仿生設(shè)計(jì)在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及前景

李波濤 馬宏宇

自然之美是設(shè)計(jì)之源，仿生設(shè)計(jì)自古有之。從學(xué)科上來講，仿生設(shè)計(jì)也稱為設(shè)計(jì)仿生學(xué)，是在仿生學(xué)和設(shè)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的綜合性交叉學(xué)科。其研究范圍涉及生物學(xué)、數(shù)學(xué)、材料學(xué)、人機(jī)學(xué)、色彩學(xué)、美學(xué)、工程學(xué)等諸多學(xué)科。仿生設(shè)計(jì)因其獨(dú)特的價值，在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中不僅非常常見而且應(yīng)用廣泛，對工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展和設(shè)計(jì)價值的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮著重要的作用。

一、仿生設(shè)計(jì)對現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)的主要價值

仿生設(shè)計(jì)并不是對自然對象形態(tài)的簡單模仿，而是根據(jù)一定的目標(biāo)，經(jīng)過復(fù)雜的觀察研究和設(shè)計(jì)技術(shù)，為工業(yè)設(shè)計(jì)提供一種有價值的解決思路和設(shè)計(jì)方案的過程。它對工業(yè)設(shè)計(jì)至少有如下幾種價值：

第一，豐富設(shè)計(jì)造型，提供更多設(shè)計(jì)選擇。地球有豐富多彩的自然形態(tài)，自然中的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、色彩、肌理都可以成為仿生學(xué)和仿生設(shè)計(jì)的對象，為工業(yè)設(shè)計(jì)提供無窮的思路和方案。

第二、優(yōu)化產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)，節(jié)省設(shè)計(jì)成本。仿生設(shè)計(jì)通過對符合設(shè)計(jì)目標(biāo)對象的研究，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)找到一條便捷而方向準(zhǔn)確的道路，不僅能夠獲得最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，還能大大節(jié)約設(shè)計(jì)研發(fā)的時間、資金、技術(shù)等成本。

第三、增加產(chǎn)品情趣，提升產(chǎn)品附加值。仿生不僅高效地滿足設(shè)計(jì)對功能的需要，還能因?yàn)榉律哂械男螒B(tài)或交互趣味，增加設(shè)計(jì)的附加值[1]。美國社會未來學(xué)家約翰·奈斯比提出：“無論何處，人都需要補(bǔ)償性的高情感，這種補(bǔ)償?shù)母咔楦杏绕潴w現(xiàn)在當(dāng)今社會，社會越進(jìn)步，人們離大自然越遠(yuǎn)，親近大自然的感覺反而越強(qiáng)烈。”

第四、增加產(chǎn)品內(nèi)涵，豐富設(shè)計(jì)文化。許多生物在人類長期的歷史文化中成為了圖騰或者與民族優(yōu)秀的歷史文化有著緊密的關(guān)聯(lián)。仿生設(shè)計(jì)可以為產(chǎn)品增加文化內(nèi)涵，為設(shè)計(jì)目標(biāo)提供符合品位和符號象征的設(shè)計(jì)方案。

二、仿生設(shè)計(jì)在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中的主要應(yīng)用方式

按不同的角度或不同的目的劃分，現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中的仿生設(shè)計(jì)可劃分為不同的方法種類。例如，按生物所屬種類來分，可分為動物仿生、植物仿生、昆蟲仿生、人類仿生和微生物仿生；按模仿的逼真程度來分，可分為具象仿生和抽象仿生；按模仿的完整性可分為整體仿生和局部仿生；按被模仿生物的態(tài)勢來分，可分為靜態(tài)仿生和動態(tài)仿生[2]。目前，按照生物系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的劃分來探討仿生設(shè)計(jì)種類是最普遍的方式。據(jù)此，仿生設(shè)計(jì)在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方式有主要如下幾種：

圖1 奔馳Boxfish

1.形態(tài)仿生設(shè)計(jì)

