工業(yè)產(chǎn)品形態(tài)仿生設(shè)計(jì)定性及定量技術(shù)的研究與應(yīng)用

王天星　陳琳

摘 要：目前，國內(nèi)外基于產(chǎn)品形態(tài)的仿生設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容較少，基本都是基于仿生結(jié)構(gòu)和肌理的研究，大多數(shù)形態(tài)仿生產(chǎn)品都是設(shè)計(jì)師根據(jù)其直覺進(jìn)行的，定性而不是定量的對產(chǎn)品形態(tài)進(jìn)行仿生。為了有效地進(jìn)行形態(tài)仿生設(shè)計(jì)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)相關(guān)原理，對產(chǎn)品形態(tài)仿生設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究是必須解決的問題。產(chǎn)品仿生設(shè)計(jì)更應(yīng)關(guān)注“度”的把握，也就是希望對產(chǎn)品形態(tài)進(jìn)行有效的數(shù)字化。

關(guān)鍵詞：形態(tài)仿生；定性；定量

1 工業(yè)產(chǎn)品形態(tài)仿生設(shè)計(jì)的意義

隨著社會經(jīng)濟(jì)和科技的不斷進(jìn)步，很多生產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品的企業(yè)為了使自己開發(fā)的產(chǎn)品在市場競爭中立于不敗之地，會在產(chǎn)品功能上做大量的研究與開發(fā)工作，使得許多工業(yè)產(chǎn)品在功能上有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。但隨著人們生活水平的不斷提高，在使用產(chǎn)品的過程中，為了滿足精神上的審美需求，除了功能，對產(chǎn)品造型也提出了更高的要求。為了使產(chǎn)品有更好的市場競爭力，工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)就必須解決形態(tài)設(shè)計(jì)的問題。

但如果按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思維去開發(fā)新產(chǎn)品的形態(tài)，就很難在眾多的同類產(chǎn)品形態(tài)中脫穎而出。因此，必須尋找新的突破點(diǎn)。從社會發(fā)展的角度來看，現(xiàn)如今的消費(fèi)者越來越重視環(huán)保，重視人與自然的和諧發(fā)展，而自然界的所有生物都是經(jīng)歷了長期的進(jìn)化過程的結(jié)果，從形態(tài)上來講，是在周圍環(huán)境不斷變化的情況下進(jìn)行不斷適應(yīng)的產(chǎn)物，即人與自然和諧發(fā)展的產(chǎn)物。因此，利用形態(tài)仿生的設(shè)計(jì)思維和設(shè)計(jì)方法，對工業(yè)產(chǎn)品的形態(tài)進(jìn)行改良和創(chuàng)新成了一種很好的選擇。在對生活品質(zhì)不斷提出更高要求的今天，如果將自然物的形態(tài)元素融入產(chǎn)品形態(tài)中，就會形成強(qiáng)烈的視覺沖擊力，在同類產(chǎn)品中顯示出其在造型上的優(yōu)勢。

但是，在前期對大量文獻(xiàn)資料進(jìn)行了查閱后發(fā)現(xiàn)，相關(guān)產(chǎn)品形態(tài)仿生設(shè)計(jì)的文章不少，但多只是建立在對仿生結(jié)構(gòu)和肌理的研究上，幾乎沒有利用相關(guān)理論及相關(guān)的計(jì)算機(jī)技術(shù)對產(chǎn)品形態(tài)仿生做定性及定量的分析。鑒于這樣的實(shí)際情況，筆者將利用該論文提出新的產(chǎn)品形態(tài)仿生設(shè)計(jì)理論及研究方法，為產(chǎn)品形態(tài)仿生設(shè)計(jì)提供更為有效的途徑。

2 工業(yè)產(chǎn)品形態(tài)仿生設(shè)計(jì)的定性分析

2.1 生物體基本形態(tài)構(gòu)成元素

自然界的任何生物，如果將其形態(tài)進(jìn)行拆分，最終都可以分解成點(diǎn)、線、面、體這幾種最基本的形態(tài)構(gòu)成元素。就像在目前大工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)條件下，幾乎所有的產(chǎn)品都是由很多零部件拼裝而成的，每一件零部件都是通過特定的流水線以及不同的工藝方法制造的，這就是我們通常意義上所講的標(biāo)準(zhǔn)件。標(biāo)準(zhǔn)件通過批量生產(chǎn)，大大降低了工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。自然物中的這些最基本的形態(tài)元素，就可以被看做是生物體中的標(biāo)準(zhǔn)件，這些元素在特定的自然條件下獨(dú)立生長，最后組合成形態(tài)各異的自然物形體，具有代表性的有鋸齒狀、螺旋線等。

