生物耦合現(xiàn)象對仿生設(shè)計(jì)課程教學(xué)實(shí)踐的啟迪

李智健

（大連工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，遼寧 大連，106034）

仿生學(xué)經(jīng)過近60年的發(fā)展，如今，這門學(xué)科的現(xiàn)代定義綜合了以人與生物的生存環(huán)境作為模本，探索其中所發(fā)生的現(xiàn)象，通過相關(guān)學(xué)科的交叉滲透，滿足人類的實(shí)際需求。

仿生學(xué)的模擬方式不僅是以往對自然“形似”的單元仿生，生物適應(yīng)自然的前提在于多個因素相互耦合。生物耦合是指兩個或兩個以上耦元通過有效的耦聯(lián)方式聯(lián)合起來成為具有一種或一種以上生物功能的實(shí)體或系統(tǒng)①84。生物耦元是構(gòu)成生物耦合的單元，兩者互為因果，關(guān)系緊密①57。生物主要通過多元耦合實(shí)現(xiàn)其自身功能，單一耦元雖有相關(guān)功能，但若沒有其他耦元的共同協(xié)助，就難以實(shí)現(xiàn)生物功能與環(huán)境適應(yīng)的最佳狀態(tài)，即生物體對環(huán)境變化的感知①121。例如蚯蚓脫附減阻功能在外表上體現(xiàn)出圓錐形，在土壤中穿行時呈現(xiàn)出波浪形的體態(tài)變化，非光滑體表上的背孔分泌出體液，以及其他因素共同實(shí)現(xiàn)脫附減阻功能。生物的耦合現(xiàn)象普遍存在于自然界的各種生物，它們雖然不屬于同一類別，但具有同樣的功能。例如自潔防粘功能在荷葉、葦葉等植物葉片和蝴蝶、夜蛾等昆蟲翅膀上皆有體現(xiàn)，是由它們的表面非光滑形態(tài)、微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)和低能材料等因素耦合實(shí)現(xiàn)的①18。

不同專業(yè)領(lǐng)域?qū)Ψ律鷮W(xué)的認(rèn)識不同，促使仿生制品的涉及范圍更加廣泛。例如力學(xué)研究生物在環(huán)境中不同狀態(tài)下運(yùn)動的微妙變化，化學(xué)研究生物體內(nèi)能量輸送與轉(zhuǎn)換的反應(yīng)過程，生物信息學(xué)模擬感覺器官與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息處理過程，工程仿生學(xué)側(cè)重轉(zhuǎn)化生物體與設(shè)計(jì)、技術(shù)、發(fā)明和工程創(chuàng)造相結(jié)合，學(xué)習(xí)和模擬生物耦合機(jī)制的多元仿生，即由單元仿生向多元仿生發(fā)展。

仿生學(xué)的研究內(nèi)容以生物學(xué)對生物系統(tǒng)與周圍環(huán)境的關(guān)系為起點(diǎn)，將生物的習(xí)性、技能、結(jié)構(gòu)差異等因素作為仿生模本，主要來源于生物模本、生活模本、生存環(huán)境模本，從中研究人工制品與仿生模本之間的相似性，使其基本特征與表現(xiàn)形式構(gòu)成有效鏈接，經(jīng)過仿生模擬、設(shè)計(jì)、評價、優(yōu)化、制造過程，改進(jìn)和提升產(chǎn)品性能。

仿生設(shè)計(jì)屬于工程仿生學(xué)的分支，“向自然學(xué)習(xí)”一直是產(chǎn)品仿生設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，自然與人工制品的共通之處在于外形（Shape）、表層（Surface）、結(jié)構(gòu)體（Structure）及生產(chǎn)（Making）等因素的綜合運(yùn)用，自然的外形顯示出每個物種的獨(dú)特性，表層則體現(xiàn)出與周圍環(huán)境的互動關(guān)系，結(jié)構(gòu)體反映出從微觀到宏觀各個層級的功能作用，生產(chǎn)是物種繁衍生息、經(jīng)久不衰的動力源泉。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于仿生模擬、目標(biāo)模本、相似性。目前在工程仿生領(lǐng)域，以形似模擬、結(jié)構(gòu)模擬、構(gòu)形模擬、材料模擬、行為模擬的單元仿生為主導(dǎo)；單目標(biāo)和多目標(biāo)模本以綜合優(yōu)選為原則，多目標(biāo)模本是指在同一物種中的不同群體有時存在特殊性，在確立相關(guān)群體具備共性的同時，利用其突出的特性開展仿生設(shè)計(jì)；相似性原理是在確定產(chǎn)品功能的基礎(chǔ)上，將生物對周圍環(huán)境變化所做出的自身調(diào)節(jié)反應(yīng)與產(chǎn)品功能形成相似性，使仿生設(shè)計(jì)更加貼近生物原型，也更有利于未來產(chǎn)品在眾多工程領(lǐng)域的創(chuàng)新研發(fā)。例如，荷葉“出淤泥而不染”的特性可應(yīng)用到防水防塵的材料上；細(xì)胞系統(tǒng)的相互連接、支撐及構(gòu)成關(guān)系可應(yīng)用于硬紙板、家具等材料的生產(chǎn)與制作；植物的光合作用讓光伏發(fā)電技術(shù)不斷取得突破，蜘蛛絲的編織讓紡織品變得更加柔韌、輕便，細(xì)菌纖維素的繁殖能夠讓材料實(shí)現(xiàn)生物降解，從而逐漸替代傳統(tǒng)材料等。

