仿生設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討

劉德喜 李 鵬 Liu Dexi & Li Peng

(1.2.東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040）

仿生學(xué)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了新的思路，產(chǎn)品仿生設(shè)計(jì)是一種在模仿自然的基礎(chǔ)上進(jìn)行的創(chuàng)造性活動(dòng)，通常根據(jù)生物系統(tǒng)特征在設(shè)計(jì)中的不同應(yīng)用方式進(jìn)行類別，表達(dá)出一種源于創(chuàng)新，效法自然的現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念，以創(chuàng)造出更多滿足現(xiàn)代人生活需求的產(chǎn)品,這將成為未來產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 “師法自然”的產(chǎn)品仿生設(shè)計(jì)理念

物競天擇，適者生存，經(jīng)過漫長的進(jìn)化過程，自然界中存在的生物得以生存，并不斷改善自身結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的共生，這是遵守自然規(guī)律的結(jié)果?！皫煼ㄗ匀弧本褪且源笞匀粸閹煟槕?yīng)自然，并加以效法[1]。仿生設(shè)計(jì)是基于自然界中一切的形態(tài)，顏色，肌理，結(jié)構(gòu)和功能，在設(shè)計(jì)過程中有選擇性的應(yīng)用不同的生物特征和原理進(jìn)行的設(shè)計(jì)[2]。德國著名仿生設(shè)計(jì)大師路易吉g克拉尼曾說，他的設(shè)計(jì)靈感都是來自大自然[3]。

仿生設(shè)計(jì)自古有之，石器時(shí)代以來，人們生活中的食具，飲具，燈具等器具都曾模仿動(dòng)物形態(tài)進(jìn)行制作[4]。商周、西漢時(shí)期，工匠們模仿動(dòng)物外形設(shè)計(jì)制作了虎尊、象尊等具有不同功能的青銅器。古希臘人在建造神廟時(shí)，創(chuàng)造了經(jīng)典的古希臘三大柱式，柱頭造型靈感也是來自于對(duì)自然的模仿。到了近代，隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平的提高，人們開始追從“少即是多”的技術(shù)美學(xué)思想，產(chǎn)生了現(xiàn)代主義設(shè)計(jì)，此時(shí)出現(xiàn)了大量以理性幾何造型為主的產(chǎn)品。丹麥著名設(shè)計(jì)師保羅·海寧森根據(jù)洋薊的層疊造型特點(diǎn)進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，造就了經(jīng)典的PH洋薊吊燈（圖1）。為了使生活更加多樣化，現(xiàn)代設(shè)計(jì)模仿自然設(shè)計(jì)和創(chuàng)造新產(chǎn)品，這不僅增加了產(chǎn)品的趣味性，而且賦予產(chǎn)品新的活力和意義。

2 仿生設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 形態(tài)仿生設(shè)計(jì)

產(chǎn)品的形態(tài)仿生是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中模仿或簡化生物體的外部形態(tài)特征，以及通過藝術(shù)處理方法將其應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并在產(chǎn)品外觀上呈現(xiàn)出來。根據(jù)生物體形態(tài)的還原程度分為具象仿生、抽象仿生和意象仿生[5]。

2.1.1 具象形態(tài)仿生

具象形態(tài)仿生是通過模仿自然對(duì)象的外觀造型,利用夸張、變形等手法，近似的再現(xiàn)物體的形態(tài)，使其極具引人注目的視覺效果[6]。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中結(jié)合具象仿生原理，增加了產(chǎn)品的趣味性和創(chuàng)造性，所以，這種設(shè)計(jì)方法在玩具、工藝品和日用品的設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛[7]。我國七八十年代風(fēng)靡一時(shí)的兒童玩具-鐵皮青蛙，其通體綠色，帶有花紋。其在擰緊發(fā)條后可向前彈跳，樣子栩栩如生。