如果從幾何學(xué)的角度進(jìn)行分析，從自然物中可以提取許許多多完全符合機(jī)械化大工業(yè)生產(chǎn)要求的結(jié)構(gòu)理想且有生長規(guī)律的幾何形態(tài)。以螺旋結(jié)構(gòu)為例，DNA分子結(jié)構(gòu)是螺旋狀的；蝸牛的殼是螺旋狀的；向日葵籽在向日葵花盤上的排列是螺旋狀的；車前草葉片的排列形式也是螺旋狀的……我們還可以從更多生物體中找到螺旋結(jié)構(gòu)的影子。這種大量存在于自然界中的數(shù)理形態(tài)，就為我們提供了很好的素材來源，為之后資源庫的建設(shè)提供很多的有效信息。

2.2 形態(tài)仿生的內(nèi)涵及特點(diǎn)

人們在與自然界的動植物長期共存的環(huán)境下，慢慢認(rèn)識到某些動植物的特殊形態(tài)能夠在日常生活中被使用，在無意中就對自然物進(jìn)行了直接或間接的利用，對產(chǎn)品形態(tài)進(jìn)行著仿生設(shè)計(jì)。很多情況下，這種對自然物形態(tài)的使用并不是刻意為之的，而是從人們使用產(chǎn)品的需求出發(fā)，在滿足產(chǎn)品功能能夠得到充分發(fā)揮的基礎(chǔ)上進(jìn)行選擇的。產(chǎn)品是通過其特定的功能為人類服務(wù)的，而造型的合適與否直接決定了產(chǎn)品的功能能否得到更好的發(fā)揮，產(chǎn)品的效率能否達(dá)到最優(yōu)化。因此，產(chǎn)品的形態(tài)設(shè)計(jì)不僅要考慮造型的美觀性，人們對造型的審美需求，更重要的是造型的功能性和可持續(xù)發(fā)展性，既要從人們使用產(chǎn)品的舒適性角度出發(fā)，利用人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，又要選擇少污染或零污染的材料，減輕環(huán)境的負(fù)擔(dān)。

因此，就形態(tài)仿生而言，首先，產(chǎn)品形態(tài)是對自然物形態(tài)進(jìn)行的簡化與抽象，是在符合自然進(jìn)化法則的基礎(chǔ)上對自然物進(jìn)行的選擇與模仿，符合了形態(tài)語義學(xué)的要求。其次，自然界無窮無盡的物種為形態(tài)設(shè)計(jì)提供了取之不盡的設(shè)計(jì)素材。再次，隨著時(shí)代的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人們對個(gè)性化的追求已經(jīng)成為一種趨勢。對不同層次的消費(fèi)者而言，雖然對產(chǎn)品形態(tài)有著不同的要求，但對新穎性的追求是所有消費(fèi)者的共同目標(biāo)，而形態(tài)仿生恰恰滿足了消費(fèi)者在這方面的心理需求，這就可以引導(dǎo)設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出更多更好的符合產(chǎn)品功能要求的創(chuàng)新造型。另外，在如今科技化越發(fā)明顯的時(shí)代背景下，越來越忙碌的生活使得人們接觸自然的機(jī)會也來越少，為了讓我們找回那種天然的狀態(tài)和回歸自然的感覺，同時(shí)也為了迎合生態(tài)設(shè)計(jì)的理念，形態(tài)仿生設(shè)計(jì)自然就成了符合這一要求的第一選擇。

2.3 形態(tài)仿生的發(fā)展方向

在目前的市場背景下，產(chǎn)品形態(tài)是要為產(chǎn)品功能服務(wù)的，產(chǎn)品形態(tài)的設(shè)計(jì)目的，是要讓消費(fèi)者在看到產(chǎn)品形態(tài)的同時(shí)就形成認(rèn)知，從而了解產(chǎn)品的功能。就如今的工業(yè)產(chǎn)品消費(fèi)市場來看，消費(fèi)者購買產(chǎn)品的首要考慮因素，就是產(chǎn)品的造型，設(shè)計(jì)師要抓住消費(fèi)者的這一心理特質(zhì)，對產(chǎn)品形態(tài)進(jìn)行改良和創(chuàng)新。

