仿生設計的現代工業(yè)設計的應用前景論文
摘要：仿生設計是工業(yè)設計中非常重要的一種設計方法和設計思維。本文指出了仿生設計對現代工業(yè)設計的重要價(jià)值，歸納出現代工業(yè)設計中仿生設計的主要應用方式，包括形態(tài)、功能、結構、色彩、肌理等，并提出了仿生設計在工業(yè)設計中的應用前景。
關(guān)鍵詞：仿生設計；工業(yè)設計；設計方法；仿生學(xué)
自然之美是設計之源，仿生設計自古有之。從學(xué)科上來(lái)講，仿生設計也稱(chēng)為設計仿生學(xué)，是在仿生學(xué)和設計學(xué)基礎上發(fā)展起來(lái)的綜合性交叉學(xué)科。其研究范圍涉及生物學(xué)、數學(xué)、材料學(xué)、人機學(xué)、色彩學(xué)、美學(xué)、工程學(xué)等諸多學(xué)科。仿生設計因其獨特的價(jià)值，在現代工業(yè)設計中不僅非常常見(jiàn)而且應用廣泛，對工業(yè)設計的發(fā)展和設計價(jià)值的實(shí)現發(fā)揮著(zhù)重要的作用。
一、仿生設計對現代工業(yè)設計的主要價(jià)值
仿生設計并不是對自然對象形態(tài)的簡(jiǎn)單模仿，而是根據一定的目標，經(jīng)過(guò)復雜的觀(guān)察研究和設計技術(shù)，為工業(yè)設計提供一種有價(jià)值的解決思路和設計方案的過(guò)程。它對工業(yè)設計至少有如下幾種價(jià)值：第一，豐富設計造型，提供更多設計選擇。地球有豐富多彩的自然形態(tài)，自然中的形態(tài)、結構、功能、色彩、肌理都可以成為仿生學(xué)和仿生設計的對象，為工業(yè)設計提供無(wú)窮的思路和方案。第二、優(yōu)化產(chǎn)品功能結構，節省設計成本。仿生設計通過(guò)對符合設計目標對象的研究，能夠為設計找到一條便捷而方向準確的道路，不僅能夠獲得最優(yōu)化的設計方案，還能大大節約設計研發(fā)的時(shí)間、資金、技術(shù)等成本。第三、增加產(chǎn)品情趣，提升產(chǎn)品附加值。仿生不僅高效地滿(mǎn)足設計對功能的需要，還能因為仿生具有的形態(tài)或交互趣味，增加設計的附加值[1]。美國社會(huì )未來(lái)學(xué)家約翰奈斯比提出：“無(wú)論何處，人都需要補償性的高情感，這種補償的高情感尤其體現在當今社會(huì )，社會(huì )越進(jìn)步，人們離大自然越遠，親近大自然的感覺(jué)反而越強烈�！钡谒�、增加產(chǎn)品內涵，豐富設計文化。許多生物在人類(lèi)長(cháng)期的歷史文化中成為了圖騰或者與民族優(yōu)秀的歷史文化有著(zhù)緊密的關(guān)聯(lián)。仿生設計可以為產(chǎn)品增加文化內涵，為設計目標提供符合品位和符號象征的設計方案。
二、仿生設計在現代工業(yè)設計中的主要應用方式
按不同的角度或不同的目的劃分，現代工業(yè)設計中的仿生設計可劃分為不同的方法種類(lèi)。例如，按生物所屬種類(lèi)來(lái)分，可分為動(dòng)物仿生、植物仿生、昆蟲(chóng)仿生、人類(lèi)仿生和微生物仿生；按模仿的逼真程度來(lái)分，可分為具象仿生和抽象仿生；按模仿的完整性可分為整體仿生和局部仿生；按被模仿生物的態(tài)勢來(lái)分，可分為靜態(tài)仿生和動(dòng)態(tài)仿生[2]。目前，按照生物系統結構的劃分來(lái)探討仿生設計種類(lèi)是最普遍的方式。據此，仿生設計在現代工業(yè)設計中的應用方式有主要如下幾種：1.形態(tài)仿生設計通過(guò)研究生物（包括動(dòng)物、植物、微生物和我們人類(lèi)自身）的內外形態(tài)及其象征寓意，經(jīng)過(guò)相應的設計技術(shù)和藝術(shù)手法將其運用到設計之中的過(guò)程即是形態(tài)仿生設計。形態(tài)仿生包含局部形態(tài)仿生和整體形態(tài)仿生。形態(tài)仿生設計是工業(yè)設計中應用最大的仿生設計形式。例如，瑪莎拉蒂的Kuba概念車(chē)就是運用局部形態(tài)仿生設計的案例，該車(chē)前臉上大大的格柵像極了鯰魚(yú)的厚嘴，因此也被稱(chēng)為“鯰魚(yú)車(chē)”。