仿生視角下的水面清污器設(shè)計(jì)研究

劉國蘋，石雅夢

（武漢設(shè)計(jì)工程學(xué)院，武漢 430000）

水面清污器作為湖泊環(huán)境的保護(hù)者，它的研究設(shè)計(jì)與生態(tài)環(huán)境息息相關(guān)。目前，國內(nèi)很多湖泊出現(xiàn)大面積漂浮物，水面清污方式的發(fā)展卻停滯不前，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境和城市發(fā)展。水面垃圾清理方式眾多，大多都存在造價(jià)高、能耗大等問題，并不能滿足當(dāng)代社會的需求，且不符合國家節(jié)能減排政策。水面清污器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)已迫在眉睫，本文將通過仿生設(shè)計(jì)研究水面清污器的具體應(yīng)用，以提升其自身功能，創(chuàng)造新型高效節(jié)能的水面垃圾清理器。

1 仿生的含義與應(yīng)用

1.1 仿生的含義

仿生來源于自然界，主要以科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新在工程和設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供創(chuàng)新性思維，從而進(jìn)行學(xué)習(xí)和模仿，解決目前存在的諸多問題[1]。

1.2 仿生在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

仿生設(shè)計(jì)主要是運(yùn)用工業(yè)設(shè)計(jì)的藝術(shù)與科學(xué)相結(jié)合的思維方法，從而不僅在物質(zhì)上，更在精神上追求傳統(tǒng)與現(xiàn)在、自然與人類、藝術(shù)與技術(shù)、主觀與客觀等多元化的設(shè)計(jì)融合與創(chuàng)新。仿生學(xué)設(shè)計(jì)在于模仿生物的特殊之處，利用生物的結(jié)構(gòu)和功能原理得到設(shè)計(jì)產(chǎn)品的方式，從而創(chuàng)造出新型產(chǎn)品[2]。

如圖1所示，日本的新干線列車采用流線型的翠鳥鳥喙作為設(shè)計(jì)靈感，對列車車頭進(jìn)行創(chuàng)新，不僅降低了列車噪音，還提高列車的燃料使用率20%，成效顯著。

產(chǎn)品的形態(tài)仿生是指在整體或局部上對自然物進(jìn)行加工和整理，然后將其應(yīng)用到外觀上，比如諸多汽車類設(shè)計(jì)大多都采用仿生設(shè)計(jì)，從速度型動物中獲取靈感提升產(chǎn)品品質(zhì)。仿生設(shè)計(jì)的合理運(yùn)用，不僅可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，也可以減少資源浪費(fèi)。

圖1 翠鳥和新干線列

2 市場調(diào)研

2.1 水面清污器對水面生態(tài)環(huán)境的設(shè)計(jì)

近些年，我國湖泊環(huán)境整體持續(xù)惡化，城市內(nèi)的湖泊、河道等均出現(xiàn)水面垃圾漂浮堆積、水藻遍布、水質(zhì)發(fā)臭等情況。而現(xiàn)有水上清潔產(chǎn)品設(shè)計(jì)在國內(nèi)沒有實(shí)質(zhì)進(jìn)展，據(jù)市場信息可以看出，現(xiàn)有的水面清潔器設(shè)計(jì)存在很大的不足。

（1）從處理水面垃圾方式上來看，產(chǎn)品處理垃圾投入成本高，需要多人同時(shí)協(xié)作，浪費(fèi)人力物力；人工打撈清潔強(qiáng)度大，清潔過程不環(huán)保，不利益綠色、環(huán)保、高效安全湖泊水面清理；打撈方式就是隨意打撈，沒有考慮水域與垃圾分布，打撈沒有針對性；清潔過程中處理不干凈，清潔速度慢。

（2）外觀設(shè)計(jì)方面，現(xiàn)有許多水面清理垃圾大多采用船舶的造型，其造型陳舊且體積大，不符合當(dāng)代人的審美，與現(xiàn)代化文明產(chǎn)生鮮明對比；在湖泊清理的整體設(shè)備投入和規(guī)劃上，缺乏系統(tǒng)性和整體性；大多數(shù)研究傾向于清潔功能的多種實(shí)現(xiàn)方式，關(guān)注過于片面，沒有充分考慮整個(gè)湖泊的使用大環(huán)境和各種需求；功能過于單一，忽略了理念、外觀以及需求的整體設(shè)計(jì)。

因此，水面清污器應(yīng)該著力改變其問題現(xiàn)狀，在設(shè)計(jì)中用仿生學(xué)創(chuàng)新，利用生物的結(jié)構(gòu)和功能原理來創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使其成為改善城市湖泊、河道生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的得力助手。

