基于形態(tài)仿生的游艇外觀設(shè)計(jì)

王瑤 周立師

（1、山東交通學(xué)院船舶與港口工程學(xué)院，山東威海 264200 2、招商局金陵船舶（威海）有限公司，山東威海 264200）

當(dāng)今游艇業(yè)被人們稱為“漂浮在黃金水道上的巨大商機(jī)”，可謂是新時代的朝陽產(chǎn)業(yè)。與西歐國家相比，我國的游艇行業(yè)尚處于初級階段，卻具有極為廣闊的發(fā)展前景。一方面，從地理?xiàng)l件來說，我國的水域資源十分豐富，是世界上河流最多的國家之一，且其中流域面積超過1000 平方千米的河流就有1500 多條。此外，我國的海岸線長達(dá)1.8 萬多公里，如果加上5000 多座大小島嶼的海岸線，總長3.2 萬多公里。另一方面，國家對于游艇業(yè)的發(fā)展有很多利好政策。例如，《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)全國海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十二五”規(guī)劃的通知》中明確提出“建設(shè)游艇基地，規(guī)范游艇市場秩序，發(fā)展以游艇和帆船為主體的海上運(yùn)動休閑旅游”。

目前，我國游艇業(yè)在沿海發(fā)達(dá)地區(qū)蓬勃發(fā)展，但在設(shè)計(jì)能力、制造工藝、總裝調(diào)試等方面與先進(jìn)的國際游艇產(chǎn)業(yè)都有一定的距離。其中，游艇外觀造型設(shè)計(jì)和內(nèi)裝設(shè)計(jì)的差距尤其明顯。國內(nèi)有不少游艇企業(yè)都存在模仿國外游艇設(shè)計(jì)的現(xiàn)象，也有很多企業(yè)在做貼牌或者代理，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的游艇企業(yè)很少。即使是自主品牌，在國際市場上，國內(nèi)游艇企業(yè)也缺乏核心競爭力[1]。

1 游艇仿生設(shè)計(jì)的研究意義

游艇是一種由功能、形態(tài)、結(jié)構(gòu)、色彩、材質(zhì)、工藝等要素構(gòu)成的工業(yè)產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)涉及到科技、文化、藝術(shù)等多個層面。在游艇設(shè)計(jì)方面，國內(nèi)游艇相較于國外游艇的不足之一是造型單一、乏味、缺少美感和創(chuàng)意，造成這種結(jié)果的原因是多方面的。首先，為了降低生產(chǎn)成本，國內(nèi)很多游艇企業(yè)都是使用單一重復(fù)的模具，而不主動研發(fā)新的造型。其次，國內(nèi)的游艇設(shè)計(jì)人員基本大部分都是工科專業(yè)畢業(yè)，美學(xué)素養(yǎng)不高。此外，國內(nèi)游艇設(shè)計(jì)人員也存在缺乏創(chuàng)新意識、不了解創(chuàng)新方法的問題。

在這種研發(fā)環(huán)境下，國內(nèi)批量化、缺乏辨識度、缺乏創(chuàng)意的產(chǎn)品，在被歸為奢侈品的高端游艇市場中顯然不具備競爭力。想要改變這種現(xiàn)狀，游艇的創(chuàng)新設(shè)計(jì)必須得到重視。而仿生設(shè)計(jì)作為現(xiàn)代創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法之一，綜合了“生態(tài)學(xué)”、“仿生學(xué)”等相關(guān)學(xué)科的概念和研究成果，已經(jīng)發(fā)展成為創(chuàng)建人與自然的和諧關(guān)系、改進(jìn)人類生活方式的一個重要途徑和研究方向。人們已經(jīng)認(rèn)識到自然生物蘊(yùn)涵的各種啟示是人類科學(xué)技術(shù)前進(jìn)與創(chuàng)新的源泉。雖然不同的學(xué)科和領(lǐng)域?qū)ψ匀簧锏难芯亢屠玫慕嵌炔煌?，研究、?yīng)用的方法和內(nèi)容也各有側(cè)重，但仿生設(shè)計(jì)的基本核心有其相通性，仿生設(shè)計(jì)也成為了工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的重要手段，是重要而有效的設(shè)計(jì)發(fā)想的方法之一[2]。

