仿生設(shè)計(jì)在汽車造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

虞澤熔　任鐘鳴

摘要：汽車作為大宗消費(fèi)品，其造型設(shè)計(jì)直接影響著消費(fèi)者的購(gòu)買決策和汽車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。仿生設(shè)計(jì)作為一種大眾熟知的設(shè)計(jì)理念，可以為汽車設(shè)計(jì)創(chuàng)新提供靈感和思路，進(jìn)而提升汽車的附加值和競(jìng)爭(zhēng)力，提升汽車品牌的形象和影響力，因此被諸多汽車造型設(shè)計(jì)師在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用。文章重點(diǎn)探討仿生設(shè)計(jì)在汽車造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，首先全面回顧仿生設(shè)計(jì)應(yīng)用在汽車造型設(shè)計(jì)領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)和研究成果，包括但不限于其歷史背景、原理、現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)等。其次，通過(guò)剖析國(guó)內(nèi)外幾個(gè)經(jīng)典的仿生設(shè)計(jì)案例，從形式與功能、色彩與肌理兩個(gè)方向介紹仿生設(shè)計(jì)在汽車造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并從多個(gè)層面探討仿生設(shè)計(jì)在汽車造型設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用流程和操作技巧。最后，基于上述研究，針對(duì)汽車造型設(shè)計(jì)師尤其是在校研究人員對(duì)仿生設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用提出幾點(diǎn)建議，以期為汽車品牌制造商、設(shè)計(jì)從業(yè)人員及相關(guān)專業(yè)的學(xué)生提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：仿生設(shè)計(jì)；汽車；造型設(shè)計(jì)；流線型

中圖分類號(hào)：U462 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2023）18-0-03

1 仿生設(shè)計(jì)應(yīng)用在汽車造型設(shè)計(jì)中的相關(guān)研究

1.1 仿生設(shè)計(jì)和汽車造型設(shè)計(jì)

仿生設(shè)計(jì)是一種基于生命科學(xué)的設(shè)計(jì)概念。其靈感來(lái)源于自然界，以自然界物體為藍(lán)本，通過(guò)研究和模擬其形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、色彩及微觀肌理等，運(yùn)用到設(shè)計(jì)的研發(fā)創(chuàng)新和優(yōu)化迭代上。核心理念是通過(guò)深入了解自然、學(xué)習(xí)自然，在工程、建筑、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域應(yīng)用自然原理和機(jī)制，以達(dá)到更加節(jié)能、高效、環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展目的。汽車造型設(shè)計(jì)是指在滿足汽車安全性、美觀性、空氣動(dòng)力學(xué)性能等條件下，對(duì)汽車車身的外在形態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程［1］，是藝術(shù)設(shè)計(jì)與工程技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，不僅需要手繪配色、等比例模型雕刻等藝術(shù)設(shè)計(jì)技能，更涉及工藝水平、材料選擇、制造安裝等方面的工程技術(shù)。從設(shè)計(jì)目的和知識(shí)結(jié)構(gòu)的層面看，兩者比較契合。理論上，仿生設(shè)計(jì)能夠?yàn)槠囋O(shè)計(jì)師提供合理的理論依據(jù)和設(shè)計(jì)方法。

1.2 仿生設(shè)計(jì)應(yīng)用在汽車造型設(shè)計(jì)中的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

汽車造型設(shè)計(jì)的專業(yè)性、復(fù)雜性強(qiáng)，加之國(guó)內(nèi)汽車造型設(shè)計(jì)研究起步較國(guó)外稍晚，因此我國(guó)關(guān)于仿生設(shè)計(jì)應(yīng)用于汽車造型的專業(yè)書(shū)籍和文獻(xiàn)有限。李卓森的《現(xiàn)代汽車造型》、嚴(yán)揚(yáng)的《汽車造型設(shè)計(jì)概論》、李光亮和金純主編的《汽車造型設(shè)計(jì)》等，都是通過(guò)單獨(dú)章節(jié)概述性地講解汽車造型仿生設(shè)計(jì)方法和流程。蔡江宇和王金玲主編的《仿生設(shè)計(jì)研究》、孫寧娜主編的《仿生設(shè)計(jì)》雖然都系統(tǒng)性地闡述了仿生設(shè)計(jì)的基本理論、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，借助仿生設(shè)計(jì)個(gè)案深入淺出地剖析了仿生設(shè)計(jì)方法與流程，但對(duì)汽車造型仿生板塊只用了少量筆墨交代。同時(shí)，知網(wǎng)中大部分藝術(shù)類相關(guān)文獻(xiàn)的研究?jī)?nèi)容僅針對(duì)車身造型開(kāi)展形態(tài)仿生設(shè)計(jì)研究，且只是直接復(fù)制模仿生物原型的外觀特征。