通過研究生物（包括動物、植物、微生物和我們?nèi)祟愖陨恚┑膬?nèi)外形態(tài)及其象征寓意，經(jīng)過相應(yīng)的設(shè)計(jì)技術(shù)和藝術(shù)手法將其運(yùn)用到設(shè)計(jì)之中的過程即是形態(tài)仿生設(shè)計(jì)。形態(tài)仿生包含局部形態(tài)仿生和整體形態(tài)仿生。形態(tài)仿生設(shè)計(jì)是工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用最大的仿生設(shè)計(jì)形式。例如，瑪莎拉蒂的Kuba概念車就是運(yùn)用局部形態(tài)仿生設(shè)計(jì)的案例，該車前臉上大大的格柵像極了鯰魚的厚嘴，因此也被稱為“鯰魚車”。奔馳的Boxfish設(shè)計(jì)（見圖1）是整體形態(tài)仿生設(shè)計(jì)的典型代表。這款汽車以箱鲀?yōu)樵O(shè)計(jì)原型，設(shè)計(jì)師模仿箱鲀的外形形態(tài)將汽車風(fēng)阻值降低到了0.06，使得汽車不僅外觀更加流暢，而且油耗降低了20%，氮氧化物等的排放量減少了80%。家喻戶曉的甲殼蟲汽車、熊貓汽車，其獨(dú)特的外形早已成為經(jīng)典，深受人們青睞。家具設(shè)計(jì)和兒童產(chǎn)品設(shè)計(jì)中形態(tài)仿生設(shè)計(jì)案例更是比比皆是。

2.功能仿生設(shè)計(jì)

功能仿生設(shè)計(jì)是通過對生物功能實(shí)現(xiàn)的機(jī)理進(jìn)行研究，將其運(yùn)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的方法。早在春秋戰(zhàn)國時期，著名的木匠魯班在一次外出時，不慎被帶齒的草葉劃傷了皮膚，他從中得到啟發(fā)，發(fā)明了鋸子。功能是大部分產(chǎn)品最大的價值，因此在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中功能仿生是設(shè)計(jì)師和工程師們十分熱衷的設(shè)計(jì)方法。比如，潛水艇是對魚的仿生。魚通過魚鰾肌控制魚鰾的收縮和膨脹可以使體內(nèi)空氣的含量產(chǎn)生變化而調(diào)節(jié)身體的密度，在水中產(chǎn)生的浮力也會隨之變化，達(dá)到上升或下沉的目的。設(shè)計(jì)師們模仿魚類的這一功能特性，設(shè)計(jì)出了潛水艇，利用蓄水倉的注水變化，模仿魚鰾功能，下潛時就往蓄水倉中注水，增加潛艇重量，潛艇就下潛；要上浮時就往外排水，清空倉中積水,減輕潛艇重量。

除此之外，還有諸多經(jīng)典的功能仿生設(shè)計(jì)案例。諸如模仿了蝙蝠的超聲波定位系統(tǒng)的雷達(dá)、仿生章魚遇險噴黑色墨汁功能的煙霧彈等等。功能仿生由于其應(yīng)用的廣泛性、實(shí)用性和自然性，讓我們在使用相關(guān)產(chǎn)品時幾乎忘了這些產(chǎn)品功能本身的源頭是大自然的生物。

3.結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)仿生是以研究生物結(jié)構(gòu)為主，以工程力學(xué)原理為基礎(chǔ)，進(jìn)而對材料、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)進(jìn)行仿生模擬，以此設(shè)計(jì)和優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)[3]。比如，在直升飛機(jī)中就運(yùn)用了結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)。飛機(jī)在高速飛行時，常會引起共振現(xiàn)象，甚至?xí)蹟鄼C(jī)翼引起飛機(jī)失事。昆蟲早在三億年前就飛翔在空中了，它們卻沒有顫振的危險。生物學(xué)家通過研究發(fā)現(xiàn)昆蟲每個翅膀前緣的上方都有一塊深色的角質(zhì)加厚區(qū)——翼眼或稱翅痣。這一區(qū)域直接影響昆蟲的飛行穩(wěn)定。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，人們在飛機(jī)的兩翼上加上了平衡重錘，使得這一問題得到解決。