從我國的實(shí)際情況來看，我國的產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展速度比較緩慢，究其原因，很大程度上是由于缺少創(chuàng)意來源和創(chuàng)意素材?，F(xiàn)今，大多產(chǎn)品形態(tài)的設(shè)計(jì)都是通過對已有產(chǎn)品的實(shí)物樣件表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，并利用可實(shí)現(xiàn)逆向三維造型設(shè)計(jì)的軟件來重新構(gòu)造實(shí)物的三維CAD模型，并進(jìn)一步用CAD/CAE/CAM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分析、再設(shè)計(jì)、數(shù)控編程以及數(shù)控加工。這樣一個(gè)逆向設(shè)計(jì)的過程，就很難在形態(tài)上有所突破。而仿生設(shè)計(jì)恰好可以突破這一瓶頸，在已有原始生物體的基礎(chǔ)上，對生物原型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理，再進(jìn)行CAD建模、數(shù)控編程及數(shù)控加工。這樣一來，就可以不斷發(fā)展企業(yè)的自主創(chuàng)新能力，使企業(yè)在目前激烈的市場競爭中立于不敗之地。

目前，我們已經(jīng)可以在市場上的一些在售商品中找到仿生設(shè)計(jì)的影子，這些設(shè)計(jì)可以從自然界中找到相對應(yīng)的自然物原型。這是一個(gè)設(shè)計(jì)師與自然界雙向交流的過程，設(shè)計(jì)師可以從現(xiàn)有的一些產(chǎn)品形態(tài)中找到相應(yīng)的生物體，同時(shí)，去發(fā)現(xiàn)更多未被開發(fā)過的生物體形態(tài)，并運(yùn)用到新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。因此，在今后的仿生設(shè)計(jì)中，就需要在自然物原型的基礎(chǔ)上，提取基本的結(jié)構(gòu)單元，進(jìn)行有效的數(shù)字化，并建立相關(guān)的數(shù)據(jù)資源庫，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供便利，在注重人與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，更加注重產(chǎn)品使用者個(gè)性化的體現(xiàn)。

2.4 形態(tài)仿生的關(guān)鍵點(diǎn)及重要性

任何一件工業(yè)產(chǎn)品，一旦進(jìn)入市場，就具備了商品的屬性。為了體現(xiàn)商品的價(jià)值，就必須具備物質(zhì)和精神兩方面的功能。就產(chǎn)品形態(tài)而言，則更多體現(xiàn)的是產(chǎn)品的精神價(jià)值。雖然設(shè)計(jì)師可以利用形態(tài)組合法、形態(tài)類比法等多種方法來進(jìn)行產(chǎn)品形態(tài)的設(shè)計(jì)，但要從人性化、情感化的角度賦予產(chǎn)品生命，不得不說仿生設(shè)計(jì)是一個(gè)極其適合的方法。將自然物的特征形態(tài)通過提取、簡化等手段，融入產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)中，使人們被產(chǎn)品的外觀所吸引，從而產(chǎn)生購買的欲望和消費(fèi)行為，這樣就直接為企業(yè)帶來了良好的效益。

設(shè)計(jì)師對產(chǎn)品形態(tài)進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)是符合市場及可持續(xù)發(fā)展要求的。一方面，每一種生物從出現(xiàn)到與其他物種經(jīng)過激烈的生存斗爭，最后存活下來，都是自然選擇的結(jié)果。因此，我們在生物界或微生物界找到的生物，其生長形態(tài)與結(jié)構(gòu)都是符合自然環(huán)境要求的，從工業(yè)設(shè)計(jì)的角度來看，是符合形式美法則的。比如刺猬筆插，不僅形態(tài)有趣可愛，能喚起人們對小動物的熱愛，同時(shí)從使用功能的角度來看，能存放鉛筆的數(shù)量并不比普通的筆筒少，功能一樣強(qiáng)大。另一方面，可以從人性化的要求出發(fā)，為形態(tài)設(shè)計(jì)提供創(chuàng)作靈感。隨著時(shí)代的發(fā)展，人們已經(jīng)厭倦了每天在鋼筋水泥的城市森林中穿梭的生活模式，產(chǎn)生了越來越強(qiáng)烈的回歸自然的心態(tài)，這就漸漸引導(dǎo)了產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向向仿生設(shè)計(jì)傾斜，發(fā)展前景一片大好。

