基于語義學(xué)的植保無人機(jī)外觀設(shè)計

左丹陽　石潔

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品語義學(xué) 植保無人機(jī) 外觀設(shè)計 產(chǎn)品形態(tài) 語義分析

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2022）09-0149-04

引言

我國作為第一農(nóng)業(yè)大國，每年在植保作業(yè)方面人力投入巨大，大部分地區(qū)仍采用傳統(tǒng)手工和半機(jī)械化方式。據(jù)了解農(nóng)村人口急劇減少和大量土地荒蕪化，勞動力嚴(yán)重不足。相比發(fā)達(dá)國家，我國植保無人機(jī)處于初級階段，但隨著科學(xué)技術(shù)的提高也開始投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。然而作為農(nóng)用機(jī)器外觀一直沒有改善，設(shè)計人員可依托設(shè)計方法為植保無人機(jī)的外觀提供全新的面貌。

一、產(chǎn)品語義學(xué)的概述

語義學(xué)是研究語言符號意義的學(xué)問，1950年德國烏爾姆學(xué)院首次提出產(chǎn)品語義學(xué)概念，把對研究語言的方法運用到產(chǎn)品設(shè)計中，美國工業(yè)設(shè)計協(xié)會對其定義為研究人造物在使用環(huán)境下的象征意義[1]。它突破了人機(jī)工學(xué)理論只對人的物理及生理機(jī)能的考慮，將設(shè)計與人的情感因素結(jié)合。根據(jù)馬斯洛層次需求理論，人們在滿足基本需求后對產(chǎn)品提出更高層次需求，要求產(chǎn)品造型除了表達(dá)功能目的外還要通過語義特征傳達(dá)文化內(nèi)涵。

二、噴藥植保產(chǎn)品研究現(xiàn)狀

據(jù)調(diào)研，我國植保機(jī)械以傳統(tǒng)手動和半自動油動噴霧器為主[2]，針對我國市場現(xiàn)有植保產(chǎn)品調(diào)研并進(jìn)行SWOT分析，發(fā)現(xiàn)存在效率低下、安全性小、不合理，美觀度不足等問題。

三、無人機(jī)在植保中應(yīng)用分析

（一）無人機(jī)在植保作業(yè)中的優(yōu)勢

無人機(jī)投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，解決了人力不能完成的工作，對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了新的契機(jī)。無人機(jī)的應(yīng)用促使我國從傳統(tǒng)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)過渡，彌補了農(nóng)業(yè)上的短板。其引入農(nóng)業(yè)原因之一是工作效率高、減少了人員與藥物的接觸。二是噴灑藥物效果好，穿透能力強(qiáng)，提升了植保作業(yè)的質(zhì)量。三是減少用了藥量、用水量和環(huán)境污染[3]。

（二）植保無人機(jī)產(chǎn)品分析[4]

市場上以大疆、極飛和一些中小型企業(yè)為主，產(chǎn)品技術(shù)和使用性能參差不齊。市場上流動比較多的為電動式多旋翼植保無人機(jī)，據(jù)調(diào)研這類無人機(jī)操便于維修、成本適中，缺點在于續(xù)航能力差，承載力小，所以本研究將圍繞電動多旋翼植保無人機(jī)進(jìn)行調(diào)研分析。

1.大疆T40植保無人機(jī)

T40結(jié)構(gòu)上采用傾斜式桁架機(jī)身，提升了承載量。共軸雙旋翼的設(shè)計，通過產(chǎn)生強(qiáng)大的風(fēng)場使噴灑效果更好。機(jī)臂可折疊，在運載過程中減少了體積。為滿足農(nóng)田復(fù)雜惡劣的環(huán)境要求，材質(zhì)的運用上選用防水、防塵、防腐蝕、高低溫、長時間老化等新型材料（圖1）。

2.極飛P80

此款無人機(jī)采用橫梁對稱式機(jī)身結(jié)構(gòu)，提升了載重能力。采用盤式電機(jī)和空氣動力學(xué)槳，提供高效、持續(xù)、穩(wěn)定動力和減少了機(jī)臂震動。機(jī)架采用碳材料，強(qiáng)度大，抗腐蝕性強(qiáng)。電池采用耐溫材料，高溫時實現(xiàn)自動停飛。各部件之間采用模塊化設(shè)計，降低了維修成本（圖2）。

