工业设计中的仿生设计

工业设计中的仿生设计 http://www.365f.com 2006-10-8 8:29:09 《家具与室内装 饰》

昆明理工大学机电工程学院 马瑞萍 许佳 自古以来，自然界就是人类各种科学技术原理及重大发明的源泉。这些自然界的“优良设计”，有的机能完备，让人叹服;有的结构精巧，用材合理，符合自然 的经济原则；也有的美不胜收，让人爱不释手；有的甚至是根据某种数理法则，形成合乎“以最少材料”构成“最大合理空间”的要求。这些生物形形色色的奇特本 领耐人寻味，使人浮想连翩。我们在赞赏之余，也希望从中获取一些灵感，用仿生设计的方法设计出更多的优秀作品。本文将从形态仿生、功能仿生、结构仿生，进 行实例解剖总结仿生设计的特点，以便对以后设计有一些启示。

1、形态仿生设计

形态仿生设计是对生物体的整体形态或某一部分特征进行模仿、变形、抽象等，借以达到造型的目的，这种设计方法可以消除人与机器之间的隔膜，对提高人的 工作效率、改善工作心情具有重要意义。形态从其再现事物的逼真程度和特征来看，可分为具象形态和抽象形态。 1.1具象形态的仿生

具象形态是透过眼睛构造以生理的自然反应，诚实地把外界之形映入眼睛膜刺激神经后感觉到存在的形态，它比较逼真的再现事物的形态。由于具象形态具有很 好的情趣性、可爱性、有机性、亲和性，自然性，人们普遍乐于接受，在玩具、工艺品、日用品应用比较多。但由于其形态的复杂性，很多工业产品不宜采用具象形 态。 1.2抽象形态的仿生

抽象形态是提炼物体的内在本质属性。此形态作用于人时，会产生“心理”形态，这种“心理”形态必需是生活经验的积累，经过联想和想象把形浮现在脑海 中，那是一种虚幻的，不实的形，属于高层次的思维创造活动。因此对原生形态必须经过抽象才能应用于产品设计（图1）。

（1）具象转化为抽象的过程中需要融入我们的主观感受

抽象后的形态既带有自然的美也包涵了对于生活的感受，能够显示出一种含蓄性，因此更容易触发我们的想象，更具有艺术的感染力。 如图2所示：美洲

虎的这款车是从猫身上得到的灵感，使整个产品憨态可掬，仿佛它不是产品而是现代社会圈养的科技宠物。再如图3所示：电话使用豆荚的抽象形 态，在不知不觉中设计者己赋予了它生命。

（2）具象转化为抽象的过程中可以融合各种生物的特征

经过抽象后的某些形态已经看不出仿生源初是哪一种具体的生物形态，让人能够较明显的感受到“像”某个生物形态，同时又不太容易说出源于哪种具体形态。 如图4所示：这款福特Chia Focus的前进气口模仿了大猩猩的鼻子的特征，神似而不求形似的设计作品给人无限的想象空间。

1.3恰当选择仿生的对应物

（1）准确选择和灵活运用：形状、体量感、 比例关系、质感肌理、色彩搭配等等特征。如图5所示：建筑师设计的悉尼歌剧院座落于海边，其构想来源于贝壳。可以看出在具体的设计过程中，设计师对抽象的 形态和比例关系进行了细致的推敲和处理。

（2）努力追求形态的情感性和趣味性，着力于激发人的激情，使人的内心找到快乐的感受。如图所示：远看像似一盆充满生命力的花，实际上是一把卫生间使 用的刷子，给卫浴平添了一分生命的活力。

（3）把握事物形态最本质的特征，尤其是这些特征中最能和产品形态、产品意义、产品功能及使用环境等因素发生关联的特征进行提取和运用。如图7所示： 鼠标的灵感不仅来自于老鼠的形态，而且把老鼠灵活的特性体现在鼠标使用中。如图8所示：卡车的造型犹如一只匍匐蓄势的猎豹，厚重结实的车身仿佛猛兽强健的 肌肉，充满了力量。它不仅让人感到驾驶时风驰电掣的速度，还让使用者对产品安全、稳定的性能充满信心。 2、功能仿生设计 2.1功能仿生的广泛应用