奔馳的Boxfish設計（見(jiàn)圖1）是整體形態(tài)仿生設計的典型代表。這款汽車(chē)以箱鲀?yōu)樵O計原型，設計師模仿箱鲀的外形形態(tài)將汽車(chē)風(fēng)阻值降低到了0.06，使得汽車(chē)不僅外觀(guān)更加流暢，而且油耗降低了20%，氮氧化物等的排放量減少了80%。家喻戶(hù)曉的甲殼蟲(chóng)汽車(chē)、熊貓汽車(chē)，其獨特的外形早已成為經(jīng)典，深受人們青睞。家具設計和兒童產(chǎn)品設計中形態(tài)仿生設計案例更是比比皆是。2.功能仿生設計功能仿生設計是通過(guò)對生物功能實(shí)現的機理進(jìn)行研究，將其運用到產(chǎn)品設計中的方法。早在春秋戰國時(shí)期，著(zhù)名的木匠魯班在一次外出時(shí)，不慎被帶齒的草葉劃傷了皮膚，他從中得到啟發(fā)，發(fā)明了鋸子。功能是大部分產(chǎn)品最大的價(jià)值，因此在現代工業(yè)設計中功能仿生是設計師和工程師們十分熱衷的設計方法。比如，潛水艇是對魚(yú)的仿生。魚(yú)通過(guò)魚(yú)鰾肌控制魚(yú)鰾的收縮和膨脹可以使體內空氣的含量產(chǎn)生變化而調節身體的密度，在水中產(chǎn)生的浮力也會(huì )隨之變化，達到上升或下沉的目的。設計師們模仿魚(yú)類(lèi)的這一功能特性，設計出了潛水艇，利用蓄水倉的注水變化，模仿魚(yú)鰾功能，下潛時(shí)就往蓄水倉中注水，增加潛艇重量，潛艇就下潛；要上浮時(shí)就往外排水，清空倉中積水,減輕潛艇重量。除此之外，還有諸多經(jīng)典的功能仿生設計案例。諸如模仿了蝙蝠的超聲波定位系統的雷達、仿生章魚(yú)遇險噴黑色墨汁功能的煙霧彈等等。功能仿生由于其應用的廣泛性、實(shí)用性和自然性，讓我們在使用相關(guān)產(chǎn)品時(shí)幾乎忘了這些產(chǎn)品功能本身的源頭是大自然的生物。3.結構仿生設計結構仿生是以研究生物結構為主，以工程力學(xué)原理為基礎，進(jìn)而對材料、結構、系統進(jìn)行仿生模擬，以此設計和優(yōu)化產(chǎn)品結構[3]。比如，在直升飛機中就運用了結構仿生設計。飛機在高速飛行時(shí)，常會(huì )引起共振現象，甚至會(huì )折斷機翼引起飛機失事。昆蟲(chóng)早在三億年前就飛翔在空中了，它們卻沒(méi)有顫振的危險。生物學(xué)家通過(guò)研究發(fā)現昆蟲(chóng)每個(gè)翅膀前緣的上方都有一塊深色的角質(zhì)加厚區——翼眼或稱(chēng)翅痣。這一區域直接影響昆蟲(chóng)的飛行穩定。根據這一發(fā)現，人們在飛機的兩翼上加上了平衡重錘，使得這一問(wèn)題得到解決。在如今科技發(fā)達的現代社會(huì )中，人們依然在設計中運用結構仿生并達到了極好的效果。德國工程公司Festo根據象鼻子的結構特點(diǎn)，創(chuàng )造了新式的象鼻機械臂（見(jiàn)圖2），先進(jìn)的仿生設計使它能靈活地搬運沉重的貨物，并進(jìn)行伸縮和彎曲動(dòng)作，使機械臂的性能在靈活度、伸縮性和柔韌度上都提升到了新的高度。4.色彩仿生設計美國視覺(jué)藝術(shù)心理學(xué)家布魯莫曾說(shuō)：“色彩喚起各種情緒，表達感情，甚至影響我們正常的生理感受�！鄙史律ㄟ^(guò)借鑒和運用生物的顏色，能夠為產(chǎn)品設計提供多樣的色彩方案，為產(chǎn)品吸引消費者和實(shí)現價(jià)值發(fā)揮著(zhù)極其重要的作用。玫瑰紅、寶石藍、咖啡色等等諸多顏色都是提取自自然，自然萬(wàn)物豐富的色彩不僅為人們的視覺(jué)審美提供了豐富的資源，也為更好地實(shí)現產(chǎn)品功能，保護用戶(hù)的安全提供了設計思路。例如，軍用迷彩服和汽車(chē)就是借鑒變色龍的偽裝原理，運用自然環(huán)境中的顏色，降低在自然環(huán)境中的辨識度，達到安全保護的作用。還有在工業(yè)生產(chǎn)和機械操作中，我們廣泛采用黃蜂的黃黑色搭配（圖3），以警醒人們注意安全。5.肌理仿生設計借鑒和模擬自然物表面的紋理質(zhì)感和組織結構特征屬性，發(fā)揮產(chǎn)品的實(shí)用性，以及表面紋理的審美、情感體驗，即為產(chǎn)品的肌理仿生設計[4]。