能和情感功能為主的產(chǎn)品則一般功能單一，外觀設(shè)計(jì)占主導(dǎo)地位。（如圖3）

圖2 功能、外觀和結(jié)構(gòu)三種基因的關(guān)系模型

自行車(chē)設(shè)計(jì)

圖3 飲料瓶設(shè)計(jì)

2.2 產(chǎn)品基因的提取

在生物基因工程中，科學(xué)家使用RNA進(jìn)行逆翻譯從蛋白質(zhì)中提取遺傳信息，再進(jìn)行逆翻譯得到相應(yīng)基因。在產(chǎn)品基因中原理充當(dāng)了轉(zhuǎn)化時(shí)的信息載體，相當(dāng)于生物基因表達(dá)時(shí)使用的信息載體RNA。產(chǎn)品基因的提取過(guò)程就是通過(guò)對(duì)現(xiàn)成的產(chǎn)品實(shí)例或?qū)嵗N群進(jìn)行功能分類(lèi)、結(jié)構(gòu)拆分和外觀分析，找出其對(duì)應(yīng)的原理，建立原理模型再按照原理模型將各功能設(shè)計(jì)、外觀設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分類(lèi)歸納提取成相應(yīng)基因。

產(chǎn)品基因的提取原則

（1）將已有產(chǎn)品劃分成產(chǎn)品族群，對(duì)族群的共通特征進(jìn)行分析。

（2）研究產(chǎn)品系列的演化歷程，分析其遺傳規(guī)律，指導(dǎo)后續(xù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

（3）按照企業(yè)品牌形象選擇性地取舍基因，保留受顧客歡迎的體現(xiàn)品牌特色的基因，舍棄有損品牌形象的基因。

2.3 產(chǎn)品基因庫(kù)的建立

基于產(chǎn)品基因這一概念，我們可以將以往各種經(jīng)典設(shè)計(jì)和成功產(chǎn)品進(jìn)行分析，總結(jié)出優(yōu)秀的外觀、功能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并將這些設(shè)計(jì)歸納抽象成相應(yīng)的基因。搜集這些基因并編排成庫(kù)就成了屬于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基因庫(kù)。當(dāng)設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)，只需按照產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求從產(chǎn)品基因庫(kù)中提取滿足條件的基因加以重組就可以組合出多個(gè)設(shè)計(jì)方案。從這些方案中選出最優(yōu)解既可得到創(chuàng)新產(chǎn)品。

為了方便將產(chǎn)品基因信息運(yùn)用于創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，就需要建立產(chǎn)品基因庫(kù)。由圖2易知功能的最小單元子功能對(duì)應(yīng)一項(xiàng)原理，每項(xiàng)原理又對(duì)應(yīng)一項(xiàng)子結(jié)構(gòu)，兩者由原理聯(lián)系在一起。因此我們可以將產(chǎn)品基因按照原理進(jìn)行歸類(lèi)和編排，從而建立產(chǎn)品基因庫(kù)。如圖4

圖4 原理基因組結(jié)構(gòu)圖

在基因庫(kù)中，設(shè)原理為P，與P相關(guān)聯(lián)的功能基因、外觀基因、結(jié)構(gòu)基因分別為Gfi，Gai、Gsi?；驇?kù)中各種產(chǎn)品基因以原理基因組的方式存儲(chǔ)，由于同一原理能實(shí)現(xiàn)多種功能和外觀設(shè)計(jì)且可由不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表達(dá)，故原理基因組的表達(dá)式為

例如某產(chǎn)品基因庫(kù)中杠桿原理對(duì)應(yīng)的原理基因組可按下式表示：

使用產(chǎn)品基因庫(kù)時(shí)，只需按照所需的功能或外觀設(shè)計(jì)檢索相應(yīng)的原理，就能查到該原理對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)基因，還能獲取同源的功能和外觀基因，從而產(chǎn)生更多的基因組合。這一功能對(duì)設(shè)計(jì)者能起到一定的啟發(fā)作用，有助于誘導(dǎo)設(shè)計(jì)中基因的重組和突變。產(chǎn)品基因庫(kù)建立后，還要在設(shè)計(jì)過(guò)程中不但地積累設(shè)計(jì)知識(shí)，豐富產(chǎn)品基因庫(kù)的內(nèi)容，從而增加產(chǎn)品基因的突變類(lèi)型，為創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供更多靈感。