在實(shí)際應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)近些年以動(dòng)物為靈感來(lái)源的案例層出不窮，比如長(zhǎng)城旗下的歐拉“貓”系列、比亞迪基于e平臺(tái)研發(fā)的“海洋生物”系列、注重越野體驗(yàn)的哈弗大狗、榮威推出的“龍貓”和“鯨”系列等，都是直接以動(dòng)物命名的車型。與2008年以熊貓為原型進(jìn)行形態(tài)仿生設(shè)計(jì)的吉利熊貓不同，僅從外觀看，上述車型與生物原型的聯(lián)系似乎并不緊密，準(zhǔn)確地說(shuō)是一種以生物原型為符號(hào)對(duì)象，滿足用戶意象需求的情感仿生設(shè)計(jì)。此外，從仿生對(duì)象可以看出，國(guó)內(nèi)汽車設(shè)計(jì)師已經(jīng)有了迎合女性用戶群體的意識(shí)，并且開(kāi)始出現(xiàn)女性設(shè)計(jì)師主導(dǎo)設(shè)計(jì)、女性用戶合作共創(chuàng)的趨勢(shì)，這是“她經(jīng)濟(jì)”輻射到汽車行業(yè)的必然結(jié)果，雖然可能只是品牌方的一種獲客方式。

1.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外仿生設(shè)計(jì)的歷史可以追溯到公元前4世紀(jì)，當(dāng)時(shí)的古希臘哲學(xué)家亞里士多德提出了“四因說(shuō)”，其認(rèn)為藝術(shù)家模仿自然，自然是質(zhì)料因，作品的存在方式或狀態(tài)是形式因，藝術(shù)家是動(dòng)力因，模仿活動(dòng)就是創(chuàng)造活動(dòng)，即設(shè)計(jì)過(guò)程。但直到20世紀(jì)50年代，“仿生學(xué)”的概念才被提出。1960年，俄亥俄州召開(kāi)了首屆仿生學(xué)研討會(huì)，正式定義仿生學(xué)：對(duì)自然界生命體的原理進(jìn)行研究與模仿，為解決人類生活難題提供新的技術(shù)或理論支撐的學(xué)科。自此，仿生設(shè)計(jì)概念逐漸被推廣并應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。早在仿生學(xué)概念被確定之前，汽車造型設(shè)計(jì)師就已經(jīng)建立起了較為成熟的仿生設(shè)計(jì)體系并付諸實(shí)踐，且值得注意的是，國(guó)外汽車造型的仿生設(shè)計(jì)與空氣動(dòng)力學(xué)以及流線型設(shè)計(jì)密不可分。20世紀(jì)20年代，一戰(zhàn)后的西方國(guó)家科技及工業(yè)化進(jìn)步迅速，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展催生了以自然界感性曲線為核心的藝術(shù)流派——裝飾派藝術(shù)，并影響了汽車行業(yè)。加之一戰(zhàn)、二戰(zhàn)爆發(fā)期間航空技術(shù)軍用轉(zhuǎn)向民用和經(jīng)濟(jì)蕭條，急需別樣的汽車造型設(shè)計(jì)作為賣點(diǎn)吸引顧客，共同促成了模仿自然曲線的流線型汽車的產(chǎn)生。

1914年，Castagna汽車公司以A.L.F.A 40-60 HP底

盤(pán)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一款名為“Aerodinamica”的轎車，這是有據(jù)可考的第一款流線型轎車。低阻化的造型設(shè)計(jì)使其最高時(shí)速達(dá)到139 km/h，但因仿水滴狀的封閉車身無(wú)法將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量和噪聲排出，所以乘坐的舒適性極差。一戰(zhàn)結(jié)束后，大量原本從事飛行器設(shè)計(jì)的工程師涌入汽車設(shè)計(jì)行業(yè)，帶動(dòng)了新一輪汽車設(shè)計(jì)熱潮，仿生學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)更是大規(guī)模地應(yīng)用在汽車造型設(shè)計(jì)上。

