論計算機模擬在仿生設計中的應用

楊晴雅

摘 要：隨著人類科技的飛速發(fā)展與進步，計算機模擬成為進行仿生設計的主要方法之一，同時也成為仿生設計過程中的必要步驟。本文通過對計算機模擬仿生設計的應用的闡述，以期能夠給相關研究者提供一定的借鑒與參考。

關鍵詞：仿生設計;計算機模擬;應用研究

利用計算機模擬法進行仿生設計，是仿生設計中的主要方法之一。合理地應用計算機，能夠使得仿生設計的質(zhì)量得到更好的保證與提升，減少仿生設計中結(jié)構(gòu)、形態(tài)等出現(xiàn)問題的可能。所以，從事仿生設計和研究的人員，要在實際的學習工作實踐中，結(jié)合前人和自身的設計經(jīng)驗，對計算機進行合理、有效的運用。鑒于此，本文主要分析計算機模擬在仿生設計中的應用要點，力圖從計算機模擬方面為推進仿生設計的發(fā)展貢獻一點力量。

1 仿生設計中計算機模擬的重要性

近些年來，由于世界科技的高速發(fā)展，計算機技術也在不斷進步，其應用范圍也越來越廣泛，利用計算機模擬進行仿生設計已經(jīng)得到了人們的廣泛關注。所謂計算機模擬，主要指的是利用計算機對仿生模本和仿生制品的特性、屬性、結(jié)構(gòu)進行分析，將仿生設計與計算機模擬進行有效的結(jié)合。由于仿生設計涉及的領域比較廣，將計算機模擬應用到仿生設計中，不僅能夠提高設計師的設計效率，而且能對仿生設計進行最佳化的選擇，并對仿生設計進行可行性與功能性的篩選。

除此之外，在仿生設計中，利用計算機進行模擬，能夠為設計研究者提供更多的設計靈感，在設計過程中可以更加靈活地對設計方案進行更改，并得到最佳化的選擇;可以使得仿生設計的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形態(tài)更加合理，進一步提升仿生設計的效率和效益。這就要求仿生設計研究者需要不斷學習新的、更先進的計算機模擬軟件，改善原有的仿生設計方案，提高仿生設計方案的實施效率。

2 基礎理論解析

2.1 仿生學理論解析

2.1.1 仿生學的含義

（1）傳統(tǒng)定義：仿生學定義最早是從信息科學，更具體地說，是從控制科學與工程就開始的。

仿生學傳統(tǒng)狹義定義是，研究生物體接受、傳遞、加工及其機制，并將之作為模擬對象，來設計各種自控機的科學。后來在仿生學研究不斷深化的形勢下，又產(chǎn)生了仿生學傳統(tǒng)廣義定義，即仿生學是“研究生物界各種各樣的特征（包括物質(zhì)、能量、信息等），并以之作為模擬對象，來改善現(xiàn)代技術設備并創(chuàng)造新技術”。

在仿生學傳統(tǒng)定義中，無論是狹義定義、廣義定義，還是后來演變的定義，都是在下列條件下定義的：一是仿生模本都是生物，即動物、植物、微生物;二是仿生模擬都是非生物制造。

（2）現(xiàn)代定義：隨著現(xiàn)代社會不斷發(fā)展，人類對自然界的探索也在不斷深入，仿生學也經(jīng)歷了孕育—發(fā)展—成熟的不同歷程，進入了下一個全新的發(fā)展階段。仿生學的定義也隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，特別是與生命科學、醫(yī)學、保健科學等的深入結(jié)合，得到了進一步的豐富、拓展和提升。

仿生學現(xiàn)代的狹義定義，即為仿生學傳統(tǒng)的廣義定義，而現(xiàn)代的廣義定義可表述為，學習、模擬生物、生活和生境制造，包含自然或人造生命及其組件的人工制品。定義中所體現(xiàn)的不僅是仿生模本從生物拓展到生活與生境的突破，更是仿生模擬實現(xiàn)了非生物制造與生物制造的緊密結(jié)合;仿生制品不僅僅是人工制品，而且是直接包含有生命體或其組件。