2.1.2 抽象形態(tài)仿生

抽象形態(tài)仿生是以仿生對(duì)象的外觀形態(tài)為根基，運(yùn)用提煉與歸納、夸張與變形等多種處理手法[8]，對(duì)仿生對(duì)象的形態(tài)特征元素進(jìn)行簡化或概括，使其脫離原始自然形態(tài)，重點(diǎn)表達(dá)出仿生對(duì)象的“神態(tài)”，最后應(yīng)用于產(chǎn)品的形態(tài)設(shè)計(jì)[9]。這就與中國傳統(tǒng)繪畫藝術(shù)中的“不似之似”理念不謀而合，即在繪畫創(chuàng)作過程中不只是照搬客觀物象，而是要有所概括、取舍、調(diào)節(jié)，以求得到比生活更高的藝術(shù)效果，可見其與抽象仿生設(shè)計(jì)有著異曲同工之妙[10]。

北歐的現(xiàn)代主義之父雅各布森，運(yùn)用抽象仿生的方法設(shè)計(jì)了三把現(xiàn)代椅子，分別是天鵝椅、蛋椅、蟻椅(圖2)。天鵝椅整體造型宛若一只張開翅膀的天鵝，線條流暢而優(yōu)美，使人感到輕松與舒適。蛋椅的椅身、后背和扶手連成一體，坐進(jìn)去后整個(gè)身體仿佛被包裹起來，給人以安全感。蟻椅模仿螞蟻的圓形腦袋和細(xì)腰，經(jīng)過設(shè)計(jì)提取出幾何形式，其造型簡約而不簡單，充滿生命氣息。

2.1.3 意象形態(tài)仿生

意象形態(tài)仿生是通過對(duì)仿生對(duì)象的形與意進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品既有自然形態(tài)上的視覺效果，又有符號(hào)能指上的寓意與象征。意象形態(tài)仿生設(shè)計(jì)的根本是挖掘生物形態(tài)和產(chǎn)品之間的潛在聯(lián)系，在兩者的比較中體現(xiàn)產(chǎn)品與仿生對(duì)象之間的內(nèi)在關(guān)系。正如所示的貓型吉祥物，其設(shè)計(jì)采用貓外形的同時(shí)，注重其吉祥寓意的表達(dá)，達(dá)到產(chǎn)品的形神合一。招財(cái)貓舉起左、右爪分別表示招福、招財(cái)，都代表著主人對(duì)幸福生活的期盼和美好未來的希冀。

2.2 結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)就是依據(jù)不同的目的，找到生物體結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品的內(nèi)在聯(lián)系，并將其運(yùn)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)中，應(yīng)用最多是植物的莖、葉以及動(dòng)物肌肉、骨骼的結(jié)構(gòu)[11]。結(jié)構(gòu)仿生根據(jù)仿生對(duì)象結(jié)構(gòu)的尺度大小進(jìn)行劃分，包括宏觀結(jié)構(gòu)仿生和微觀結(jié)構(gòu)仿生。

2.2.1 宏觀結(jié)構(gòu)仿生

在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)中，人們借鑒仿生對(duì)象結(jié)構(gòu)的優(yōu)良特性創(chuàng)造出許多理想的產(chǎn)品形式。最典型的莫過于蜂窩的多孔結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)師根據(jù)蜂巢的構(gòu)造特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出抗壓強(qiáng)度更高，成本更低的蜂窩板，并廣泛運(yùn)用在各行各業(yè)。位于美國威斯康辛州麥迪遜市的聚合物研究中心開發(fā)了一種非氣動(dòng)蜂窩輪胎（NPT），它采用規(guī)則排列的六邊形結(jié)構(gòu)達(dá)到均衡受力，在保證減震效果的同時(shí)最大化提高車輪強(qiáng)度。這種結(jié)構(gòu)避免了爆胎問題，并且在噪聲抑制和摩擦生熱性能方面優(yōu)于普通輪胎。瑞士Noonee公司根據(jù)節(jié)肢動(dòng)物外骨骼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)研制了一款產(chǎn)品，被稱為可穿戴的外骨骼座椅（Chairless）（圖3）。動(dòng)物外骨骼十分堅(jiān)固，主要對(duì)其內(nèi)部器官起支持和保護(hù)作用，科學(xué)家已開發(fā)出不同種類的外骨骼設(shè)備，可用于日常生活和生產(chǎn)工作。