2.2 國內(nèi)外生態(tài)化水面清潔機(jī)器的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)在市場上水面清污方式眾多，水面清污機(jī)器也種類繁多，但是或多或少都存在問題。

2.2.1 效率低，人工耗力

對于人工船舶打撈來說，現(xiàn)有的打撈船一般體積大，適合用于大型的旅游觀光水域，不能進(jìn)入小型水域進(jìn)行打撈作業(yè)；投入成本高，存在高能源、耗時(shí)長、效率低等問題。不少清撈作業(yè)場地非常狹窄，工作人員的勞動強(qiáng)度大，工作難度高，且存在較大的安全隱患，除救生衣外，沒有任何保護(hù)措施。

2.2.2 生產(chǎn)成本高，高能耗

機(jī)械化打撈方式的工作效率高且便利。但機(jī)械造價(jià)過高，能耗也高，同時(shí)依舊需要人工操作，對能源造成一定浪費(fèi)，不符合現(xiàn)代社會審美和推崇的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念。

2.2.3 船體過于單薄

水面清污器設(shè)計(jì)雖然在功能性上進(jìn)行創(chuàng)新，但是過于單薄，其造型依舊采用船體方式運(yùn)作，而且使用依然有很大的局限性。雖然其造價(jià)低，符合低能耗的要求，但是其依舊主要依靠人力來完成作業(yè)，同樣存在安全隱患。

2.2.4 清理范圍局限

國外的海洋垃圾收集桶，利用物理學(xué)做負(fù)壓的形式，用水流帶動水面漂浮物，而垃圾會通過特殊的濾網(wǎng)過濾收集，但其缺點(diǎn)顯而易見，對于大面積垃圾的清理，作用十分有限。此款收集水面垃圾的方式十分新穎，但其造型設(shè)計(jì)沒有考慮到人機(jī)體驗(yàn)。

3 設(shè)計(jì)定位

3.1 市場需求定位

產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要針對湖泊、內(nèi)河等，設(shè)計(jì)必須考慮湖泊河道特點(diǎn)、城市文化、功能需求，要做到系統(tǒng)化，不僅關(guān)注產(chǎn)品本身，也通過產(chǎn)品的使用環(huán)境提出相應(yīng)的設(shè)施設(shè)計(jì)和節(jié)能設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更好地為湖泊環(huán)境建設(shè)服務(wù)[3]。

3.2 空間產(chǎn)品人機(jī)定位

生態(tài)水面垃圾清潔器的設(shè)計(jì)首先在視覺上要給人美的感受，其次應(yīng)用要符合所需環(huán)境和使用者需求尺寸。為了適應(yīng)湖泊、內(nèi)河水域分布，產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)具有良好的靈活性，具有高效的工作效率和低廉的成本投入。產(chǎn)品尺寸最好為中小型，便于靈活進(jìn)入復(fù)雜水域進(jìn)行垃圾清理作業(yè)。

4 設(shè)計(jì)分析

4.1 外觀形態(tài)分析

水面清理器造型設(shè)計(jì)靈感來源于深海魔鬼魚的造型和肚子結(jié)構(gòu)。其外觀和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了自然與現(xiàn)代技術(shù)相融合的思想，表達(dá)出“綠色、環(huán)保、愛護(hù)、高效”的理念，便于使用與保護(hù)，更加利于后續(xù)發(fā)展。因此，對于產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)來說，它應(yīng)當(dāng)與整個(gè)水面環(huán)境相契合，具有價(jià)值性、多樣性、簡潔性及靈活性，便于水面清潔的管理和維護(hù)等。依據(jù)仿生學(xué)原理，以深海魔鬼魚形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)原點(diǎn)，筆者確定了外觀造型，如圖2所示。

圖2 具體方案造型

4.2 材料與工藝分析

材料主要采用防水材質(zhì)，其觸覺較好，防腐性強(qiáng)，材料加工性強(qiáng)，形態(tài)可以多樣化；塑料材料易加工，色彩豐富，便于一體成型，節(jié)約成本，也適宜做產(chǎn)品的外殼，以其他材料制作成內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這款水面清污器主要采用玻璃鋼（FRP），即纖維強(qiáng)化塑料。在材料的選擇上，玻璃鋼外表光滑，可降低阻力，提高航速；玻璃鋼穩(wěn)定性好，質(zhì)地輕且硬，防腐性強(qiáng)，易于加工，使用壽命長且易于修復(fù)。產(chǎn)品外涂抹防水涂料，其對于水面清污器有保護(hù)作用。

4.3 色彩分析

在色彩的運(yùn)用上，這款水面清污器的配色主體用黑色，輔以藍(lán)色進(jìn)行搭配，在視覺上給人一種簡潔大方的感覺。黑色屬于很耐臟的顏色，十分美觀。再者，黑色可以將光線全部吸收、沒有任何反射，它更有利于太陽能板的運(yùn)作。藍(lán)色具有安靜、舒適的視覺感受。黑色與藍(lán)色結(jié)合給人帶來一種視覺沖擊感，具有很強(qiáng)的現(xiàn)代感。