現(xiàn)代廣義定義中對仿生學還有進一步的表述，即仿生學是學習、模擬大自然，在建造的人工制品中實現(xiàn)回歸自然的仿生發(fā)展理念和發(fā)展模式的科學。

現(xiàn)今，在交叉學科的滲透和影響下，仿生學的研究內(nèi)容有了進一步拓展。將生物、生境及生活中一切對人類需求有用的信息，均作為仿生模本被模擬。同時，仿生模擬也加快了從“形似”向“神似”邁進的步伐，仿生制品也從傳統(tǒng)的非生命仿生制品向包含生命組件的仿生制品和具有完整生命的仿生制品方向發(fā)展。[1]

2.1.2 仿生學研究內(nèi)容

（1）生物研究：生物研究分為純生物學研究、生物現(xiàn)象研究、生物學已有成果研究及模本生物研究。

純生物研究是基于生物專業(yè)或?qū)ι锏呐d趣，研究生物系統(tǒng)各個層次的結(jié)構(gòu)、功能、行為、控制、生長發(fā)育、起源、進化，以及生物與周圍環(huán)境的關系等。這是基礎研究，也是仿生學的生物學基礎。

生物現(xiàn)象伴隨著生命全過程，時有發(fā)生，新穎，機理隱秘，有時甚至是偶發(fā)，容易引起人們的好奇、興趣，甚至成為愛好，驅(qū)使人們?nèi)ヌ剿?、去研究。由于人們好奇心所產(chǎn)生的探索生物現(xiàn)象奧秘的動力是難以估量的，其研究成果產(chǎn)生的影響也是不可估量的。雖然對生物現(xiàn)象的最初研究并無仿生學應用背景，但是，正是人類對生物奇異現(xiàn)象的好奇、對探索生物現(xiàn)象奧秘的興趣和對明晰生物特異現(xiàn)象機理的向往，才產(chǎn)生了對人類社會具有巨大價值的仿生發(fā)明與創(chuàng)造。

對已有的生物學成果的研究主要有兩個方面，一是大面積進行分析、提純、凝練、歸類、集成，為仿生學研究做好戰(zhàn)略儲備;二是帶著明晰的需求，有目的地尋找有可能用于仿生學的生物學研究成果——這是應用基礎研究，研究成果有潛在的或明確的仿生應用前景。生物學已有成果研究的對象是生物學領域已被研究和已形成的成果，有仿生學應用的大背景，但多數(shù)暫無具體應用目標?，F(xiàn)對其進行探索的目的就是要對已有成果的特點、規(guī)律、原理等進行歸類，進一步系統(tǒng)深入分析，以備仿生學應用;抑或有具體應用目標，尋找適于目標應用的已有成果。

根據(jù)工程實際需求，選擇典型生物模本進行研究。這是應用基礎研究，研究成果有明確的仿生學應用目標。模本生物的研究就是帶著工程中的具體技術難題到生物界尋找靈感，有明確的工程需求和具體的應用目標;且生物界已有研究成果不能滿足工程需求，必須在生物中優(yōu)選符合工程需求的生物模本，通過研究后，將其功能結(jié)構(gòu)原理直接進行仿生應用。

（2）生活研究：以人類自身的自然生命、生活智慧、生活現(xiàn)象等為模本，提取人類生活的精髓，進行更貼近人們生活、更高層面的直接或抽象仿生。人類具有和其他生物不同的思維模式，人類利用這些不同的思維模型來發(fā)現(xiàn)自身生活中具有的規(guī)律和哲理，這些都可作為仿生模本進行仿生行為。

（3）生境研究：生境及人類與生物生存的環(huán)境，這里主要是指自然環(huán)境、自然生態(tài)，以及常見的或偶發(fā)的自然現(xiàn)象。這是人類賴以生存、不可或缺的條件，也是保證人類得以發(fā)展的重要條件;是仿生學的重要養(yǎng)分，也是重要的提供仿生模本的途徑。