人们发现，动植物的某些方面的功能，实际上远远超越了人类自身在此方面的科技成果。生存在自然界中的各种各样的动植物能在各种恶劣复杂的环境中生存与 运动，这是因为其运动器官和形体与恶劣复杂环境斗争进化的结果。植物和动物在几百万年的自然进化中，不仅完全适应自然，而且其进化程度接近完美。今天，我 们生活在科学技术飞快发展的时代，学习和利用生物系统的优异结构和奇妙的功能，已经成为技术革新和技术革命的一个新方向。

根据蛙眼原理，科学家利用电子技术制成了雷达系统，能准确快速地识别目标（图9）；根据小蜻蜒的翅膀前缘上方都有一块深色的角质加厚区——翅痣，蜻蜓 可以在高速飞行时安然无恙，人们仿效其在飞机的两翼加上了平衡重锤，解决了因高速飞行而引起振动的棘手问题（图10 ）。

如图12所示：设计师根据鹤的体态设计出了掘土机的悬臂。

3、结构仿生设计

随着仿生学的深入开展，人们不但从外形、功能去模仿生物，而且从生物奇特的结构中也得到不少启发。在“仿生制造”中不仅是模仿大自然外部结构，而且要 学习与借鉴他们自身内部的组织方式与运行模式。这些为人类提供了“优良设计”的典范。 3.1蜂巢结构

例如蜂巢由一个个排列整齐的六棱柱形小蜂房组成，每个小蜂房的底部由3个相同的菱形组成，这些结构与近代数学家精确计算出来的菱形钝角和锐角完全相 同，是最节省材料的结构，且容量大、极坚固，令许多专家赞叹不止。人们仿其构造用各种材料制成蜂巢式夹层结构板，强度大、重量轻、不易传导声音和热，是建 筑及制造航天飞机、宇宙飞船、人造卫星等的理想材料。

如图13所示，作者曾经设计过一个设计类学生专用教学课桌椅的方案，灵感来自于蜂巢结构，提取六边形作为基本要素进行设计，桌面可以根据设计或教学需 要自由组合成不同形态，并且考虑它们彼此之间组合时面与面之间不要留有许多空隙，组合时稳定性，最终选择了蜂巢结构。 3.2肌理结构

在结构仿生方面，工程师们比建筑师更善于观察自然界的一切生成规律，已应用现代技术创造了一系列崭新的仿生结构体系。从一片树叶的叶脉发现了其交叉网 状的支撑组织肌理，这些对建筑结构的创新设计是十分有益的启示。

1947—1949年意大利结构工程师奈尔维和建筑师巴托利设计的意大利都灵展览馆的巨型拱顶就是仿叶脉肌理而建造起来的，混凝土骨架和玻璃格组成的 拱顶宽93.6米，长75米。 3.3减粘降阻结构

吉林大学任露泉筹人深入研究了蝠蚓，马陆（倍足类节肢动物通称）、穿山甲和田鼠等动物在土壤中减粘脱土机理，认为这些生活在粘湿环境中的土壤动物，其 体表形成了有利于土壤脱附的特殊的柔性非光滑表面。这种表面能产生柔性变形和非光滑效应，具有明显的生物防粘特性。根据这一仿生结果开发了柔性仿生技术， 并用于地面装卸机械触土部件的仿生设计。在热电厂堆取褐煤的生产对比试验表明，柔性仿生技术改造后的轮斗连续工作一天冻粘煤量达轮斗容量的1/3—2 /3，显示了这种仿生结构具有显著的减粘降阻效果和可观的经济效益。

3.4骨架结构

1991—1992年圣地亚哥·卡拉特拉瓦在西班牙的塞维利亚1992年国际博览会为科威特设计的展览馆，其屋顶是可自由启闭的结构，模拟着动物关节 的自由运动。夜间屋顶肋架敞开，下面平台上便可以进行露天的各种活动，它不仅在结构与功能上能够有机结合，而且给人以无限的想象。如图14所示：也是借鉴 动物骨骼结构的小立凳。 4、综合仿生设计