四、產(chǎn)品語義學(xué)在植保無人機(jī)中的分析

目前無人機(jī)外觀設(shè)計的方法有形態(tài)語義法、結(jié)構(gòu)移植法、部件模塊法、人文關(guān)懷法、自然仿生法、藝術(shù)審美法等[5]，由于專門用產(chǎn)品語義法研究農(nóng)用無人機(jī)很少涉及，所以本研究將通過分析產(chǎn)品語義與形態(tài)語言之間的關(guān)系，為植保無人機(jī)外觀提供新的設(shè)計思路?，F(xiàn)有植保無人機(jī)造型單一同質(zhì)化嚴(yán)重、結(jié)構(gòu)不合理、人機(jī)交互差、顏色簡單、材質(zhì)無質(zhì)感等問題相當(dāng)突出[6]，原因在于發(fā)展時間比較短，一些企業(yè)最近才開始轉(zhuǎn)向農(nóng)用無人機(jī)領(lǐng)域;其次處于硬件研發(fā)和性能測試階段，忽視了產(chǎn)品形態(tài)和情感表現(xiàn)方面。最后是為了降低產(chǎn)品成本大多為組裝機(jī)，各個功能部件之間簡單羅列缺乏系統(tǒng)性設(shè)計。無人機(jī)作為特殊農(nóng)業(yè)工具與其他產(chǎn)品區(qū)別很大，在設(shè)計時既朝著個性化方向又要朝著完美化發(fā)展。

產(chǎn)品語義法在各個領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)相對成熟，其設(shè)計方法是以人的視覺交流為中心理解產(chǎn)品傳達(dá)的外延性和內(nèi)涵性語義。產(chǎn)品通過形態(tài)講述自己的使用方式、使用情景[7]，例如當(dāng)在電子產(chǎn)品上看見圓形按鈕時表示開關(guān)，在大型設(shè)備上看見紅色表示危險等。產(chǎn)品形態(tài)的表達(dá)涉及到技術(shù)、設(shè)計師的審美和價值觀念等方面是一個非常龐大的系統(tǒng)，也是最直觀、最直接接觸到使用者的要素。對于產(chǎn)品設(shè)計來說，功能是產(chǎn)品設(shè)計的目的和最終結(jié)果，而功能的存在必須要依附于產(chǎn)品的形態(tài)和結(jié)構(gòu)之中。然而產(chǎn)品在滿足基本的功能后，除形態(tài)特征外還承載著特定的文化和情感屬性，滿足使用者與設(shè)計人員之間的情感交流。所以植保無人機(jī)在色彩、造型、材質(zhì)的運用上要根據(jù)使用場景、功能特點、情感訴求等設(shè)計，這些因素最終都會影響到整個作業(yè)過程的效率和效果。

五、基于產(chǎn)品語義學(xué)的植保無人機(jī)外觀研究

（一）語義提取

從大自然中選擇提取對象，考慮到既有自然形態(tài)的親切感又傳遞出深刻的思想情懷。經(jīng)過調(diào)研選取鷹作為提取對象，并分析其物理形態(tài)（顏色、形態(tài)、材質(zhì)）和內(nèi)涵意義，從而激發(fā)產(chǎn)品外觀設(shè)計的創(chuàng)作靈感。

1.鷹外形特征分析

鷹屬于隼形目，猛禽類，不同于一般的家禽，生性兇猛，體型粗壯，翅及尾羽長而寬闊，扇翅較慢，兩翼發(fā)達(dá)，善于飛翔。雙目犀利有神，四肢強(qiáng)健有鉤爪，形狀類似于鉤子以至于非常尖銳，從高空能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)小動物，體形較大的甚至可以將鹿的脊椎折斷，甚至可以攜帶幾十斤動物飛行。