（4）自然界運行規(guī)律研究：仿生學的根本宗旨就是學習，模擬大自然的運行法則。當人類的發(fā)展理念和經(jīng)濟發(fā)展模式與大自然不協(xié)調(diào)，人類面臨重大的經(jīng)濟難題和嚴重的環(huán)境危機時，對自然界運行規(guī)律的研究將是最為重要和最為迫切的。[1]

2.2 仿生設計理論解析

2.2.1 仿生設計基本概念

仿生設計是模擬自然界中的生物信息、生境、規(guī)律等特征，進行原創(chuàng)性的設計。簡單來說，仿生設計就是模仿生物的各種特征或受生物啟發(fā)而進行的廣義設計。[2]

仿生設計學，又稱為設計仿生學，是關于研究生命、生物形狀、功能、結(jié)構(gòu)、色彩、聲音、材料、意向，甚至情感、趣味等物質(zhì)與精神特征的設計科學。仿生設計是仿生學與藝術設計相結(jié)合的邊緣性交叉學科，也是20世紀末到21世紀初人類科學發(fā)展的新方向和新成果。仿生學和仿生設計有著共同的研究內(nèi)容和對象。仿生學的原理和研究成果迅速地運用到立體設計中，包括工業(yè)設計、環(huán)境藝術設計、服裝設計等領域;同時，其也被運用到平面設計中，包括海報設計、裝飾設計、標志設計等。[3]

仿生設計的基礎是仿生學，仿生設計小于仿生學，是仿生學的研究在設計領域的實踐，是仿生學各個交叉學科中的一種。仿生設計融合了仿生學研究的方式方法，并將其運用到設計領域。仿生設計的靈感同樣來自自然界萬物，是創(chuàng)造人與自然和諧的重要方法與手段。

2.2.2 仿生設計的特征

仿生設計平衡了人、自然、科技三者之間的關系，其具有四大特征，分別為：

（1）實物性。仿生設計的核心是仿生制品，而仿生制品必須是真實的、確實存在的實物性物品。仿生設計將仿生模板的形態(tài)、功能、結(jié)構(gòu)、肌理、色彩等要素應用到仿生制品中。這時的仿生制品就相當于一個載體，這個載體寄托著人們生存發(fā)展的需求，同時也寄托著人們向往大自然的精神上、情感上的需求。

（2）整體性。仿生設計是一套完整的設計系統(tǒng)。通過對仿生模本整體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、規(guī)律等進行研究與模仿，選擇出符合人類需求的特征，將其應用到仿生制品中，改善已有的科學技術工程，并創(chuàng)造出新的技術。仿生設計對于自然界的學習和模仿是綜合性的、理性化的結(jié)果，整合了自然界生物的信息系統(tǒng)后的結(jié)果。

（3）自然性。仿生設計是對自然界生物信息的學習和模仿，自然就擁有了自然的屬性。從遠古時代工具的發(fā)明開始，擁有自然屬性的仿生活動就充斥在人類的生活與發(fā)展活動中。除了仿生模本形態(tài)、結(jié)構(gòu)、色彩等的自然屬性之外，設計理念也有著自然的屬性——和諧共生。

（4）美學性。仿生設計是人類自然美學的體現(xiàn)，因其借鑒、學習、模仿的對象就是自然界中的生物，而自然界的生物就是美的產(chǎn)物。歌德（Johann Wolfgang von Goethe）在《對自然的簡單模仿、手法、風格》中提到，“大自然和藝術是一個整體，大自然本身就是藝術品，而藝術品又是藝術家對大自然深刻觀察的產(chǎn)物。設計作為人類掌握世界的第五種方式，也將自然本身的美學意義進行最大化”。[3]貢布里希（E.H.Gombrich）說：“有一種秩序感的存在，它表現(xiàn)在所有設計風格中，而且，我們相信它跟人類在生物遺傳之中……我相信，有機體在為生存而進行的斗爭中發(fā)現(xiàn)了一種秩序感，這不僅是因為他們的環(huán)境在總體上是有序的，而且是因為知覺活動需要一個框架，以作為從規(guī)劃中劃分偏差的參照?！盵4]從這段話我們可以看出，一部分秩序感來源于自然界生物先天的遺傳功能，大自然具備這種有秩序的美，這種有秩序的美通過人們的仿生行為被人們應用到了仿生制品中。仿生制品提供給人們使用，人們也就擁有了大自然這種秩序美感。這說明仿生設計承載了大自然的美學價值。