圖1 洋薊與PH洋薊吊燈

圖2 天鵝椅、蛋椅、蟻椅

圖3 外骨骼座椅、骨骼椅

圖4 瓢蟲與警示標(biāo)志

圖5 果汁飲料盒

圖6 沙漠甲蟲與集水器

2.2.2 微觀結(jié)構(gòu)仿生

對(duì)于生物體微觀結(jié)構(gòu)的研究，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與形態(tài)、功能的有機(jī)統(tǒng)一，以及設(shè)計(jì)出更多結(jié)構(gòu)精巧的產(chǎn)品提供途徑。德國設(shè)計(jì)師Marco Hemmerling和Ulrich Nether打破椅子的傳統(tǒng)方正造型和木質(zhì)結(jié)構(gòu)，以人體骨骼內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)作為仿生設(shè)計(jì)元素，設(shè)計(jì)出骨骼椅Generico Chair。美國斯坦福大學(xué)的一個(gè)研究小組模擬壁虎腳掌的微觀結(jié)構(gòu)，研制出一種仿壁虎機(jī)器人，可在玻璃表面爬行。瑞士工程師研究發(fā)現(xiàn)，蒼耳果表面布滿倒鉤刺，于是根據(jù)該結(jié)構(gòu)發(fā)明了新式紐扣-魔術(shù)貼，其由尼龍鉤和尼龍線兩部分組成，使用上較傳統(tǒng)紐扣更加便捷，在衣物、鞋子等設(shè)計(jì)中十分普遍。

2.3 色彩仿生設(shè)計(jì)

產(chǎn)品的色彩決定著消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的第一印象，雖然產(chǎn)品的顏色與形狀密切相關(guān)，但其對(duì)人在視覺感官上的刺激更為直接。所謂色彩仿生設(shè)計(jì)是從自然的色彩搭配中總結(jié)其在仿生物體中的作用，積累色彩搭配的經(jīng)驗(yàn)并呈現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，使產(chǎn)品更加美觀、和諧。例如根據(jù)彩虹的繽紛色彩生產(chǎn)的彩虹糖，真的做到了看到彩虹，吃到彩虹。人類所觀察到的色彩有顯色和隱色之分，所以色彩仿生設(shè)計(jì)包括顯性色彩仿生和隱形色彩仿生。

2.3.1 顯性色彩仿生

色彩的仿生的作用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不可忽視，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)構(gòu)思之初，需將色彩和形象二者相統(tǒng)一，即便是同一種顏色，在不同情境中也會(huì)帶來不同的心理感受。大自然的色彩，尤其是顯性色彩被廣泛的應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。例如血液的紅色既可以代表熱情，也可以表示安全警示。設(shè)計(jì)師從瓢蟲的配色提取出具有警戒作用的紅色和黃色，這種警戒色以及具有相同原理的警示標(biāo)志在人們的生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應(yīng)用，以達(dá)到提醒大家注意安全的效果（圖4）。瓢蟲利用顯色來警示天敵，保護(hù)自己，而有些動(dòng)物則進(jìn)化出獨(dú)特的色彩花紋，作為特有的隱形保護(hù)色，如斑馬的黑白條紋，長頸鹿的花紋。

2.3.2 隱形色彩仿生

在色彩仿生設(shè)計(jì)中運(yùn)用較多的是隱形色彩仿生設(shè)計(jì)，隱形色彩的一個(gè)突出特點(diǎn)是具有保護(hù)色的作用，不論是黑白灰色，還是絢麗的環(huán)境色彩，又或者是單一色彩，都具有豐富的色彩層次和結(jié)構(gòu)。另外，保護(hù)色的形成還必須依靠適當(dāng)?shù)纳蚀嬖谛问?，色彩的存在形式還會(huì)因環(huán)境的變化而變化，只有這樣的保護(hù)色才能具有有效性。蘇聯(lián)昆蟲學(xué)家施萬維奇通過對(duì)蝴蝶翅膀色彩的研究發(fā)現(xiàn)，其后翅顏色在陽光下變化無常，可保護(hù)自身在花叢中不易被發(fā)現(xiàn)，起到隱蔽的作用。蘇軍利用蝴蝶的偽裝原理對(duì)軍事設(shè)施進(jìn)行偽裝，成功躲避敵軍轟炸。后來根據(jù)相同原理設(shè)計(jì)出了迷彩服，在野外可與自然環(huán)境融為一體。