2.鷹內(nèi)涵意義

鷹非常兇猛，在天空翱翔時非常壯觀，所以長久以來許多國家和部落用以象征權(quán)力、自有和獨立。中國對鷹的描繪可以追溯到原始社會時期，多在石頭上繪制圖騰以象征神明，隨后的象形文字、仰韶文化鷹形陶鼎，商代青銅器上的鷹形裝飾紋樣以及秦漢時期鷹玉飾品、畫像石畫像磚中都可見鷹形象的存在[8]。鷹在我國是眾多畫家表現(xiàn)的題材，最早的記載可上溯到晉唐的宮廷繪畫。畫家筆下的鷹有的雄姿英發(fā)鷹擊長空，有的棲息在懸崖峭壁之上，雖然畫家們表現(xiàn)鷹的不同狀態(tài)但共同點通過鷹表達(dá)自己的思想感情。八大山人、石濤、齊白石、黃胄、李苦禪、徐悲鴻等人，都善用鷹表達(dá)心中志趣;鷹在詩篇中用以表達(dá)積極向上以及頑強(qiáng)不屈的生命力和斗志。

（二）造型語義研究

造型是產(chǎn)品與使用者接觸時的第一印象，通過大小、尺寸、比例關(guān)系等元素展現(xiàn)產(chǎn)品信息，并傳達(dá)給使用者設(shè)計理念和產(chǎn)品的使用方式，減少無效的使用說明書。產(chǎn)品設(shè)計與語義學(xué)結(jié)合應(yīng)符合人們心理認(rèn)知情況，在設(shè)計時先明確產(chǎn)品的使用功能，在對其進(jìn)行優(yōu)化處理。無人機(jī)整體設(shè)計及各個部件，其長度、寬度、弧度要符合人體構(gòu)造，特別是直接接觸部位，給予適度感、舒服感、安全感。在鷹形態(tài)上提取元素，不會造成設(shè)計語義間的生硬并且在產(chǎn)品形態(tài)上也具有很好地裝飾作用。提取鷹的整體和局部的形態(tài)特征，融合鷹的形態(tài)與植保無人機(jī)造型呈現(xiàn)出具象或抽象的相似性，再結(jié)合產(chǎn)品使用語境加以運用和延伸，設(shè)計出符合使用者需求的產(chǎn)品造型。

著重提煉了鷹遨游天空展翅時的形態(tài)特征，聯(lián)想到植保無人機(jī)工作時恰似雄鷹獵物時的狀態(tài)，使用產(chǎn)品語義學(xué)中的換喻修辭手法，直接暗示使用者該產(chǎn)品用途也增添了產(chǎn)品與人之間的距離感;農(nóng)用大型機(jī)械的結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品外觀也產(chǎn)生很大的影響，鷹的骨骼堅朗，四肢雄壯有力，給人心理產(chǎn)生堅硬、穩(wěn)固等語匯。設(shè)計時考慮到無人機(jī)機(jī)架部分能夠完美的與鷹的骨骼生長產(chǎn)生聯(lián)系，用鷹的身體主骨骼表達(dá)機(jī)臂，兩只鷹爪巧妙的擔(dān)任無人機(jī)機(jī)腿部分。因此，用結(jié)構(gòu)語義向使用者傳達(dá)無人機(jī)機(jī)架部分的用途、結(jié)構(gòu)、安裝等功能的設(shè)計意圖;鷹腹部是保護(hù)鷹內(nèi)部器官的關(guān)鍵部位，在設(shè)計植保無人機(jī)藥箱位置時保持與鷹腹部位置一致，用鷹的生理結(jié)構(gòu)與藥箱安裝位置自然產(chǎn)生聯(lián)系;充分對鷹頭部形態(tài)特征進(jìn)行了分析，鷹嘴尖銳無比，視覺上非常具有沖擊力，提取鷹嘴曲線特征運用到無人機(jī)機(jī)殼設(shè)計上，對無人機(jī)前后方向給予很好的導(dǎo)向性指引;將鷹的羽毛單獨進(jìn)行分析，根據(jù)羽毛的形態(tài)提取外輪廓線，處理后應(yīng)用于螺旋槳的設(shè)計上，傳達(dá)出旋轉(zhuǎn)有力和輕快的語義。