4.4 結(jié)構(gòu)分析

此方案產(chǎn)品結(jié)構(gòu)整體為橢圓形，便于深入小型水域進(jìn)行垃圾清理，具有靈敏的操控性，與其螺旋槳的運(yùn)行路線相協(xié)調(diào)，容易保持水中穩(wěn)定性和效率。

產(chǎn)品主要由上下及其內(nèi)外組成，產(chǎn)品上部主要內(nèi)置控制、動力系統(tǒng)、太陽能板、攝像頭和紅外線傳感，它們位于吃水線上部不易產(chǎn)生故障，并且具有極好的密封性，便于護(hù)理與維修；下部分主要是下殼體，包括發(fā)動機(jī)、螺旋槳、紅外線傳感自動避障以及過濾網(wǎng)等垃圾收集部分。兩者的組合讓產(chǎn)品更加安全，保障機(jī)器工作效率和清理效果。

4.5 空間規(guī)劃分析

此方案不僅考慮產(chǎn)品的使用與設(shè)計(jì)問題，還為湖泊、內(nèi)河清理的后期管理及維護(hù)提出了一種全新的解決方式。其中對產(chǎn)品投放的整體環(huán)境進(jìn)行了規(guī)劃與整體性設(shè)計(jì)，把湖泊分為若干個(gè)區(qū)域，根據(jù)紅外線傳感可通過手機(jī)APP進(jìn)行實(shí)時(shí)關(guān)注及遙控操作，便于工作人員清理垃圾與產(chǎn)品維護(hù)，很好地解決了人員、產(chǎn)品成本等各個(gè)方面的投入，是一個(gè)貼心且綠色的設(shè)計(jì)。

4.6 功能分析

在水面垃圾清理方面，這款水面清污器將打破傳統(tǒng)的打撈方式，實(shí)行智能清理，它具有先進(jìn)的智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，自動虛擬導(dǎo)航，確定清潔線路，清潔面覆蓋廣。水面清污器的運(yùn)作主要范圍是狹小河道，對于水域面積大的情況，這款產(chǎn)品前面設(shè)置了一個(gè)攝像頭和紅外線傳感。在水面清污器日常工作時(shí)，其可以借此觀察水質(zhì)和水面狀況。太陽能是一種綠色環(huán)保節(jié)能的技術(shù)，這款設(shè)計(jì)將這種技術(shù)運(yùn)用到水面清污器中，其背部設(shè)計(jì)有一個(gè)太陽能板，利用太陽能作為動力源泉，為水面清污器提供所需動力。

紅外線傳感自動避障也可通過手機(jī)APP進(jìn)行實(shí)時(shí)關(guān)注及遙控操作。人們通過APP可及時(shí)得知水面垃圾具體方位和垃圾乘載情況，操作簡單且作業(yè)安全。當(dāng)水面清污器收集的垃圾達(dá)到一定數(shù)量，其便會在按鈕處發(fā)光并及時(shí)反饋到手機(jī)中，使用人員便可引導(dǎo)水面清污器返程。其結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本較低，易于維修和推廣。這樣不僅保證了水面清污工作者的安全，也提高了工作效率，綠色環(huán)保。

4.7 價(jià)值分析

該產(chǎn)品針對湖泊、內(nèi)河進(jìn)行設(shè)計(jì)，產(chǎn)品功能好、外形美觀、成本低，便于水面清理管理系統(tǒng)工作人員進(jìn)行護(hù)理與維修。這種運(yùn)用現(xiàn)代環(huán)保理念的垃圾清潔器設(shè)計(jì)，讓人們深刻感受到科技的力量和設(shè)計(jì)的作用。

5 結(jié)論

智能水面清潔器的開發(fā)設(shè)計(jì)主要是為了解決復(fù)雜水域的垃圾清理問題。筆者運(yùn)用仿生原理開展產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)和功能研究，以優(yōu)化水面清理方式，契合當(dāng)代人的審美需求。實(shí)踐表明，該產(chǎn)品的功能和選材遵循綠色發(fā)展理念，節(jié)能且循環(huán)利用率高。智能水面清污器采用遙控系統(tǒng)和紅外線傳感，可以實(shí)現(xiàn)無人自動避障、檢測水質(zhì)、打撈沉物，使清潔工作變得簡便。這款水上清潔器具有體積小、操作方便、工作非常靈活、清潔效率高、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，并利用太陽能提供動力資源，體現(xiàn)了創(chuàng)新科技的便捷性。