1921年9月，奧地利飛機(jī)工程師埃德蒙德·蘭普勒（Edmund Rumpler）設(shè)計(jì)的水滴車在柏林車展上亮相，其結(jié)構(gòu)布局與Castagna大不相同，蘭普勒并沒(méi)有使用回轉(zhuǎn)體式的水滴型車身，而是選擇了介于馬車構(gòu)型與水滴型之間的翼型車身?？梢哉f(shuō)，“Tropfenwagen”是歷史上首款運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的量產(chǎn)車型，其在大眾的風(fēng)洞基地測(cè)得風(fēng)阻系數(shù)僅為0.28。

蘭普勒推出水滴車的同時(shí)，奧地利設(shè)計(jì)師保羅·加雷（Paul Jaray）在德國(guó)腓特烈斯哈芬的風(fēng)洞中對(duì)不同構(gòu)型的幾何形體進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)幾何體離地間隙越小，其風(fēng)阻越大。與飛機(jī)不同，受地面影響，上下對(duì)稱的形體，其流場(chǎng)并不對(duì)稱，這導(dǎo)致車身后端上表面氣流分離產(chǎn)生較大的真空區(qū)，繼而形成逆向壓力梯度，因此當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)師普遍認(rèn)為的低風(fēng)阻水滴型車身其實(shí)并不是最理想的汽車形體。通過(guò)研究車身構(gòu)型和地面效應(yīng)，加雷提出了一種組合式的翼型車身，由類似機(jī)翼的底層部分和類似飛艇“吊艙”的上層部分組成，整體呈流線型。這個(gè)設(shè)計(jì)概念影響了眾多品牌，寶馬、奔馳、歐寶、標(biāo)致、菲亞特、邁巴赫、克萊斯勒等都相繼推出流線造型的量產(chǎn)車或概念車。

1931年，奧地利工程師漢斯·雷德溫卡（Hans Ledwinka）在保羅·加雷的協(xié)助下將流線型引入其設(shè)計(jì)的Tatra V570概念車，而在德國(guó)入侵捷克后，大眾攫取了該車所有的知識(shí)產(chǎn)權(quán)（包括Tatra T77和T87等），并使用在了Ferdinand Porsche設(shè)計(jì)的KdF-Wagen上，即大眾甲殼蟲(chóng)的原型車。因此從時(shí)間節(jié)點(diǎn)看，大眾甲殼蟲(chóng)的車身造型更多借鑒了20世紀(jì)30年代初諸多使用流線型設(shè)計(jì)的車型，而不是大眾普遍認(rèn)知中的所謂效仿甲殼蟲(chóng)自然形態(tài)特征和結(jié)構(gòu)。

在流線型設(shè)計(jì)風(fēng)潮的推動(dòng)下，出現(xiàn)了兩個(gè)極端車型——T150C和Schl?rwagen。前者是法國(guó)流線型設(shè)計(jì)的代表作，其優(yōu)美的車身曲線和姿態(tài)顛覆了20世紀(jì)20年代形式追隨功能的設(shè)計(jì)理念。后者別稱“哥廷根之蛋”，車身外殼造型完全是一滴沿壁下滑的水珠，將四個(gè)輪組都包裹在內(nèi)，理想的空氣動(dòng)力學(xué)外形使其擁有0.186的風(fēng)阻系數(shù)，是低風(fēng)阻設(shè)計(jì)的登峰造極者。

20世紀(jì)二三十年代是世界汽車工業(yè)第一個(gè)發(fā)展巔峰，雖然該時(shí)期經(jīng)濟(jì)蕭條，但汽車造型設(shè)計(jì)天馬行空，且設(shè)計(jì)思想影響深遠(yuǎn)。直到二戰(zhàn)后，北美和歐洲汽車造型風(fēng)格歧化，又在70年代遭遇石油危機(jī)和政策收緊，到如今更加注重實(shí)用、高效的車型占據(jù)市場(chǎng)主流，車身造型趨于統(tǒng)一，缺乏個(gè)性和創(chuàng)意。