在现代工业产品设计中，单纯地从形态、功能、结构或材料的某一个方面来仿生是不科学的，作者认为应该是综合形态、功能、结构和材料的多个方面来进行仿 生设计，而且还应该从大自然的生存哲学即和谐与共生的角度进行仿生设计。

仿生学是研究生物系统的结构和性质，为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学，它对于汽车产品的提升和发展同样潜力巨大。宝马汽车专家基于这一认 识，便在汽车设计和材料选择中开始了“与大自然合作”的进程。 首先，在自然界，他们发现很多高度复杂的中空结构，重量保持最轻，却有出色的韧性和强度，如鸟类的羽毛骨质，螃蟹（图15）、蜘蛛等的壳。这些正是宝 马H2R汽车灵感来源之一。

其次，车身结构，就像哺乳动物的骨髓，支撑着体内的其他部分。对于宝马3系，车身重量约占整车的20%，而人的骨髓占人体重的18%，而马的骨髓与其 总

体重之比达到完美的7—10%（图16），平衡的秘密就在于马为鉴研制了轻质技术。

再次，宝马的H2R氢燃料汽车最高时速达 300.175公里。无庸置疑，发挥到极至的空气动力学是实现这一高速的关键因素。宝马H2R外型和设计的灵感来自海豚和企鹉的低阻身材（图17）。圆鼓 的前脸、收起的尾部，极小的正锋面，成就了其0.21的阻力系数。而球的阻力系数则是0.50（图18）。

总之宝马集团的设计师是在吸收大自然的灵感，通过应用仿生学，扩展并推动汽车产品、工艺的传统设计理念，使宝马H2R汽车更轻、更安全、更省油，同时 更舒适、动感。

如图19—1、19—2所示：车身侧面的通风口，模仿了的鲤裂。这种模仿不仅限于形态的模仿，它有其功能上的意义。汽车在高速行驶时，阻力来源于空气 对车身正面的阻力以及侧面的摩擦，而且车身底部的升力也使汽车行驶的平稳性大大降低，侧翼的导流口可减少汽车高速行进时侧面的空气的阻力，增强行驶中的稳 定性。

如图20所示：首先，该款汽车车头形状模拟鱼类头骨的生理结构设计而成（鱼头骨的生理结构帮助鱼类克服了水中游动时遇到的大部分水流阻力），这种设计 结构大大消弱了汽车在行驶过程中遇到的空句阻力。风洞实验结果表明，汽车车头的风阻系数CX值仅为0.09。汽车车身结构设计和选取的漆料颜色也分别模仿 了鱼类身体形状和鱼鳞的色泽。此外，车身全长为4.24米。因此，奔驰公司将该款新车命名为梅塞德斯仿生车（Mercedes bionic）。

这类仿生设计找到了对应物的生物原理，通过对生物的感知，进一步形成了感性认识，最终从功能出发，对照生物原型进行了相应的设计。 5、对仿生设计的启示

我们注意到本土品牌和本土设计机构创造的优秀的仿生设计产品很少，通过以上的分析仿生设计经典设计作品，作者认为好的仿生设计最好是求神似而不求形 似。

（1）首先要把自然形态抽象化并在作品中融入生活的感受，这样设计出的作品才能够显示出种含蓄性，更容易触发我们的想象，更具有艺术的感染力。其次恰 当选择仿生的对应物，把握事物形态最根本的特征，尤其是这些特征中最能和产品形态、产品意义、产品功能及使用环境等因素发生关联的特征进行提取和运用。

（2）结构仿生设计灵感来源并不仅仅是大自然万物外在结构的表现形式，而是要从其内部结构，如骨骼结构、肌理结构、基因结构、生理结构等去寻找灵感。

（3）仿生应该最好是综合形态、功能、结构或材料的多个方面来进行仿生设计。

当今的信息时代，人们对产品设计的要求不同于过去，不只是注意功能的完善，还要追求清新、淳朴，返朴归真的个性设计。从大自然的 生存哲学即和谐与艺术的角度进行更深意义和层次上的仿生设计，才是这个时代的设计师们所追求的目标。

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