2.5 新的研究方法

產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在進(jìn)行產(chǎn)品形態(tài)仿生設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對選定的生物體做一個(gè)整體的分析，并對生物進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆纸?，對每一部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確分析，并通過一定的方法保留主要部分，去除次要部分，進(jìn)行簡化，形成簡化后的形態(tài)模型，確定產(chǎn)品仿生形態(tài)特征，形成形態(tài)仿生的創(chuàng)意。其次，將簡化后的形態(tài)模型在特征數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的處理，對產(chǎn)品形態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，并結(jié)合產(chǎn)品形態(tài)理論進(jìn)行分析，形成符合用戶需求的產(chǎn)品形態(tài)仿生三維模型，最后形成產(chǎn)品。

3 工業(yè)產(chǎn)品形態(tài)仿生設(shè)計(jì)的定量分析

3.1 逆向工程技術(shù)的應(yīng)用

仿生設(shè)計(jì)并不是一個(gè)新的概念，在許許多多的工業(yè)產(chǎn)品中，都能找到仿生設(shè)計(jì)的影子。但傳統(tǒng)意義上的仿生設(shè)計(jì)，基本都是在定性的基礎(chǔ)上對產(chǎn)品進(jìn)行的形態(tài)創(chuàng)造。也就是說，是從設(shè)計(jì)師自身的審美角度出發(fā)，對產(chǎn)品形態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這雖然能在一定程度上滿足部分消費(fèi)者對產(chǎn)品形態(tài)的需求，但不能保證該產(chǎn)品在同類產(chǎn)品中的絕對競爭優(yōu)勢。因此，要在產(chǎn)品形態(tài)仿生上有所突破，就必須借助新的手段，在計(jì)算機(jī)的輔助下，對形態(tài)進(jìn)行一定的定量分析與計(jì)算，找到形態(tài)仿生的新方法。在數(shù)字化技術(shù)飛快發(fā)展的大背景下，利用定量的手段對產(chǎn)品形態(tài)進(jìn)行仿生是一個(gè)必然的趨勢。

為了實(shí)現(xiàn)仿生設(shè)計(jì)的技術(shù)突破，設(shè)計(jì)師可以把前文中提到的現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用得比較成熟的逆向工程技術(shù)，引入到仿生形態(tài)設(shè)計(jì)中作為一種輔助手段，減少形態(tài)提取中出現(xiàn)的隨機(jī)性，提高設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)真正意義上的形態(tài)仿生。將生物體表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，并利用可實(shí)現(xiàn)逆向三維造型設(shè)計(jì)的軟件來重新構(gòu)造生物體的三維CAD模型，進(jìn)一步用CAD/CAE/CAM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分析、再設(shè)計(jì)、數(shù)控編程以及數(shù)控加工。

與已有產(chǎn)品的實(shí)物樣件不同，自然物形態(tài)數(shù)據(jù)的獲得，必須通過激光掃描或光學(xué)照相等非接觸式的測量，接著對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊并精簡，提取主要數(shù)據(jù)，即提取生物體最主要的特征；然后對生物體的主要形態(tài)特征進(jìn)行CAD建模及相關(guān)曲面的重構(gòu)；最后對CAD模型進(jìn)行調(diào)整，得到所需要的產(chǎn)品模型。通俗來講，這其實(shí)是一個(gè)求反的過程。因此，采集生物體表面重要節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息是其中的關(guān)鍵。這里有一點(diǎn)要注意的是，為了獲得準(zhǔn)確的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，得到的圖像信息必須是清晰的，這就需要在某些具有特殊屬性的表面上，噴涂白色顯影劑。

任何一種生物體，若對其形態(tài)進(jìn)行分解，會發(fā)現(xiàn)都是由一些基本的幾何體所構(gòu)成的，這些基本單元又按一定的規(guī)律進(jìn)行排列組合，形成互相關(guān)聯(lián)的位置關(guān)系。所以，逆向的過程只需要以基本的幾何體為最小單位進(jìn)行曲面生成，同時(shí)研究各基本單位之間的拓?fù)潢P(guān)系就可以了。在這個(gè)過程中，還必須考慮到曲面的連續(xù)性，使曲面的平滑度在產(chǎn)品使用者可接受的范圍之內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。