情感上的表達(dá)是一種抽象性的概念，需要通過造型語言進(jìn)行表達(dá)。鷹在人們的頭腦中具有多方位的情感，在本設(shè)計上引用鷹與英的諧音，象征著此款產(chǎn)品英勇耐用結(jié)實，使人們產(chǎn)生信賴感。植保無人機(jī)的的設(shè)計應(yīng)更加重視產(chǎn)品內(nèi)涵性語義對形態(tài)的影響，在編碼時充分考慮到植保人員的個性差異和理解程度，通過造型把設(shè)計理念最大化的傳達(dá)給使用者。

（三）色彩研究

此部分將著重分析色彩語義與植保無人機(jī)產(chǎn)品使用顏色特性，遵循基本的色彩設(shè)計原理。色彩會影響無人機(jī)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，原因在于無人機(jī)的設(shè)計要傳達(dá)出結(jié)構(gòu)是安全的、穩(wěn)定的。為此，可以通過色彩語義控制產(chǎn)品不同部位顏色的配色，同時也要符合基本的色彩設(shè)計原則，最終就能達(dá)到無人機(jī)在使用者心理上的平衡感。此外也可通過色彩的虛實變化、輕重感、比例等的變化，彌補產(chǎn)品由于造型、材質(zhì)、加工工藝等方面的不足。植保無人機(jī)不同于其他類型，顏色選擇要符合農(nóng)用機(jī)器特點和起到警示安全的作用。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)之前的植保無人機(jī)設(shè)計中選取平和、單調(diào)的顏色作為底色，輔以其他顏色進(jìn)行點綴。顏色搭配上比較隨意，在植保作業(yè)過程中會對使用者產(chǎn)生視覺疲勞和辨識度低等問題。

根據(jù)日本學(xué)者對色彩能見度測試，得出藍(lán)黑搭配能見度相對高、白黃搭配能見度較低（表3）。加之農(nóng)用無人機(jī)使用環(huán)境多在綠色植被多的環(huán)境下，顏色的搭配上應(yīng)與環(huán)境色產(chǎn)生差異，易于使用者辨別。人類所接受的信息90%來自視覺器官[10]，色彩作為產(chǎn)品要素之一不斷地刺激人的生理和心理感受，比如紅色、藍(lán)色、綠色等顏色產(chǎn)生不同的心理感知（表4）。不同的人群對顏色的需求感是不同的，比如男性對產(chǎn)品色彩要求具有堅強(qiáng)、陽剛等特點，所以男性使用的產(chǎn)品顏色的選擇上為低明度、冷色系、硬色調(diào)。通過分析顏色對人心理產(chǎn)生的感性詞匯，在產(chǎn)品之間梳理出有規(guī)律的色彩搭配。日本色彩研究所（NCD）開發(fā)的色彩形象系統(tǒng)，該系統(tǒng)共分為X-Y坐標(biāo)，橫軸是冷暖縱軸是軟硬（圖3）。此系統(tǒng)建立了色彩形象、風(fēng)格詞匯的關(guān)系，比如第四象限中越遠(yuǎn)離坐標(biāo)原點就越現(xiàn)代化、理性，色彩給人的心理會產(chǎn)生現(xiàn)代、剛毅、堅強(qiáng)之感。對于農(nóng)用型無人機(jī)色彩的搭配選擇上要體現(xiàn)高效、安全、穩(wěn)定等功能特性，因此通過色彩形象系統(tǒng)選取偏冷偏硬的色調(diào)。色彩對人產(chǎn)生的感覺是感性的，在設(shè)計的過程中通過理性思維具體呈現(xiàn)到產(chǎn)品本身，在設(shè)計人員和使用者之間搭建色彩的橋梁。