一、耦合現(xiàn)象中的自然屬性與動態(tài)變化

自然屬性的內(nèi)容源于人類通過觀察、記錄、梳理自然界和生物界的本質(zhì)面貌、變化規(guī)律及自然現(xiàn)象，將其轉(zhuǎn)化為人類對自然的反應(yīng)和自身的認(rèn)識。動態(tài)變化普遍源于世間萬物的動作，比如斗轉(zhuǎn)星移、氣候變換、動物遷徙等。

圖1

圖2

圖3

如圖1所示，自然屬性作為仿生設(shè)計(jì)的起始點(diǎn)，與之相連接的有實(shí)際描述、時間與空間和人為事物，實(shí)際描述是指真實(shí)存在的自然現(xiàn)象，時間與空間是事物變化的根本，普遍聯(lián)系在于自然生態(tài)、人類社會發(fā)展的本質(zhì)。動態(tài)變化是對自然與人為事物、原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行相似性組合，人為事物中含有人為加工和對自然的模擬，比如各式家電內(nèi)部的電路板是模擬神經(jīng)系統(tǒng)，折疊式產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)是對鳥類骨骼、節(jié)肢動物、貝類等軟體動物的模擬，這些都說明原理與結(jié)構(gòu)相似性存在于自然和人為事物之中。

二、生物耦合現(xiàn)象在仿生設(shè)計(jì)教學(xué)中的運(yùn)用

在圖1中，運(yùn)用“思維導(dǎo)圖”的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)前文對“生物耦合”的描述，生物功能的前提在于多元耦合及環(huán)境適應(yīng)，生物內(nèi)外的多個因素都有可能作為仿生模本的一部分，主要以相似性為側(cè)重點(diǎn)，并且各因素之間可形成協(xié)同關(guān)系。在教學(xué)中嘗試建立以自然屬性為起點(diǎn)的耦合現(xiàn)象，對已有同類產(chǎn)品進(jìn)行再創(chuàng)造，在使用同一材料的標(biāo)準(zhǔn)下，模型的選材、制作到加工全部由學(xué)生借助常用工具獨(dú)立完成，將手工制作放在培養(yǎng)實(shí)踐能力的突出位置，讓學(xué)生在完成作品的過程中，既能鍛煉動手能力、積累經(jīng)驗(yàn)、熟悉材料的特性、掌握工具的使用，也能更好地理解動態(tài)變化在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)作用，通過以“旋轉(zhuǎn)”為主題的作業(yè)要求，以實(shí)際案例來說明仿生設(shè)計(jì)除了把握不同產(chǎn)品的形態(tài)變化外，更需要考慮的因素是功能和結(jié)構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上針對尺寸、比例、平衡等方面進(jìn)行調(diào)整。

三、教學(xué)案例實(shí)施流程

此次仿生設(shè)計(jì)的實(shí)踐課程選擇的自然屬性為“螺旋”，螺旋也稱為“漩渦”，它既是在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)象，也廣泛存在于生物界像鸚鵡螺的螺旋狀外殼、DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)、植物生長過程中的螺旋等形式中。從時間的角度來看，它代表著萬事萬物的發(fā)展路徑是條不斷循環(huán)且上升的曲線；而且在機(jī)械設(shè)計(jì)、制造方面的應(yīng)用領(lǐng)域也相對成熟，從空間上看，“螺旋”主要起到連接和驅(qū)動作用，比如螺絲與螺栓、蝸輪與蝸桿等。當(dāng)自然屬性確定之后，選擇人為事物則圍繞“螺旋”的動態(tài)變化拓展思路。螺旋上升的曲線總體趨向一種旋轉(zhuǎn)動態(tài)，螺絲與螺栓在完成兩個或兩個以上物體連接時會有另一種旋轉(zhuǎn)方式，本身有向內(nèi)或向外旋轉(zhuǎn)的含義；蝸輪與蝸桿的傳動關(guān)系也是在交錯軸的垂直關(guān)系中，通過“旋轉(zhuǎn)”傳遞動能。由此將“旋轉(zhuǎn)”作為動態(tài)變化的關(guān)鍵點(diǎn)，在事物的普遍聯(lián)系方面從內(nèi)、外兩個角度分別歸類，“外部體現(xiàn)”的舉例來源于生活中常見的人為事物，比如交通工具、小型家電和玩具；“內(nèi)部構(gòu)造”依次對應(yīng)“外部體現(xiàn)”，在交通工具中所使用發(fā)動機(jī)的動力輸出各不相同，“零部件”對應(yīng)上層小型家電或玩具，隨著目標(biāo)數(shù)量的增多，盡可能擴(kuò)大人為事物的種類，這些都可作為課程素材的基礎(chǔ)。