將仿生設(shè)計(jì)與游艇外觀設(shè)計(jì)相結(jié)合，通過對自然生物的模仿，可以激發(fā)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)靈感，設(shè)計(jì)出創(chuàng)造性的獨(dú)特產(chǎn)品。在另一方面，經(jīng)過漫長進(jìn)化檢驗(yàn)、優(yōu)勝劣汰后的各種生物體的曲面形態(tài)，在某些方面具有遠(yuǎn)勝于人工產(chǎn)品的效能。同時，生物在其進(jìn)化過程中逐漸形成了符合形式美法則的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和色彩。對自然生物的模擬、分析、研究，有利于獲得性能優(yōu)良且形態(tài)優(yōu)美的艇型。

2 基于形態(tài)仿生的游艇外觀設(shè)計(jì)方法和流程

仿生設(shè)計(jì)是建立在模擬生物系統(tǒng)的功能、形態(tài)、結(jié)構(gòu)、色彩等特征的基礎(chǔ)上，進(jìn)行的創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)。其研究及應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，其研究內(nèi)容可以從不同的角度產(chǎn)生不同的方向。基于生物特征認(rèn)知與產(chǎn)品的相關(guān)性，大體可以總結(jié)歸納為仿生物形態(tài)的設(shè)計(jì)、仿生物表面肌理的設(shè)計(jì)、仿生物功能的設(shè)計(jì)、仿生物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、仿生物色彩的設(shè)計(jì)等等。在以上研究方向中，仿生物形態(tài)的設(shè)計(jì)，即形態(tài)仿生設(shè)計(jì)，是目前使用較多的設(shè)計(jì)方法。

形態(tài)仿生設(shè)計(jì)是以自然生物體為參照來進(jìn)行創(chuàng)造，在對自然生物體，包括動物、植物、微生物等所具有的典型外部形態(tài)的認(rèn)知基礎(chǔ)上，尋求對產(chǎn)品形態(tài)的突破與創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法。簡而言之，形態(tài)仿生設(shè)計(jì)主要是針對生物外部形態(tài)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。在游艇形態(tài)仿生設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師需要對仿生對象的外部形態(tài)進(jìn)行識別、研究并提取特征，建立仿生對象和游艇之間的對應(yīng)和聯(lián)系。在設(shè)計(jì)過程中要把握仿生對象和游艇之間的相關(guān)性，運(yùn)用相似、對比、推理等多種方法的聯(lián)想從而得到游艇形態(tài)設(shè)計(jì)方案。游艇形態(tài)仿生設(shè)計(jì)絕不是毫無目的的進(jìn)行復(fù)制，而是有選擇性的進(jìn)行特征提取，且提取出來的特征通常是抽象的、簡化的、概括的，往往需要經(jīng)過一個較為復(fù)雜的分析過程，其設(shè)計(jì)流程可以概括如圖1 所示[3]。

圖1 游艇形態(tài)仿生設(shè)計(jì)流程

2.1 對游艇設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行分析

首先，可以采用問卷、訪談等調(diào)研方法進(jìn)行資料搜集，明確游艇研發(fā)的目標(biāo)，得出初步的游艇設(shè)計(jì)任務(wù)。至少要確定所要設(shè)計(jì)的目標(biāo)游艇的功能要求、尺度范圍、設(shè)計(jì)定位、使用環(huán)境等內(nèi)容。這個階段是整個設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)階段，應(yīng)該盡可能清晰明確，這樣才能對整個仿生設(shè)計(jì)過程起到指導(dǎo)作用。

2.2 根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)選擇仿生對象

明確設(shè)計(jì)任務(wù)后，以游艇的設(shè)計(jì)定位、功能要求等信息為選取仿生對象的參照，從自然生物中選擇符合設(shè)計(jì)要求的生物形態(tài)。需要注意的是，形態(tài)仿生設(shè)計(jì)中可以模仿某一個生物體或者某一類物種的形態(tài)，也可以模仿數(shù)個或數(shù)類生物的共同形態(tài)特征。因此，在選擇仿生對象時，可以不局限于一個生物體或者一類生物體。

2.3 分析仿生物特征并進(jìn)行提取

選定仿生對象后，應(yīng)該通過仔細(xì)觀察、分析來認(rèn)知生物形態(tài)，總結(jié)仿生對象的共性規(guī)律和個性特征。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)游艇的設(shè)計(jì)要求，選擇貼合仿生對象本質(zhì)特征，同時又符合游艇設(shè)計(jì)要求的生物形態(tài)特征。

2.4 仿生物特征簡化及演變

初步提取的仿生物特征是一種自然形態(tài)，通常不能在游艇外觀設(shè)計(jì)中直接應(yīng)用，設(shè)計(jì)師需要在保留仿生物本質(zhì)特征的前提下進(jìn)行一定的簡化或抽象處理。之后再將簡化和演變后的形態(tài)應(yīng)用于游艇設(shè)計(jì)構(gòu)思之中，得到游艇外觀設(shè)計(jì)的初步方案。