2.4 產(chǎn)品基因的表達(dá)、遺傳、重組和突變

產(chǎn)品實(shí)例的基因可按照?qǐng)D2以自頂向下的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)表示成基因模型，如圖5

圖5 樹(shù)狀產(chǎn)品基因模型

當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，可以從已有產(chǎn)品種群實(shí)例中提取有代表性的范例，分析范例的特征并建立相應(yīng)的樹(shù)狀基因模型。例如設(shè)計(jì)光電鼠標(biāo)時(shí)，先分析其基本功能和外觀設(shè)計(jì)，建立該實(shí)例的基礎(chǔ)基因組：如圖6

圖6 鼠標(biāo)的基礎(chǔ)基因模型

圖6 所示的產(chǎn)品實(shí)例基因組描述了光電鼠標(biāo)這一產(chǎn)品的基本構(gòu)成，以后設(shè)計(jì)的新款鼠標(biāo)大多會(huì)具有這些基因，因此這些基因具有遺傳性，會(huì)遺傳到產(chǎn)品種群的新產(chǎn)品中去。

樹(shù)狀產(chǎn)品基因組的重組和突變過(guò)程就如同在樹(shù)枝上添加葉子或替換葉子，例如在鼠標(biāo)的基因庫(kù)中傳感器對(duì)應(yīng)的原理基因組為：

其中除了包含“指令信號(hào)輸入”和“位移信號(hào)輸入”還會(huì)包含其他功能基因如“圖形信號(hào)輸入”，圖形信號(hào)輸入對(duì)應(yīng)的適用于鼠標(biāo)的子結(jié)構(gòu)基因是“指紋識(shí)別器”“攝像頭”等等。

因此，在鼠標(biāo)的基礎(chǔ)基因模型的基礎(chǔ)上，新型鼠標(biāo)就可以在其基因組中加入這一突變功能并衍生出對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)如指紋鎖或二維碼識(shí)別插件等。

3 基于產(chǎn)品基因的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)例——無(wú)線自發(fā)電鼠標(biāo)

3.1 設(shè)計(jì)背景

問(wèn)題一

無(wú)線鼠標(biāo)的發(fā)明使鼠標(biāo)擺脫了數(shù)據(jù)線的限制，但同時(shí)無(wú)線鼠標(biāo)必須得面對(duì)能源問(wèn)題。一般無(wú)線鼠標(biāo)都是以5號(hào)或7號(hào)干電池為電源，電池耗盡后必須要更換新電池，在給使用者帶來(lái)不便的同時(shí)舊電池也會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

問(wèn)題二

操作傳統(tǒng)鼠標(biāo)時(shí)，手腕背伸一定角度，掌側(cè)與桌面接觸積壓，使腕管處壓力增大，長(zhǎng)期反復(fù)的擠壓摩擦，使通過(guò)的神經(jīng)和血管受損傷，產(chǎn)生鼠標(biāo)手癥狀。鼠標(biāo)手會(huì)造成肩部甚至頸部的不適、手腕和前臂的疲勞酸漲、手腕的僵硬和手掌的酸澀。

為了解決這兩個(gè)問(wèn)題本文設(shè)計(jì)了一種能將鼠標(biāo)移動(dòng)時(shí)的多余動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能供自身使用的無(wú)線鼠標(biāo)，同時(shí)鼠標(biāo)的外形采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)，能有效的預(yù)防鼠標(biāo)手。