四、相似性在模型制作階段的運(yùn)用

相似性在生物耦合現(xiàn)象中起到關(guān)聯(lián)作用，主要體現(xiàn)在從簡單到復(fù)雜的遞進(jìn)關(guān)系。螺旋的仿生來源選定植物界里屬于槭樹科的紅楓雞爪槭，它的果實(shí)——翅果外表包裹了一層“翅膀”，在掉落時呈螺旋回轉(zhuǎn)狀態(tài)，與之相似的人為事物有陀螺、竹蜻蜓，飛機(jī)螺旋槳的靈感源于竹蜻蜓。實(shí)踐過程是文章的另一個重點(diǎn)，總體要求做到選擇材料標(biāo)準(zhǔn)化、訓(xùn)練目的明確化，在過程中求解決方案，直至達(dá)到預(yù)想效果。

（一）選擇材料標(biāo)準(zhǔn)化

陀螺、竹蜻蜓選用的材料有厚度為3mm和5mm的PVC（雪弗板）、圓規(guī)、三角板、美工刀、鉛筆、強(qiáng)力膠、200～1200目砂紙；橡筋動力飛機(jī)在上述材料和工具之外，還有截面5mm×5mm×500mm木條、T型尺、橡筋、大頭釘或細(xì)鐵絲、細(xì)嘴鉗、油筆芯、尼龍線、不干膠。

（二）訓(xùn)練目的明確化

作業(yè)成績與模型展示效果一致即是作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，也是讓訓(xùn)練目的圍繞觀察力、理解力與實(shí)際操作相結(jié)合，以往的訓(xùn)練模式用繪圖表達(dá)對事物理解的效果畢竟有限，“眼高手低”的問題在當(dāng)今務(wù)實(shí)的社會環(huán)境中對學(xué)生職業(yè)發(fā)展不利，所以實(shí)踐的出發(fā)點(diǎn)是“再設(shè)計(jì)”。即便是市場上流行的現(xiàn)有產(chǎn)品或是趨于成熟的裝備制造，依然有可發(fā)揮創(chuàng)造力的空間，仿生設(shè)計(jì)的研究價值在于探索未知領(lǐng)域、開拓應(yīng)用范圍、更新已有技術(shù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。以下分別說明陀螺、竹蜻蜓、橡筋動力飛機(jī)三個模型的制作和測試過程。

1.陀螺

如圖2所示，在陀螺制作示意圖中，首先要做到延長轉(zhuǎn)動時間，關(guān)鍵在于降低陀螺的重心，以及陀螺底部接觸面的支點(diǎn)要足夠精巧，其次要保證與手部接觸的短柄與陀螺體的中心線在一條直線上，保持上下整體平衡，預(yù)防在轉(zhuǎn)動中出現(xiàn)重心不穩(wěn)定、左右擺動、轉(zhuǎn)動時間過短的問題。

圖4

PVC板材與KT板相比，具有密度高、質(zhì)地較硬、加工可控性強(qiáng)、切割時較齊整、砂紙打磨后較精細(xì)的特點(diǎn)。陀螺短柄下的部分近似圓錐體，制作前可借鑒“洋蔥”的構(gòu)成形式，將陀螺的大體形狀進(jìn)行分層、分段處理，將切割好的PVC板粘貼后，依照實(shí)際尺寸進(jìn)行統(tǒng)一打磨。為了增強(qiáng)制作時的自主性，允許學(xué)生對陀螺局部加以改造。經(jīng)過模型測試后發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)動時間超過1分鐘的陀螺在接近底部的位置都夾有圓狀薄片金屬物，這樣可以壓低重心，增加轉(zhuǎn)動的慣性；另外，陀螺橫截面越接近圓形、體積越小、接觸地面的支點(diǎn)越細(xì)，即模型做工和尺寸控制也會延長轉(zhuǎn)動時間。