2 仿生設(shè)計(jì)在汽車造型設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

仿生設(shè)計(jì)是通過(guò)研究和模擬生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、色彩及微觀肌理，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新研發(fā)?；谏锾卣髡J(rèn)知層次和產(chǎn)品構(gòu)成要素的關(guān)聯(lián)性［2］，汽車造型設(shè)計(jì)對(duì)仿生設(shè)計(jì)的應(yīng)用主要可分為兩大方向：形式與功能（形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能）、色紋（色彩和肌理）。不管是自然界的事物還是人工制品，其形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能都相互統(tǒng)一、相互作用，結(jié)構(gòu)是形態(tài)的基礎(chǔ)，形態(tài)是結(jié)構(gòu)的外顯，大多數(shù)情況下結(jié)構(gòu)決定功能，功能映射結(jié)構(gòu)；色紋指事物具備的色彩與肌理，對(duì)應(yīng)汽車造型設(shè)計(jì)中的CMF設(shè)計(jì)，即顏色、材質(zhì)紋理以及處理工藝。

2.1 形態(tài)、結(jié)構(gòu)與功能仿生設(shè)計(jì)應(yīng)用

汽車作為商品，需要用造型美感打動(dòng)消費(fèi)者，使其產(chǎn)生購(gòu)買欲望或加深印象。自然界的事物經(jīng)過(guò)千百萬(wàn)年演變固化后的形態(tài)具備天然美，這種美是客觀的、合理的。因此，形態(tài)仿生設(shè)計(jì)通過(guò)模仿其外部形態(tài)特征并應(yīng)用到汽車造型設(shè)計(jì)中，能夠直觀地增強(qiáng)車輛造型的美感。形態(tài)仿生一般有具象仿生和抽象仿生兩種形式。在實(shí)際運(yùn)用中，由于汽車造型的復(fù)雜性，直接模仿某種生物的外部形態(tài)存在一定的困難，所以通常選擇抽象提煉，概括出生物原型的形態(tài)特征，再將其運(yùn)用到設(shè)計(jì)中。例如，保時(shí)捷經(jīng)典的青蛙前臉和鴨尾就是抓住蛙眼外凸和鴨子尾羽曲線的特征，保持野性的同時(shí)帶有些許俏皮感，讓人感覺(jué)生動(dòng)可愛(ài)，這也成為保時(shí)捷汽車的家族基因。同時(shí)，鴨尾造型還具備空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，可以減少車輛尾部的升力。

汽車造型不能僅停留在外觀模仿上，作為交通工具，更需滿足用戶對(duì)功能的需求。生物的形態(tài)和結(jié)構(gòu)是自然選擇和進(jìn)化的結(jié)果，而外在形態(tài)和內(nèi)在結(jié)構(gòu)共同決定了生物賴以生存的功能。通過(guò)需求分析，對(duì)汽車和生物的功能進(jìn)行雙向匹配，建立關(guān)聯(lián)，觀察和分析生物實(shí)現(xiàn)某種功能的條件和機(jī)制，并將其還原或優(yōu)化后移植到汽車造型設(shè)計(jì)中。例如，車身需要減輕重量、降低風(fēng)阻，還要保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有一定的強(qiáng)度。奔馳Bionic概念車的工程師就通過(guò)篩選自然界的大量生物，找到了擁有理想空氣動(dòng)力學(xué)外形的箱鲀作為仿生樣本。其按照魚(yú)身制作1︰1模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究分析其外形低阻化的原理。根據(jù)魚(yú)身流線設(shè)計(jì)出仿生原型，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)和迭代，最后得到了風(fēng)阻系數(shù)僅為0.19的實(shí)用緊湊型車身。并且其在車身基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真建模將車身和地盤(pán)以一種“軟清除”的方式優(yōu)化，即有選擇地將零件應(yīng)力較小部位的材料清除，對(duì)高荷載部位進(jìn)行加固，生成輕量化、高強(qiáng)度的網(wǎng)狀鏤空結(jié)構(gòu)。這是對(duì)生物骨骼結(jié)構(gòu)的仿生運(yùn)用，將生物的生長(zhǎng)機(jī)制移植到工業(yè)制造中。