2.3 計算機模擬理論解析

計算機模擬法是利用計算機，在軟件上面進行仿生制品的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型的建立，可以對仿生模本和仿生制品進行設計、研究、分析、調(diào)整、實踐等，是從設計到完成過程中重要的一環(huán)。仿生設計研究者科學地利用計算機從而進行模型的構(gòu)建，使得仿生設計方案在更加完善的同時對可能出現(xiàn)的問題進行解決方案的設計，保證了設計方案的科學性。

計算機模擬法有兩個重要的步驟：一是建立模型;二是模型分析。模型建立的科學性、準確性、完整性、系統(tǒng)性對后續(xù)的分析、調(diào)整、優(yōu)化有著直接的影響，因此模型分析這一步驟至關重要。模型分析是根據(jù)模型復現(xiàn)在實際情況系統(tǒng)中仿生制品的情況，通過模型來研究可能會出現(xiàn)的問題或狀況;同時，通過觀察研究模型的變化，尋求最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和最佳的設計方案。在設計階段，利用計算機進行模擬，建立模型，可以任意地修改、變換、調(diào)整，節(jié)約時間也節(jié)約資源。

現(xiàn)如今，人類開發(fā)出各種各樣的計算機模擬軟件，選擇合適的軟件來進行計算機模擬也十分關鍵，選擇適當?shù)哪M軟件是科學、精準地模擬和表現(xiàn)仿生設計實際狀況的保障。這么多種類的模擬軟件，所以在進行建立模型和模型分析時，應該根據(jù)仿生模本與仿生制品的特性、屬性、結(jié)構(gòu)等因素，選取出最佳的模擬軟件進行分析。

3 計算機模擬在仿生設計中的應用分析

3.1 計算機模擬

在仿生設計領域，計算機模擬具有很大的優(yōu)越性。它可以解決很多在仿生模型上復雜的卻無法用其他手段解決的問題，可以利用它模擬已發(fā)生或未發(fā)生的多種不同的情況，可以實現(xiàn)具體的實物模型無法達到的微觀層面等等。因此，計算機技術不僅僅是科技發(fā)展或其他學科可以利用的手段，也是仿生設計研究重要的方法。

3.1.1 建立仿生模型

在構(gòu)建仿生設計方案的結(jié)構(gòu)時，仿生設計研究人員需要做好相應的計算機模擬設計工作，要將仿生設計更加直觀地表達出來，有效彌補二維設計圖紙語言的不足。這時，對于仿生模型的建立就顯得尤為重要。

仿生模型是對仿生模本結(jié)構(gòu)、形態(tài)、功能等方面等進行模擬，利用計算機進行模型的架構(gòu)，這種模型可以是物理模型或數(shù)學模型，靜態(tài)模型或動態(tài)模型，連續(xù)模型或離散模型等。[1]

在仿生模型的設計研究階段，設計研究者需要結(jié)合仿生模本內(nèi)外部的各個細節(jié)，進行最佳化的處理;仿生設計研究者可以結(jié)合相關研究人員提出的意見，對仿生模型進行合理的改進。

3.1.2 分析仿生模型

仿生模型建立的正確性、科學性、準確性，對后續(xù)的研究至關重要，因此對仿生模型進行分析與評估就顯得尤為重要了。

分析仿生模型這一過程，可以通過試驗，觀察模型各變量之間的全部變化。這些變化中有合理的也有不合理的變化存在，因此，分析仿生模型，可以提前設計出應對不合理變化的解決方案。通過多次的試驗，可以修改模型的結(jié)構(gòu)、參數(shù)等，最終得到最佳化的仿生設計方案。再將最佳化的設計方案應用到仿生制品的制作中，可以使得仿生制品具有合理性、科學性、準確性等特點。