3.2 新增功能分析及基因提取

功能方面：要將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為無(wú)線鼠標(biāo)可以使用的電能就需要發(fā)電裝置，與之符合的發(fā)電原理有壓力發(fā)電P壓力發(fā)電、電磁感應(yīng)發(fā)電P電磁感應(yīng)等，由于鼠標(biāo)的位移比較頻繁因此選擇P電磁感應(yīng)，檢索P電磁感應(yīng)包含的基因組合選取=（位移發(fā)電，電磁感應(yīng)，偏心輪+發(fā)條+發(fā)動(dòng)機(jī)）或者=（位移發(fā)電，電磁感應(yīng)，內(nèi)臟線圈+外置永磁體），為了增加能源的轉(zhuǎn)化率，選擇機(jī)械傳動(dòng)部件較少的=（位移發(fā)電，電磁感應(yīng)，內(nèi)置線圈+外置永磁體）。

外形方面：要預(yù)防鼠標(biāo)手就要使手腕不與桌面接觸，由于傳統(tǒng)鼠標(biāo)設(shè)計(jì)都無(wú)法避免手腕與桌面接觸，故引入游戲手柄的基因：=（信號(hào)輸入，舒適握感，立式搖桿設(shè)計(jì)）

將以上基因加入原鼠標(biāo)的基因模型（圖6）就得到了新產(chǎn)品的基因模型，按照這一模型指導(dǎo)設(shè)計(jì)就能較快地設(shè)計(jì)出創(chuàng)新產(chǎn)品：即立式側(cè)握式鼠標(biāo)，內(nèi)置發(fā)電線圈和儲(chǔ)能電池，附件包括內(nèi)嵌永磁鐵的特制鼠標(biāo)墊。鼠標(biāo)工作時(shí)，內(nèi)置線圈切割鼠標(biāo)墊產(chǎn)生的磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電流供給鼠標(biāo)。（如圖7、8）

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了產(chǎn)品基因的分類(lèi)和提取，并對(duì)產(chǎn)品實(shí)例基因庫(kù)的建立以及產(chǎn)品基因的重組、突變和雜合等問(wèn)題進(jìn)行了研究。為解決產(chǎn)品基因在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，本文提出了以原理為標(biāo)準(zhǔn)編排和建立基因庫(kù)的方法，增加了產(chǎn)品基因的重組、突變能力，提高了產(chǎn)品基因概念在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的實(shí)用性?；驇?kù)概念的引入有利于設(shè)計(jì)知識(shí)的延續(xù)、積累、規(guī)范以及再利用，并能對(duì)設(shè)計(jì)者提供啟發(fā)和指導(dǎo)。

圖7 產(chǎn)品外觀效果圖

圖8 產(chǎn)品爆炸圖

[1]馮培恩, 陳泳, 張帥,等. 基于產(chǎn)品基因的概念設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2004, 38(10):1-6.

[2]楊金勇. 基于功能表面的機(jī)械產(chǎn)品基因工程理論與技術(shù)研究[ D] . 濟(jì)南: 山東大學(xué), 2007

[3]繆琳, 楊雄勇. 從蘋(píng)果的設(shè)計(jì)探究產(chǎn)品基因的遺傳與變異.湖南大學(xué)設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院

[4]臺(tái)立鋼, 鐘廷修. 產(chǎn)品實(shí)例種群及產(chǎn)品基因研究[ J] .上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 41( 9) : 1465- 1469

[5]劉怡, 黃克正, 劉和山,等. 基于產(chǎn)品基因進(jìn)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自動(dòng)化[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2004, 07期(7):813-815.

Research on Application of Product Gene for Innovation Design

Zhang Gui,Yuan Wanxuan,Hu Yongjun,Liu Fan
（School of Design, South China University of Technology,Guangzhou Guangdong,510635,China）

Based on the concept of product gene, a method of classification and acquisition of product gene was proposed. Besides, the principles of establishing the gene pool for the product gene was put forward. Through analyzing the product cases, formulating the characters extracted from product case as product gene and then a model of the product case was established. According to the principles of each product gene, a gene pool was established, it is helpful to the innovation design as the product gene from gene pool can change into various mutations combination which can inspire designers and improve the level of creativity of the design.

product gene; gene pool; innovation design

TB472

A

張貴 (1987- )，男，安徽阜陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楫a(chǎn)品創(chuàng)新理論與應(yīng)用、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其理論。