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摘要:仿生設(shè)計是工業(yè)設(shè)計中非常重要的一種設(shè)計方法和設(shè)計思維。本文指出了仿生設(shè)計對現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計的重要價值,歸納出現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計中仿生設(shè)計的主要應(yīng)用方式,包括形態(tài)、功能、結(jié)構(gòu)、色彩、肌理等,并提出了仿生設(shè)計在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:仿生設(shè)計;工業(yè)設(shè)計;設(shè)計方法;仿生學(xué)
自然之美是設(shè)計之源,仿生設(shè)計自古有之。從學(xué)科上來講,仿生設(shè)計也稱為設(shè)計仿生學(xué),是在仿生學(xué)和設(shè)計學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的綜合性交叉學(xué)科。其研究范圍涉及生物學(xué)、數(shù)學(xué)、材料學(xué)、人機(jī)學(xué)、色彩學(xué)、美學(xué)、工程學(xué)等諸多學(xué)科。仿生設(shè)計因其獨(dú)特的價值,在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計中不僅非常常見而且應(yīng)用廣泛,對工業(yè)設(shè)計的發(fā)展和設(shè)計價值的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮著重要的作用。
一、仿生設(shè)計對現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計的主要價值
仿生設(shè)計并不是對自然對象形態(tài)的簡單模仿,而是根據(jù)一定的目標(biāo),經(jīng)過復(fù)雜的觀察研究和設(shè)計技術(shù),為工業(yè)設(shè)計提供一種有價值的解決思路和設(shè)計方案的過程。它對工業(yè)設(shè)計至少有如下幾種價值:第一,豐富設(shè)計造型,提供更多設(shè)計選擇。地球有豐富多彩的自然形態(tài),自然中的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、色彩、肌理都可以成為仿生學(xué)和仿生設(shè)計的對象,為工業(yè)設(shè)計提供無窮的思路和方案。第二、優(yōu)化產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu),節(jié)省設(shè)計成本。仿生設(shè)計通過對符合設(shè)計目標(biāo)對象的研究,能夠為設(shè)計找到一條便捷而方向準(zhǔn)確的道路,不僅能夠獲得最優(yōu)化的設(shè)計方案,還能大大節(jié)約設(shè)計研發(fā)的時間、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。仿生不僅高效地滿足設(shè)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(shè)計的附加值[1]。美國社會未來學(xué)家約翰•奈斯比提出:“無論何處,人都需要補(bǔ)償性的高情感,這種補(bǔ)償?shù)母咔楦杏绕潴w現(xiàn)在當(dāng)今社會,社會越進(jìn)步,人們離大自然越遠(yuǎn),親近大自然的感覺反而越強(qiáng)烈?!钡谒?、增加產(chǎn)品內(nèi)涵,豐富設(shè)計文化。許多生物在人類長期的歷史文化中成為了圖騰或者與民族優(yōu)秀的歷史文化有著緊密的關(guān)聯(lián)。仿生設(shè)計可以為產(chǎn)品增加文化內(nèi)涵,為設(shè)計目標(biāo)提供符合品位和符號象征的設(shè)計方案。
二、仿生設(shè)計在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計中的主要應(yīng)用方式
按不同的角度或不同的目的劃分,現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計中的仿生設(shè)計可劃分為不同的方法種類。例如,按生物所屬種類來分,可分為動物仿生、植物仿生、昆蟲仿生、人類仿生和微生物仿生;按模仿的逼真程度來分,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)勢來分,可分為靜態(tài)仿生和動態(tài)仿生[2]。目前,按照生物系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的劃分來探討仿生設(shè)計種類是最普遍的方式。據(jù)此,仿生設(shè)計在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用方式有主要如下幾種:1.形態(tài)仿生設(shè)計通過研究生物(包括動物、植物、微生物和我們?nèi)祟愖陨恚┑膬?nèi)外形態(tài)及其象征寓意,經(jīng)過相應(yīng)的設(shè)計技術(shù)和藝術(shù)手法將其運(yùn)用到設(shè)計之中的過程即是形態(tài)仿生設(shè)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(shè)計是工業(yè)設(shè)計中應(yīng)用最大的仿生設(shè)計形式。