在如今科技發(fā)達(dá)的現(xiàn)代社會中，人們依然在設(shè)計(jì)中運(yùn)用結(jié)構(gòu)仿生并達(dá)到了極好的效果。德國工程公司Festo根據(jù)象鼻子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，創(chuàng)造了新式的象鼻機(jī)械臂（見圖2），先進(jìn)的仿生設(shè)計(jì)使它能靈活地搬運(yùn)沉重的貨物，并進(jìn)行伸縮和彎曲動作，使機(jī)械臂的性能在靈活度、伸縮性和柔韌度上都提升到了新的高度。

圖2 象鼻機(jī)械臂

圖3 機(jī)械產(chǎn)品顏色搭配

4.色彩仿生設(shè)計(jì)

美國視覺藝術(shù)心理學(xué)家布魯莫曾說：“色彩喚起各種情緒，表達(dá)感情，甚至影響我們正常的生理感受?！鄙史律ㄟ^借鑒和運(yùn)用生物的顏色，能夠?yàn)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)提供多樣的色彩方案，為產(chǎn)品吸引消費(fèi)者和實(shí)現(xiàn)價值發(fā)揮著極其重要的作用。玫瑰紅、寶石藍(lán)、咖啡色等等諸多顏色都是提取自自然，自然萬物豐富的色彩不僅為人們的視覺審美提供了豐富的資源，也為更好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能，保護(hù)用戶的安全提供了設(shè)計(jì)思路。例如，軍用迷彩服和汽車就是借鑒變色龍的偽裝原理，運(yùn)用自然環(huán)境中的顏色，降低在自然環(huán)境中的辨識度，達(dá)到安全保護(hù)的作用。還有在工業(yè)生產(chǎn)和機(jī)械操作中，我們廣泛采用黃蜂的黃黑色搭配（圖3），以警醒人們注意安全。

5.肌理仿生設(shè)計(jì)

借鑒和模擬自然物表面的紋理質(zhì)感和組織結(jié)構(gòu)特征屬性，發(fā)揮產(chǎn)品的實(shí)用性，以及表面紋理的審美、情感體驗(yàn)，即為產(chǎn)品的肌理仿生設(shè)計(jì)[4]。肌理仿生設(shè)計(jì)不僅能夠讓用戶體驗(yàn)到有如生物對象表皮的質(zhì)感，還能通過對生物表皮機(jī)構(gòu)的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)特殊功能。在現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)和一般工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，模擬動物皮革或皮毛的設(shè)計(jì)非常多見，人造皮革已經(jīng)成為設(shè)計(jì)應(yīng)用中最廣泛的材料之一。荷葉表面是由很多密集排列的突起組成，它們之間存在納米級的微小的空隙，而在此之上還存在更為細(xì)小的突起，形成雙重的結(jié)構(gòu)突起。水滴在荷葉上極易滾動，與此同時帶走塵埃細(xì)菌。荷葉表面這種不沾泥水和自清理的肌理結(jié)構(gòu)原理，被廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中。比如，自清潔玻璃通過利用荷葉表面多尺度結(jié)構(gòu)與表皮生物蠟的存在起到清潔的目的而制成，起到自清潔和防結(jié)冰的作用。[5]

三、仿生設(shè)計(jì)在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景

事實(shí)上，仿生設(shè)計(jì)早已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)中，它不僅是一種設(shè)計(jì)方法和手段，也是許多設(shè)計(jì)師所堅(jiān)持的設(shè)計(jì)觀念和設(shè)計(jì)思維。著名設(shè)計(jì)師科拉尼一生熱愛仿生設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了涵蓋汽車、航天器、家具、家電等許多種類的經(jīng)典仿生產(chǎn)品。他說：“我所做的無非是模仿自然界向我們揭示的種種真實(shí)。”[1]英國設(shè)計(jì)師亞歷克斯·麥克迪爾米德熱衷于游艇仿生設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出諸如Iwana、penna、conch等一系列仿生游艇。著名設(shè)計(jì)師羅斯·拉古魯夫的設(shè)計(jì)理念則是把抽象的大自然的事物賦予具體的有機(jī)造型。[6]隨著人們環(huán)保意識和回歸自然思想的不斷加強(qiáng)，仿生設(shè)計(jì)毫無疑問會在工業(yè)設(shè)計(jì)中受到越來越多的設(shè)計(jì)師的青睞。