（四）材質(zhì)研究

材料是構(gòu)成產(chǎn)品要素之一，通過質(zhì)感影響產(chǎn)品形態(tài)特征和對使用者的感受。質(zhì)感是材質(zhì)所呈現(xiàn)在色彩、光澤、紋理等特性的綜合表現(xiàn)，材質(zhì)語義作為特殊的設(shè)計語言既能表達(dá)設(shè)計人員的創(chuàng)作意圖也能作為溝通的紐帶傳遞訊息。對質(zhì)感的研究可分為兩部分一是產(chǎn)品所具有的物理特性，二是材料對人視覺和觸覺上產(chǎn)生的生理反應(yīng) [11]。在選擇材料時要考慮物理特性比如是否輕量、抗腐蝕等問題，在無人機(jī)的設(shè)計中低成本、輕結(jié)構(gòu)、長續(xù)航等要求貫穿于設(shè)計的全過程，輕結(jié)構(gòu)是設(shè)計人員極力探索的方面。想要有更大的載荷量、續(xù)航能力，就要通過使用更加輕量化的材料。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)我國研發(fā)出復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、易于成型等特點，更重要的是可以減少機(jī)身重量的20%-30%，對此材料所具備的物理屬性人們通過視覺和觸覺的感受后也能產(chǎn)生輕量化語義;另一方面無人機(jī)使用過程中不可避免的要與藥物接觸，材料可借助于表面處理技術(shù)達(dá)到防腐蝕和美化外觀的作用。塑料作為日常使用材料，種類豐富、成型簡單、透明性和可塑性強(qiáng)，無人機(jī)機(jī)殼和藥箱材料的選擇上是首選，通過表面處理技術(shù)減少水、藥物、空氣、太陽光等外界因素的侵蝕問題。

同時也要考慮到材料表面特征對人產(chǎn)生的感覺特性，結(jié)合聯(lián)想回憶過往經(jīng)驗，從而形成豐富的感性詞匯。如木材產(chǎn)生自然、親切、溫暖、舒服、粗糙、溫馨、古典、輕質(zhì)等感性詞匯（表5）。使用者先通過肌膚感知材料特性，隨著經(jīng)驗的積累通過觸覺加視覺感知材料，但現(xiàn)在一些人工材料，通過改變肌理和表面材質(zhì)就能達(dá)到同材不同質(zhì)、異材同質(zhì)的效果。所以在無人機(jī)的材料運用上改變材料表面特征，既能滿足材料物理屬性又能滿足材質(zhì)追求的語義。通過不同材質(zhì)的搭配收獲不同的情感反應(yīng)，塑料富有清潔、可觸感等，金屬具有光滑、高科技現(xiàn)代化之感，若將二者材質(zhì)搭配對產(chǎn)品產(chǎn)生和諧、統(tǒng)一的感覺。植保無人機(jī)的材料想要呈現(xiàn)出理想的效果，必須綜合考量材料的特性，對材質(zhì)、肌理等方面充分對比和測試。通過了解和掌握材料的材質(zhì)語義，賦予植保無人機(jī)生命是外觀設(shè)計的重要原則，在這個過程中也要了解材料的物理屬性與感覺特性，給使用者在視覺和觸覺上帶來完美的感受。

（五）植保無人機(jī)使用人群分析

植保無人機(jī)購買人群集中于專業(yè)植保隊和少部分傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)從業(yè)者，操作這種大型的無人機(jī)需要前期的專業(yè)訓(xùn)練并取得飛行駕駛資格。針對兩種主要人群進(jìn)行了用戶訪談得到：傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)從業(yè)者對外觀的要求比較低，更加看重機(jī)器使用壽命和維修成本。對于機(jī)器性能多樣性不考慮，希望機(jī)器操作簡單易上手。他們更加期待擁有小面積農(nóng)田使用的植保無人機(jī)，節(jié)約時間提高效率的同時經(jīng)濟(jì)成本低廉;專業(yè)植保人員更加了解機(jī)械性能參數(shù)，在購買時考慮機(jī)器之間的性能差異、講究實用性。但隨著植保工作時間增加會產(chǎn)生乏味感，所以外觀也是他們是否購買的一大因素。在訪談中得知由于植保作業(yè)條件艱苦，專業(yè)植保人員主要以男性為主，年齡階段在20-60歲并不固定。