2.5 基于三維仿真驗(yàn)證方案可行性

得到游艇造型的初步方案后，應(yīng)該基于合適的仿真軟件進(jìn)行進(jìn)行三維建模仿真，將仿生原型和游艇的造型特征進(jìn)行對比，對形態(tài)仿生設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和評價，驗(yàn)證形態(tài)特征模仿的可行性和有效性。

3 從仿生對象到游艇外觀設(shè)計(jì)——Mobulidae001

下面，筆者將通過對一款概念游艇Mobulidae001 形態(tài)仿生設(shè)計(jì)過程的解析，進(jìn)一步分析游艇形態(tài)仿生設(shè)計(jì)的具體操作流程，驗(yàn)證其可行性。首先，需要對目標(biāo)游艇進(jìn)行設(shè)計(jì)任務(wù)分析和設(shè)計(jì)定位。目標(biāo)游艇的設(shè)計(jì)任務(wù)是研發(fā)一款造型新穎、具有較大甲板面積、休閑娛樂用的大型游艇。

基于上述設(shè)計(jì)要求，筆者選擇了蝠鲼作為仿生原型。蝠鲼是軟骨魚綱、蝠鲼科幾種海產(chǎn)屬魚類的統(tǒng)稱，在海洋中已有1 億年歷史，是原始魚類的代表。其形態(tài)特征是身體扁平寬大，體長能夠輕松突破七米。蝠鲼的胸鰭肥厚如翼狀，頭前有胸鰭分化出的兩個突出的頭鰭，位于頭的兩側(cè)，尾細(xì)長如鞭，有一個小型的背鰭。蝠鲼的口長在頭前部，上額無齒，下顆只有許多小小的牙齒。

蝠鲼算是海洋中體積非常大的一種魚類的，其生物形態(tài)特征非常目標(biāo)游艇的大甲板面積的設(shè)計(jì)要求。同時，蝠鲼是海洋館中常見的海洋生物，和飼養(yǎng)員互動積極，對人類非常友善。它們在水中游曳的姿態(tài)平緩、優(yōu)雅，如同在水中飛翔一樣，給人一種自由、親切、閑適的心理感受，非常貼合目標(biāo)游艇的形象。

在特征提取時，以目標(biāo)游艇的設(shè)計(jì)要求為指導(dǎo)原則，筆者提取了6 個生物形態(tài)特征，經(jīng)過簡化和抽象后言表為了游艇的造型特征，如圖2 所示。形態(tài)特征提取及轉(zhuǎn)化分析如下：

圖2 游艇Mobulidae001 造型特征與蝠鲼形態(tài)特征對比

a. 提取蝠鲼頭鰭的特征形態(tài)，轉(zhuǎn)化為游艇兩側(cè)片體的輪廓線；

b. 提取蝠鲼胸鰭的翼狀形態(tài)，轉(zhuǎn)化為游艇甲板邊線輪廓線；

c. 提取蝠鲼細(xì)長的尾部形態(tài)，轉(zhuǎn)化為游艇尾部露天觀景區(qū)域的甲板輪廓線；

d. 提取蝠鲼眼部形態(tài)，轉(zhuǎn)化為游艇舷側(cè)的裝飾圖案；

e. 提取蝠鲼腹部的特征形態(tài)，轉(zhuǎn)化為游艇舷側(cè)的裝飾圖案；

f. 提取蝠鲼頭部的口腔形態(tài)，轉(zhuǎn)化為開放式游艇上層建筑首端開口的輪廓線。

明確造型方案后，筆者通過Rhino 軟件完成了游艇Mobulidae001 的三維仿真和渲染，得到了最終的游艇效果圖，如圖2 所示。最終的設(shè)計(jì)成果還進(jìn)行了外觀專利的申請（申請?zhí)枺?02130585131.1）。

4 結(jié)論

通過游艇Mobulidae001 仿真模型和蝠鲼原型的對比，可以直觀的看到二者之間的關(guān)聯(lián)性。經(jīng)過驗(yàn)證，按照本文提出的設(shè)計(jì)方法和流程，可以成功的完成游艇的形態(tài)仿生設(shè)計(jì)。從古至今，人類的發(fā)展過程就是一個對自然不斷探索和模仿的過程，形態(tài)仿生設(shè)計(jì)必將在未來游艇外觀設(shè)計(jì)中成為重要的設(shè)計(jì)方法之一。