在具體的設(shè)計(jì)方法上，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和消費(fèi)情感化需求的不斷增加，未來仿生設(shè)計(jì)也將面臨諸多新的挑戰(zhàn)。

首先，仿生設(shè)計(jì)將更加科學(xué)化和高新化。比如，利用眼動跟蹤技術(shù)，根據(jù)可視化和量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行形態(tài)仿生將為形態(tài)仿生設(shè)計(jì)提供更為科學(xué)合理的依據(jù)。[7]隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法技術(shù)的提高，特別是人工智能的不斷發(fā)展，仿生設(shè)計(jì)將與前言科技的結(jié)合更加緊密。比如，智能機(jī)器人通過預(yù)算行為軌跡能夠打乒乓球或羽毛球。

其次，仿生設(shè)計(jì)的多學(xué)科交叉融合性進(jìn)一步增強(qiáng)。仿生設(shè)計(jì)的本質(zhì)就具有學(xué)科交叉性，在今后的仿生設(shè)計(jì)中，隨著“以人為本”的設(shè)計(jì)理念的進(jìn)一步加強(qiáng)，交互體驗(yàn)需求和要求的增加，技術(shù)工程和人文藝術(shù)將結(jié)合更加緊密。

最后，仿生設(shè)計(jì)對象將更加豐富多彩。借助微生物技術(shù)的發(fā)展和科學(xué)設(shè)備、儀器的進(jìn)步，人們將會探索發(fā)現(xiàn)更多的生物對象，以往難以觀察到的深海生物、微生物等將會被越來越多的了解。這些未知生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能必然為今后的仿生設(shè)計(jì)提供更加豐富的創(chuàng)意來源。

總而言之，仿生設(shè)計(jì)有著越來越廣闊的應(yīng)用前景，合理充分地運(yùn)用仿生設(shè)計(jì)既能夠促進(jìn)工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展，亦能促進(jìn)人與自然的和諧。當(dāng)仿生運(yùn)用于現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)時，要注意不要將形式與功能、形式與結(jié)構(gòu)、形式與材料人為分離，而使得設(shè)計(jì)形神分離。在具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，既要強(qiáng)調(diào)形神一體，也要強(qiáng)調(diào)內(nèi)外一致，將自然形態(tài)與人文思想相結(jié)合。既要考慮模仿對象的自然屬性,又要考慮產(chǎn)品的社會屬性，做到“取于自然，高于自然，人與自然統(tǒng)一”的人文精神，只有這樣方能使仿生設(shè)計(jì)在工業(yè)設(shè)計(jì)中發(fā)揮出更大的作用。[8]

李波濤 武漢理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院

馬宏宇 武漢理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院

參考文獻(xiàn)：

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[3]楊程.工業(yè)設(shè)計(jì)中的仿生要素[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2004：32.

[4]孫寧娜，董佳麗.仿生設(shè)計(jì)：Bionics design[M].長沙：湖南大學(xué)出版社，2010.

[5]羅一墩，尹影.仿生設(shè)計(jì)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及前景[J].企業(yè)導(dǎo)報(bào)，2016，（11）：56.

[6]馬宏宇.游艇外觀造型的仿生設(shè)計(jì)研究[D].武漢理工大學(xué)，2013.

[7]戚彬.基于眼動跟蹤實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)品形態(tài)仿生設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2014，（6）：125-128.

[8]馬澤群.仿生設(shè)計(jì)在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的困境及策略[J].包裝工程，2013，（20）：113-128.