肌理仿生設計不僅能夠讓用戶(hù)體驗到有如生物對象表皮的質(zhì)感，還能通過(guò)對生物表皮機構的運用實(shí)現特殊功能。在現代服裝設計和一般工業(yè)產(chǎn)品設計中，模擬動(dòng)物皮革或皮毛的設計非常多見(jiàn)，人造皮革已經(jīng)成為設計應用中最廣泛的材料之一。荷葉表面是由很多密集排列的突起組成，它們之間存在納米級的微小的空隙，而在此之上還存在更為細小的突起，形成雙重的結構突起。水滴在荷葉上極易滾動(dòng)，與此同時(shí)帶走塵埃細菌。荷葉表面這種不沾泥水和自清理的肌理結構原理，被廣泛應用在現代工業(yè)設計中。比如，自清潔玻璃通過(guò)利用荷葉表面多尺度結構與表皮生物蠟的存在起到清潔的目的而制成，起到自清潔和防結冰的作用。
三、仿生設計在現代工業(yè)設計中的應用前景
事實(shí)上，仿生設計早已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)設計中，它不僅是一種設計方法和手段，也是許多設計師所堅持的設計觀(guān)念和設計思維。著(zhù)名設計師科拉尼一生熱愛(ài)仿生設計，設計了涵蓋汽車(chē)、航天器、家具、家電等許多種類(lèi)的經(jīng)典仿生產(chǎn)品。他說(shuō)：“我所做的無(wú)非是模仿自然界向我們揭示的種種真實(shí)�！盵1]英國設計師亞歷克斯麥克迪爾米德熱衷于游艇仿生設計，設計出諸如Iwana、penna、conch等一系列仿生游艇。著(zhù)名設計師羅斯拉古魯夫的設計理念則是把抽象的大自然的事物賦予具體的有機造型。[6]隨著(zhù)人們環(huán)保意識和回歸自然思想的.不斷加強，仿生設計毫無(wú)疑問(wèn)會(huì )在工業(yè)設計中受到越來(lái)越多的設計師的青睞。在具體的設計方法上，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和消費情感化需求的不斷增加，未來(lái)仿生設計也將面臨諸多新的挑戰。首先，仿生設計將更加科學(xué)化和高新化。比如，利用眼動(dòng)跟蹤技術(shù)，根據可視化和量化的數據進(jìn)行形態(tài)仿生將為形態(tài)仿生設計提供更為科學(xué)合理的依據。[7]隨著(zhù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法技術(shù)的提高，特別是人工智能的不斷發(fā)展，仿生設計將與前言科技的結合更加緊密。比如，智能機器人通過(guò)預算行為軌跡能夠打乒乓球或羽毛球。其次，仿生設計的多學(xué)科交叉融合性進(jìn)一步增強。仿生設計的本質(zhì)就具有學(xué)科交叉性，在今后的仿生設計中，隨著(zhù)“以人為本”的設計理念的進(jìn)一步加強，交互體驗需求和要求的增加，技術(shù)工程和人文藝術(shù)將結合更加緊密。最后，仿生設計對象將更加豐富多彩。借助微生物技術(shù)的發(fā)展和科學(xué)設備、儀器的進(jìn)步，人們將會(huì )探索發(fā)現更多的生物對象，以往難以觀(guān)察到的深海生物、微生物等將會(huì )被越來(lái)越多的了解。這些未知生物的形態(tài)、結構和功能必然為今后的仿生設計提供更加豐富的創(chuàng )意來(lái)源�？偠灾�，仿生設計有著(zhù)越來(lái)越廣闊的應用前景，合理充分地運用仿生設計既能夠促進(jìn)工業(yè)設計的發(fā)展，亦能促進(jìn)人與自然的和諧。當仿生運用于現代工業(yè)設計時(shí)，要注意不要將形式與功能、形式與結構、形式與材料人為分離，而使得設計形神分離。在具體產(chǎn)品設計中，既要強調形神一體，也要強調內外一致，將自然形態(tài)與人文思想相結合。既要考慮模仿對象的自然屬性,又要考慮產(chǎn)品的社會(huì )屬性，做到“取于自然，高于自然，人與自然統一”的人文精神，只有這樣方能使仿生設計在工業(yè)設計中發(fā)揮出更大的作用。
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