根據(jù)使用人群不同分別做了用戶訪談，得出在設(shè)計產(chǎn)品外觀時著重考慮專業(yè)植保隊，在材料，顏色，形態(tài)的考慮上分析他們認(rèn)知習(xí)慣的產(chǎn)品語言。這部分人群喜歡從事一些個性具有挑戰(zhàn)性的事，追求刺激感來滿足他們好斗的內(nèi)心世界。他們對科技電子產(chǎn)品的熱愛非常高，對于一些電子產(chǎn)品的參數(shù)和配置都很了解。他們喜歡追求速度感，因為速度能帶來激動、興奮感。綜合分析使用人群特點以及他們的喜好特征，考慮到造型、色彩、材質(zhì)各要素之間也是相互作用、相互影響，不能針對使用人群單獨分析其中某一要素。

（五）設(shè)計實踐

1.產(chǎn)品定位設(shè)計一款大型農(nóng)用噴藥無人機(jī)，該產(chǎn)品的使用人群為20-35周歲的專業(yè)植保人員，主要功能用于噴灑農(nóng)藥進(jìn)行平原、水田作物和山地花果植物的防治工作。造型穩(wěn)重大氣富有現(xiàn)代科技感，顏色具有沖擊力。

2.造型設(shè)計

設(shè)計一款六旋翼植保無人機(jī)，六旋翼相比于四旋翼更加平穩(wěn)安全，比八旋翼重量更輕。為了增加藥物噴灑范圍，每個機(jī)臂下面均設(shè)計雙噴頭。機(jī)殼有上下兩部分組成，通過指向性語義告訴使用者前后方向，方便使用操作。上機(jī)殼表面兩條圓滑的曲線減少了風(fēng)的阻力，下機(jī)殼與機(jī)架通過固定件相互連接，機(jī)殼內(nèi)部可放置中傳、數(shù)傳、飛控控制模塊。為了保持飛行平穩(wěn)，藥箱位于機(jī)殼下部。

3. 色彩設(shè)計

色彩搭配上最終確定藍(lán)黑色彩搭配，黑色帶給人一種穩(wěn)重、安全、可靠的視覺印象，機(jī)殼部分以藍(lán)色為主，小面積的冷色調(diào)打破主色調(diào)的單調(diào)與沉悶之感，在輔點綴橙色起到提示安全警示的作用，整體的色彩搭配不僅符合使用者的心理需求也能達(dá)到設(shè)計人員想要傳遞出的設(shè)計理念，減弱了使用者對大型植保產(chǎn)品呆板的印象。藥箱顏色選取透明白色，非常直觀地看到藥液存留情況。機(jī)殼的尾部有啟動燈設(shè)計，當(dāng)無人機(jī)正常時綠色長亮，故障時紅燈閃爍。

4.材質(zhì)設(shè)計

無人機(jī)機(jī)殼部分使用新型復(fù)合材料，視覺上給與人產(chǎn)生平滑感，細(xì)密光澤，表達(dá)一種圓潤輕巧之感，加之這種材料輕便不易碎增加了產(chǎn)品的使用壽命;機(jī)臂選取碳纖維桿，表面帶有肌理感，具有一定的承重力、重量又輕，支架部位選用碳鋼材質(zhì)主要考慮到承重的問題，藥箱由于需要承載抗腐蝕性強(qiáng)的藥液所以選用ABS塑料，成本低廉又易于更換。

結(jié)語

本文通過研究產(chǎn)品語義學(xué)和分析現(xiàn)有的植保無人機(jī)，得出用于農(nóng)用無人機(jī)與消費機(jī)無人機(jī)有很大區(qū)別，并從產(chǎn)品語義學(xué)的角度深刻剖析植保無人機(jī)的形態(tài)特征。在設(shè)計過程中提取了自然形態(tài)，使產(chǎn)品給使用者帶來了全新的體驗感和思想關(guān)懷。發(fā)現(xiàn)運用產(chǎn)品語義法能最大程度的滿足植保無人機(jī)外觀對使用者的視覺印象，得出了在未來的設(shè)計中可使用該方法設(shè)計植保無人機(jī)外觀，也為更多的設(shè)計人員提供了先河。