例如,瑪莎拉蒂的Kuba概念車就是運(yùn)用局部形態(tài)仿生設(shè)計的案例,該車前臉上大大的格柵像極了鯰魚的厚嘴,因此也被稱為“鯰魚車”。奔馳的Boxfish設(shè)計(見圖1)是整體形態(tài)仿生設(shè)計的典型代表。這款汽車以箱鲀?yōu)樵O(shè)計原型,設(shè)計師模仿箱鲀的外形形態(tài)將汽車風(fēng)阻值降低到了0.06,使得汽車不僅外觀更加流暢,而且油耗降低了20%,氮氧化物等的排放量減少了80%。家喻戶曉的甲殼蟲汽車、熊貓汽車,其獨(dú)特的外形早已成為經(jīng)典,深受人們青睞。家具設(shè)計和兒童產(chǎn)品設(shè)計中形態(tài)仿生設(shè)計案例更是比比皆是。2.功能仿生設(shè)計功能仿生設(shè)計是通過對生物功能實(shí)現(xiàn)的機(jī)理進(jìn)行研究,將其運(yùn)用到產(chǎn)品設(shè)計中的方法。早在春秋戰(zhàn)國時期,著名的木匠魯班在一次外出時,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)品最大的價值,因此在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計中功能仿生是設(shè)計師和工程師們十分熱衷的設(shè)計方法。比如,潛水艇是對魚的仿生。魚通過魚鰾肌控制魚鰾的收縮和膨脹可以使體內(nèi)空氣的含量產(chǎn)生變化而調(diào)節(jié)身體的密度,在水中產(chǎn)生的浮力也會隨之變化,達(dá)到上升或下沉的目的。設(shè)計師們模仿魚類的這一功能特性,設(shè)計出了潛水艇,利用蓄水倉的注水變化,模仿魚鰾功能,下潛時就往蓄水倉中注水,增加潛艇重量,潛艇就下潛;要上浮時就往外排水,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(shè)計案例。諸如模仿了蝙蝠的超聲波定位系統(tǒng)的雷達(dá)、仿生章魚遇險噴黑色墨汁功能的煙霧彈等等。功能仿生由于其應(yīng)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(jié)構(gòu)仿生設(shè)計結(jié)構(gòu)仿生是以研究生物結(jié)構(gòu)為主,以工程力學(xué)原理為基礎(chǔ),進(jìn)而對材料、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)進(jìn)行仿生模擬,以此設(shè)計和優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)[3]。比如,在直升飛機(jī)中就運(yùn)用了結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計。飛機(jī)在高速飛行時,常會引起共振現(xiàn)象,甚至?xí)蹟鄼C(jī)翼引起飛機(jī)失事。昆蟲早在三億年前就飛翔在空中了,它們卻沒有顫振的危險。生物學(xué)家通過研究發(fā)現(xiàn)昆蟲每個翅膀前緣的上方都有一塊深色的角質(zhì)加厚區(qū)——翼眼或稱翅痣。這一區(qū)域直接影響昆蟲的飛行穩(wěn)定。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn),人們在飛機(jī)的兩翼上加上了平衡重錘,使得這一問題得到解決。在如今科技發(fā)達(dá)的現(xiàn)代社會中,人們依然在設(shè)計中運(yùn)用結(jié)構(gòu)仿生并達(dá)到了極好的效果。德國工程公司Festo根據(jù)象鼻子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),創(chuàng)造了新式的象鼻機(jī)械臂(見圖2),先進(jìn)的仿生設(shè)計使它能靈活地搬運(yùn)沉重的貨物,并進(jìn)行伸縮和彎曲動作,使機(jī)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(shè)計美國視覺藝術(shù)心理學(xué)家布魯莫曾說:“色彩喚起各種情緒,表達(dá)感情,甚至影響我們正常的生理感受?!鄙史律ㄟ^借鑒和運(yùn)用生物的顏色,能夠為產(chǎn)品設(shè)計提供多樣的色彩方案,為產(chǎn)品吸引消費(fèi)者和實(shí)現(xiàn)價值發(fā)揮著極其重要的作用。玫瑰紅、寶石藍(lán)、咖啡色等等諸多顏色都是提取自自然,自然萬物豐富的色彩不僅為人們的視覺審美提供了豐富的資源,也為更好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能,保護(hù)用戶的安全提供了設(shè)計思路。例如,軍用迷彩服和汽車就是借鑒變色龍的偽裝原理,運(yùn)用自然環(huán)境中的顏色,降低在自然環(huán)境中的辨識度,達(dá)到安全保護(hù)的作用。還有在工業(yè)生產(chǎn)和機(jī)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(shè)計借鑒和模擬自然物表面的紋理質(zhì)感和組織結(jié)構(gòu)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(shè)計[4]。