2.2 色彩與肌理仿生設(shè)計(jì)應(yīng)用

色紋指的是色彩和肌理，對(duì)應(yīng)產(chǎn)品外表的顏色和紋理、材質(zhì)以及表面處理工藝，通常來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品外在表現(xiàn)形式會(huì)首先被用戶感知，其次才是產(chǎn)品的功能體驗(yàn)和文化內(nèi)涵。運(yùn)用色彩與肌理仿生設(shè)計(jì)能提升汽車外觀的吸引力，刺激感性用戶的消費(fèi)欲望。例如，孔雀求偶展開(kāi)尾羽時(shí)會(huì)自主調(diào)控羽小支皮層的排列結(jié)構(gòu)，周期結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象能夠形成特定波長(zhǎng)的可見(jiàn)光顏色。這種結(jié)構(gòu)色具備色素色達(dá)不到的色彩明度及飽和度，將其運(yùn)用到車漆和燈飾上可以增強(qiáng)汽車的差異性，且不易氧化褪色的特性能夠延長(zhǎng)產(chǎn)品的生命周期。自然界生物表面肌理的微觀結(jié)構(gòu)具備優(yōu)異的性能：荷葉、水黽腿表面的納米結(jié)構(gòu)使其擁有阻礙水滴浸潤(rùn)的超疏水性，可用于汽車車窗玻璃和后視鏡等表面自清潔設(shè)計(jì)；河豚體表的刺狀結(jié)構(gòu)和鯊魚(yú)盾鱗的肋條結(jié)構(gòu)都具有減阻效果［3］，可作用于汽車表面減少風(fēng)阻、降低能耗等。

3 仿生設(shè)計(jì)在汽車造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用原則

3.1 注意取舍

在進(jìn)行形態(tài)仿生設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)生物原始形態(tài)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，并采用適當(dāng)?shù)膱D形語(yǔ)言將其融入汽車造型設(shè)計(jì)，表達(dá)生物造型特征。該過(guò)程應(yīng)當(dāng)保留生物形態(tài)特點(diǎn)，舍去部分細(xì)節(jié)，切忌照搬照抄。針對(duì)造型特征的認(rèn)知分析、提取、簡(jiǎn)化等流程中可能造成的信息失真問(wèn)題，可使用層次分析法、形狀文法、深度學(xué)習(xí)等相關(guān)理性工學(xué)方法，對(duì)生物形態(tài)向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)加以約束，為后續(xù)操作提供正確的設(shè)計(jì)信息輸入。

3.2 回歸功能

應(yīng)用仿生設(shè)計(jì)時(shí)，需貫徹形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能統(tǒng)一原則，平衡美學(xué)和實(shí)用性之間的關(guān)系，另外，需注重不同用戶層次的功能需求，優(yōu)化用戶體驗(yàn)［4］。

3.3 重視實(shí)驗(yàn)

在汽車造型設(shè)計(jì)中，原型試驗(yàn)是應(yīng)用仿生設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。仿生設(shè)計(jì)需要在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)和反饋，可以幫助設(shè)計(jì)師得出更加有效和科學(xué)的結(jié)論和方法。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要探究了仿生設(shè)計(jì)在汽車造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)一些典型設(shè)計(jì)案例的分析，探討了仿生設(shè)計(jì)的具體應(yīng)用方法和操作技巧，并在此基礎(chǔ)上提出了相關(guān)建議和注意事項(xiàng)?？傊?，將仿生設(shè)計(jì)應(yīng)用在汽車造型設(shè)計(jì)中是一種有效的方法，可以為汽車造型設(shè)計(jì)提供靈感和參考，通過(guò)研究各種生物，將其原理機(jī)制與汽車設(shè)計(jì)相結(jié)合，從功能出發(fā)兼顧美學(xué)要素，提升汽車的審美性、安全性、舒適性、能源經(jīng)濟(jì)性等。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：虞澤熔（1998—），男，浙江舟山人，碩士在讀，研究方向：產(chǎn)品造型藝術(shù)與應(yīng)用實(shí)踐。

任鐘鳴（1985—），男，山東聊城人，博士，副教授，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)。