2.4 肌理仿生設(shè)計(jì)

肌理仿生是模仿生物體表面的紋理質(zhì)感,提高產(chǎn)品外表的藝術(shù)美感，這是是對(duì)自然美的一種直接轉(zhuǎn)化[12]。產(chǎn)品的肌理仿生設(shè)計(jì)是通過模擬自然物體的表面紋理和組織特征，從而增加人與自然的共鳴感。生活中常見的人造皮革、仿木紋表面產(chǎn)品等都是對(duì)天然肌理質(zhì)感的仿生。研究發(fā)現(xiàn)，鯊魚皮膚表面粗糙的V形皺紋可以減少水流的摩擦，使身體周圍的水更有效地流動(dòng)，加快鯊魚的游速。模仿這種特殊表面肌理，Speedo公司研制出一種高科技鯊魚泳衣，又稱“神奇泳衣”，在游泳比賽中成為影響比賽結(jié)果的重要因素之一。如（圖5）日本產(chǎn)品設(shè)計(jì)師深澤直人基于水果的表面肌理進(jìn)行果汁飲料盒外觀設(shè)計(jì)，充分再現(xiàn)獼猴桃、草莓等水果的多重感覺，使人們看到飲料盒時(shí)仿佛就已經(jīng)聞到了水果的香味，更誘使消費(fèi)者去伸手觸摸，手感與真實(shí)水果十分相似。

2.5 功能仿生設(shè)計(jì)

產(chǎn)品的功能仿生是通過研究生物功能和天然材料存在的特性，并對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)改造、實(shí)踐創(chuàng)新，以促進(jìn)產(chǎn)品的更新與開發(fā)[13]。仿生學(xué)的誕生不過短短幾十年，但功能仿生的實(shí)踐卻早有記載。春秋戰(zhàn)國時(shí)期，魯班被鋸齒草的葉片劃破皮膚，于是從中找到靈感，發(fā)明了鋸子，大大提高了工作效率[14]。功能仿生在產(chǎn)品的仿生設(shè)計(jì)中占據(jù)重要地位，所以受到廣大設(shè)計(jì)師的的青睞，在向大自然學(xué)習(xí)的過程中，不斷創(chuàng)造出新的產(chǎn)品，為人類服務(wù)。例如，集水器械對(duì)沙漠甲蟲的仿生。納米比亞沙漠甲蟲外殼布滿了小而平整的隆起，且隆起的平面如鏡子般光滑，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其可以輕易收集到空氣中的水汽。外殼表面還覆蓋著一層蠟狀物質(zhì)，具備疏水性質(zhì)，可保證水滴順利向下流動(dòng)。英國科學(xué)家模仿沙漠甲蟲的集取水裝置制作了集水器（圖6），該集水器對(duì)于收集空氣中的水分效果顯著。

3 結(jié)語

產(chǎn)品的仿生基于生物特性與產(chǎn)品構(gòu)成要素的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分類，各種仿生方式在實(shí)際應(yīng)用中并非獨(dú)立存在，而是互相聯(lián)系與滲透，相互依存又各有特點(diǎn)。仿生設(shè)計(jì)的方法在具體應(yīng)用中沒有界線，可根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求，任意組合使用，將會(huì)達(dá)到意想不到的效果。

產(chǎn)品仿生設(shè)計(jì)具有廣闊的前景，仿生學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展伴隨著新成果的不斷出現(xiàn)，人類對(duì)自然界中的一切也有了更客觀、更深刻的認(rèn)知，以自然為師，加以效法。從萬事萬物的本質(zhì)特征和基本原理中獲得設(shè)計(jì)靈感，分析研究，歸納總結(jié)，最終為產(chǎn)品設(shè)計(jì)服務(wù)。