3.2 遺傳算法虛擬技術(shù)的應(yīng)用

在用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行仿生形態(tài)設(shè)計(jì)的過程中，可以將遺傳算法應(yīng)用于自然物形態(tài)的模擬。遺傳算法是計(jì)算數(shù)學(xué)中用于解決最佳化的搜索算法，它借鑒了進(jìn)化生物學(xué)中的一些現(xiàn)象，包括遺傳、變異、自然選擇以及雜交等，直接對結(jié)構(gòu)對象進(jìn)行操作，不存在求導(dǎo)和函數(shù)連續(xù)性的限定；具有內(nèi)在的隱形性和更好的全局尋優(yōu)能力；采用概率化的尋優(yōu)方法，自動獲取和指導(dǎo)優(yōu)化的搜索空間，適應(yīng)地調(diào)整搜索方向，不需要固定的規(guī)則。作為一種計(jì)算機(jī)模擬，最優(yōu)化問題，就是一定數(shù)量的候選解的抽象表示的種群向更好的解進(jìn)化。傳統(tǒng)上，解用二進(jìn)制表示，進(jìn)化從完全隨機(jī)個(gè)體的種群開始，之后一代一代發(fā)生。在每一代中，整個(gè)種群的適應(yīng)度被評價(jià)，從當(dāng)前種群中隨機(jī)地選擇多個(gè)個(gè)體，通過自然選擇和突變產(chǎn)生新的生命種群，該種群在算法的下一次迭代中成為當(dāng)前種群。它的主要作用，是可以對產(chǎn)品形態(tài)的整體輪廓和關(guān)鍵曲線進(jìn)行生成，得到所需要的曲面形態(tài)和特征曲線。因此，利用遺傳算法進(jìn)行的形態(tài)處理，無論是從整體還是從局部上來看，都能使得最終的產(chǎn)品形態(tài)進(jìn)行很好的進(jìn)化。在選定某一生物的其中一個(gè)個(gè)體的基礎(chǔ)上，提取其DNA，獲得與其DNA相匹配的二進(jìn)制字符串，并使DNA通過遺傳算法得到進(jìn)化，同時(shí)運(yùn)用適應(yīng)度函數(shù)來計(jì)算每一次進(jìn)化后所產(chǎn)生的DNA的好壞，選擇適應(yīng)度值高的DNA，淘汰適應(yīng)度值低的DNA，來確保形態(tài)的最優(yōu)化。

就產(chǎn)品形態(tài)而言，形態(tài)仿生遺傳算法的實(shí)現(xiàn)必須經(jīng)歷幾個(gè)過程。首先，要分別掃描出產(chǎn)品和與其相對應(yīng)的自然物的圖像，將產(chǎn)品和自然物相對應(yīng)的面投影到一個(gè)被分割成許多小正方形單元的大網(wǎng)格中，提取各自的DNA作為形狀代碼，作為第一代的DNA鏈。其次，對第一代的DNA鏈做一系列的交叉和變異處理，得到下一代DNA，用刪選函數(shù)對這一代的DNA鏈作一定的篩選，同時(shí)進(jìn)行插值處理，在輸出的所有圖像中選定其中兩幅，繼續(xù)進(jìn)行遺傳處理。再次，在消費(fèi)者中做抽樣調(diào)查，對利用變異和交叉法則得到的相關(guān)系數(shù)和適度函數(shù)進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)進(jìn)行迭代運(yùn)算，得到最優(yōu)的圖像。最后輸出生物體和產(chǎn)品相匹配的適應(yīng)度函數(shù)指標(biāo)，做上標(biāo)記，通過遺傳算法得出最符合消費(fèi)者要求的新產(chǎn)品形態(tài)。

遺傳算法的目的，就是得到新的、最優(yōu)化的形態(tài)，建立形態(tài)模型庫，以便在進(jìn)行產(chǎn)品仿生形態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)隨時(shí)提取、隨時(shí)選用。這一數(shù)據(jù)庫的建立，將會對設(shè)計(jì)帶來很多的便利。比如在做一些形態(tài)重構(gòu)、形態(tài)置換或形態(tài)分割的處理時(shí)，可以直接提取庫中的原始形態(tài)進(jìn)行疊加和分解，直接在計(jì)算機(jī)虛擬平臺上觀察處理后的效果，既節(jié)省了重新建模的時(shí)間，也大大降低了生產(chǎn)成本，提高了工作效率。

綜上所述，為了突破現(xiàn)階段產(chǎn)品仿生形態(tài)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的瓶頸，在對原始自然物對象進(jìn)行定性分析的基礎(chǔ)上還必須進(jìn)行一定的定量計(jì)算。比如利用逆向工程解決曲面平滑度，形態(tài)匹配等問題，進(jìn)而利用遺傳算法建立生物形態(tài)模型數(shù)據(jù)庫，對這些關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用，能為后續(xù)設(shè)計(jì)帶來更多的便利。