肌理仿生設(shè)計不僅能夠讓用戶體驗到有如生物對象表皮的質(zhì)感,還能通過對生物表皮機(jī)構(gòu)的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)特殊功能。在現(xiàn)代服裝設(shè)計和一般工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計中,模擬動物皮革或皮毛的設(shè)計非常多見,人造皮革已經(jīng)成為設(shè)計應(yīng)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(xì)小的突起,形成雙重的結(jié)構(gòu)突起。水滴在荷葉上極易滾動,與此同時帶走塵埃細(xì)菌。荷葉表面這種不沾泥水和自清理的肌理結(jié)構(gòu)原理,被廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計中。比如,自清潔玻璃通過利用荷葉表面多尺度結(jié)構(gòu)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(jié)冰的作用。
三、仿生設(shè)計在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用前景
事實(shí)上,仿生設(shè)計早已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計中,它不僅是一種設(shè)計方法和手段,也是許多設(shè)計師所堅持的設(shè)計觀念和設(shè)計思維。著名設(shè)計師科拉尼一生熱愛仿生設(shè)計,設(shè)計了涵蓋汽車、航天器、家具、家電等許多種類的經(jīng)典仿生產(chǎn)品。他說:“我所做的無非是模仿自然界向我們揭示的種種真實(shí)?!盵1]英國設(shè)計師亞歷克斯•麥克迪爾米德熱衷于游艇仿生設(shè)計,設(shè)計出諸如Iwana、penna、conch等一系列仿生游艇。著名設(shè)計師羅斯•拉古魯夫的設(shè)計理念則是把抽象的大自然的事物賦予具體的有機(jī)造型。[6]隨著人們環(huán)保意識和回歸自然思想的不斷加強(qiáng),仿生設(shè)計毫無疑問會在工業(yè)設(shè)計中受到越來越多的設(shè)計師的青睞。在具體的設(shè)計方法上,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和消費(fèi)情感化需求的不斷增加,未來仿生設(shè)計也將面臨諸多新的挑戰(zhàn)。首先,仿生設(shè)計將更加科學(xué)化和高新化。比如,利用眼動跟蹤技術(shù),根據(jù)可視化和量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行形態(tài)仿生將為形態(tài)仿生設(shè)計提供更為科學(xué)合理的依據(jù)。[7]隨著神經(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(shè)計將與前言科技的結(jié)合更加緊密。比如,智能機(jī)器人通過預(yù)算行為軌跡能夠打乒乓球或羽毛球。其次,仿生設(shè)計的多學(xué)科交叉融合性進(jìn)一步增強(qiáng)。仿生設(shè)計的本質(zhì)就具有學(xué)科交叉性,在今后的仿生設(shè)計中,隨著“以人為本”的設(shè)計理念的進(jìn)一步加強(qiáng),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(jié)合更加緊密。最后,仿生設(shè)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(shè)備、儀器的進(jìn)步,人們將會探索發(fā)現(xiàn)更多的生物對象,以往難以觀察到的深海生物、微生物等將會被越來越多的了解。這些未知生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能必然為今后的仿生設(shè)計提供更加豐富的創(chuàng)意來源。總而言之,仿生設(shè)計有著越來越廣闊的應(yīng)用前景,合理充分地運(yùn)用仿生設(shè)計既能夠促進(jìn)工業(yè)設(shè)計的發(fā)展,亦能促進(jìn)人與自然的和諧。當(dāng)仿生運(yùn)用于現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計時,要注意不要將形式與功能、形式與結(jié)構(gòu)、形式與材料人為分離,而使得設(shè)計形神分離。在具體產(chǎn)品設(shè)計中,既要強(qiáng)調(diào)形神一體,也要強(qiáng)調(diào)內(nèi)外一致,將自然形態(tài)與人文思想相結(jié)合。既要考慮模仿對象的自然屬性,又要考慮產(chǎn)品的社會屬性,做到“取于自然,高于自然,人與自然統(tǒng)一”的人文精神,只有這樣方能使仿生設(shè)計在工業(yè)設(shè)計中發(fā)揮出更大的作用。
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作者:李波濤 馬宏宇 單位:武漢理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院