3.2 相似模擬法

相似模擬法是根據(jù)仿生模本的結(jié)構(gòu)特性，創(chuàng)建一個與仿生模本相似的模型，然后通過模型來間接研究模本的特征規(guī)律。因此，相似模擬法首先要設計制作出模型，建立與模本相似的模型，而且在有多個模本時，要設計制作多個模型。模型的各個要素必須要與模本相對性的要素相似，相對性要素的相似指數(shù)越高，模型與模本的相似度便越高，這樣研究出的結(jié)果才會更加貼近模本。

制造設計并作出模型后，便可以開始獲得數(shù)據(jù)了。在研究實踐的工作中，有時很難利用現(xiàn)有的理論基礎去研究分析并解決出現(xiàn)的困難和問題，然而又很難將仿生模本直接拿到面前進行分析研究，這時模型的制作就顯現(xiàn)出它的重要了。采用相似模擬法，建立與模本相似的模型，對相似的模型進行相似條件下的分析與研究，將會更加容易掌控研究過程，更容易調(diào)整研究參數(shù)和條件，也更容易取得設計研究的成功。

3.3 計算機模擬原則

在利用計算機進行仿生設計的研究工作時，需要進行仿生建模。仿生建模是指利用專業(yè)的計算機建模類軟件進行模型的建立，如CAD、3D MAX、UG、Rhino、Sketch up、Creo、CATIA等。借助這些軟件建立的仿生模型，可以使得設計研究者對仿生模本的分析更加透徹，對仿生制品的結(jié)構(gòu)、特性等更加明確，這樣可以更加精確地確定設計方案，制造出仿生設計產(chǎn)品。

在進行仿生建模時，需要遵循功能性、簡單性、準確性和可識別性這4個原則。

第一，功能性。不同的模本有著不同的功能特性，不同的功能對應著不同的仿生模型，因此需要在明確仿生制品的功能性選擇后，選擇不同的仿生模本，這樣才能在準確提取功能特性的情況下進行模型的建立。

第二，簡單性。模型建立的過程中，在滿足仿生設計要求的前提下，應拋去復雜煩瑣的結(jié)構(gòu)因素，提取主要因素，舍棄次要因素。分清主次并確定優(yōu)先順序，是實現(xiàn)仿生設計最佳化的重要方法。

第三，準確性。利用計算機建模時，模型的準確性是決定和保障之后研究工作的科學性、準確性的重要條件，因此建模時要保證模型的合理性和準確性。當模型出現(xiàn)問題時，后續(xù)的研究工作將無法展開或展開后得到錯誤的結(jié)果。

第四，可識別性。模型必須具有仿生模本的特性和識別性，其功能、形態(tài)、特性、肌理等都需按照正確的描述和方法進行表達。按照模型來制作的仿生制品才具有仿生模本的特性和識別性。

不同的仿生模本也可能出現(xiàn)多種模型，從仿生模本不同的功能、特性等出發(fā)，就會得到不同的仿生模型。因此在建立模型時，可以根據(jù)仿生模本不同的特點進行分析和研究，具體問題具體分析。

4 結(jié)語

本文首先對計算機模擬在仿生設計中的重要性進行闡述，再對仿生理念和計算機模擬的基礎理論進行解析，最后分析了計算機模擬是如何應用在仿生設計中的。

對于計算機模擬在仿生設計中的應用這一研究領域，其實踐遠遠走在了理論的前面，實踐較多，但相關的理論研究卻十分欠缺。計算機模擬法對于仿生設計有著極大的幫助意義和啟發(fā)意義，仿生設計的應用研究也同樣具有深遠的現(xiàn)實意義。因此，筆者希望本課題能夠填補一些國內(nèi)外相關理論研究的空白。

參考文獻：

[1] 任露泉，梁云虹.仿生學導論[M].北京：科學出版社，2016：3-6，10-18，324.

[2] 余秀欣.論仿生設計的原創(chuàng)性方法在現(xiàn)代創(chuàng)新設計中的應用[J].藝術百家，2006（2）：93.

[3] 蔡江宇，王金玲.仿生設計研究[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013：12-13，17.

[4] 貢布里希（英）.秩序感[M].杭州：浙江攝影出版社，1987：13.