2.竹蜻蜓

在竹蜻蜓制作示意圖中，與陀螺的相似點(diǎn)在于螺旋槳葉片的中心點(diǎn)與軸桿整體的中心軸在一條直線上，既可以保證葉片與軸桿方向的垂直關(guān)系，也能在其升空過程中呈現(xiàn)垂直姿態(tài)。網(wǎng)上搜索的相關(guān)圖片雖然直觀，但在模型制作前需要確定螺旋槳曲線轉(zhuǎn)折變化，也要考慮如何做到從升空到落地保持平穩(wěn)，在無風(fēng)的環(huán)境中不會發(fā)生飛行軌跡偏移的問題。從測試結(jié)果看，穩(wěn)定性較好的竹蜻蜓從比例上看，螺旋槳葉片的跨度與軸桿的長度接近等比，螺旋槳兩側(cè)的葉片曲線呈軸對稱且葉面的阻力面積適中，即阻力面積、旋轉(zhuǎn)力越大，升得越高。

3.橡筋動力飛機(jī)

飛機(jī)模型相當(dāng)于將此前的陀螺與竹蜻蜓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)集于一身，除了滿足機(jī)身與橡筋拉力線保持水平、螺旋槳軸對稱要求和足夠的轉(zhuǎn)動時間，還需要通過觀察鳥類滑翔中的羽翼狀態(tài)，以及現(xiàn)有民航客機(jī)或戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼、尾翼的橫截面，飛機(jī)所需的升力在模型制作中如何實(shí)現(xiàn)。在測試前會經(jīng)過3次試驗(yàn)：

（1）如圖3所示，在橡筋動力飛機(jī)機(jī)翼自由落體軌跡示意圖中，將整體打磨完成的機(jī)翼沿前端方向進(jìn)行垂直俯沖試驗(yàn)，如果在半空中劃出拋物線并能夠平穩(wěn)落向地面，可判斷機(jī)翼基本具備升力條件；

（2）在橡筋動力飛機(jī)制作示意圖中，長木條作為機(jī)身骨架，另外木條裁成小塊作為墊片，前端墊片粘貼上油筆芯銜接螺旋槳，并纏繞尼龍線加以固定，而后將大頭釘或鐵絲用尖嘴鉗加工成一對掛鉤，一個用來連接螺旋槳，另一個在機(jī)身尾部用來連接橡筋。當(dāng)逆時針旋轉(zhuǎn)螺旋槳帶動橡筋為其進(jìn)行蓄力，釋放時螺旋槳后部有風(fēng)力，可判斷模型飛機(jī)已達(dá)到動力要求；

（3）在粘貼機(jī)翼前要確定其在機(jī)身骨架上部的位置以找到平衡的重心，如果過于靠前會使飛機(jī)重心前移，容易造成“頭重腳輕”的問題；如果過于靠后會使飛機(jī)重心后移，則會造成升力不足、機(jī)身尾部提前著地的問題；另外需要注意機(jī)翼與尾翼的位置關(guān)系，大部分飛機(jī)的機(jī)翼和尾翼不會在一條直線上，否則會互相干擾氣流分布、影響飛行效率，畢竟兩者要“各司其職”。最終飛機(jī)的測試結(jié)果顯示成功率可達(dá)到百分之80%以上，如圖4所示，學(xué)生制作的飛機(jī)樣式各有特點(diǎn)，已達(dá)到產(chǎn)品仿生設(shè)計(jì)的實(shí)踐要求。

五、結(jié)語

近年來耦合仿生學(xué)成為仿生學(xué)的生力軍，生物耦合現(xiàn)象和相似性為仿生模本、仿生模擬的多元性提出了更高要求，也有利于藝術(shù)院校的產(chǎn)品仿生設(shè)計(jì)由藝術(shù)走向文理融合，既能促進(jìn)設(shè)計(jì)思維不斷走向現(xiàn)實(shí)，又能在模型制作過程中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。當(dāng)然，本次仿生設(shè)計(jì)課程仍有較大的提升空間，隨著對耦合仿生學(xué)研究的不斷深入，也需要與該領(lǐng)域的國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行交流，讓學(xué)生對耦合仿生學(xué)有更深層的了解，后期將繼續(xù)擴(kuò)大仿生相似性的應(yīng)用范圍以及對生物耦合潛力的發(fā)掘，以保證后續(xù)課程設(shè)計(jì)的持續(xù)性。

注釋：

①任露泉，梁云虹.耦合仿生學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2018.