濟(jì)南工業(yè)設(shè)計(jì)中的仿生設(shè)計(jì)
自古以來(lái)，自然界就是人類(lèi)各種科學(xué)技術(shù)原理及重大發(fā)明的源泉。這些自然界的“優(yōu)良設(shè)計(jì)”，有的機(jī)能完備，讓人嘆服;有的結(jié)構(gòu)精巧，用材合理，符合自然的經(jīng)濟(jì)原則；也有的美不勝收，讓人愛(ài)不釋手；有的甚至是根據(jù)某種數(shù)理法則，形成合乎“以最少材料”構(gòu)成“最大合理空間”的要求。這些生物形形色色的奇特本領(lǐng)耐人尋味，使人浮想連翩。我們?cè)谫澷p之余，也希望從中獲取一些靈感，用仿生設(shè)計(jì)的方法設(shè)計(jì)出更多的優(yōu)秀作品。本文將從形態(tài)仿生、功能仿生、結(jié)構(gòu)仿生，進(jìn)行實(shí)例解剖總結(jié)仿生設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，以便對(duì)以后設(shè)計(jì)有一些啟示。 1、形態(tài)仿生設(shè)計(jì)
形態(tài)仿生設(shè)計(jì)是對(duì)生物體的整體形態(tài)或某一部分特征進(jìn)行模仿、變形、抽象等，借以達(dá)到造型的目的，這種設(shè)計(jì)方法可以消除人與機(jī)器之間的隔膜，對(duì)提高人的工作效率、改善工作心情具有重要意義。形態(tài)從其再現(xiàn)事物的逼真程度和特征來(lái)看，可分為具象形態(tài)和抽象形態(tài)。 設(shè)計(jì)知識(shí)資源網(wǎng) 1.1具象形態(tài)的仿生
具象形態(tài)是透過(guò)眼睛構(gòu)造以生理的自然反應(yīng)，誠(chéng)實(shí)地把外界之形映入眼睛膜刺激神經(jīng)后感覺(jué)到存在的形態(tài)，它比較逼真的再現(xiàn)事物的形態(tài)。由于具象形態(tài)具有很好的情趣性、可愛(ài)性、有機(jī)性、親和性，自然性，人們普遍樂(lè)于接受，在玩具、工藝品、日用品應(yīng)用比較多。但由于其形態(tài)的復(fù)雜性，很多工業(yè)產(chǎn)品不宜采用具象形態(tài)。 1.2抽象形態(tài)的仿生
抽象形態(tài)是提煉物體的內(nèi)在本質(zhì)屬性。此形態(tài)作用于人時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“心理”形態(tài)，這種“心理”形態(tài)必需是生活經(jīng)驗(yàn)的積累，經(jīng)過(guò)聯(lián)想和想象把形浮現(xiàn)在腦海中，那是一種虛幻的，不實(shí)的形，屬于高層次的思維創(chuàng)造活動(dòng)。因此對(duì)原生形態(tài)必須經(jīng)過(guò)抽象才能應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
（1）濟(jì)南工業(yè)設(shè)計(jì)具象轉(zhuǎn)化為抽象的過(guò)程中需要融入我們的主觀感受
抽象后的形態(tài)既帶有自然的美也包涵了對(duì)于生活的感受，能夠顯示出一種含蓄性，因此更容易觸發(fā)我們的想象，更具有藝術(shù)的感染力。如圖2所示：美洲虎的這款車(chē)是從貓身上得到的靈感，使整個(gè)產(chǎn)品憨態(tài)可掬，仿佛它不是產(chǎn)品而是現(xiàn)代社會(huì)圈養(yǎng)的科技寵物。再如圖3所示：電話(huà)使用豆莢的抽象形態(tài)，在不知不覺(jué)中設(shè)計(jì)者己賦予了它生命。
（2）濟(jì)南工業(yè)設(shè)計(jì)具象轉(zhuǎn)化為抽象的過(guò)程中可以融合各種生物的特征
經(jīng)過(guò)抽象后的某些形態(tài)已經(jīng)看不出仿生源初是哪一種具體的生物形態(tài)，讓人能夠較明顯的感受到“像”某個(gè)生物形態(tài)，同時(shí)又不太容易說(shuō)出源于哪種具體形態(tài)。這款福特Chia Focus的前進(jìn)氣口模仿了大猩猩的鼻子的特征，神似而不求形似的設(shè)計(jì)作品給人無(wú)限的想象空間。
1.3恰當(dāng)選擇仿生的對(duì)應(yīng)物
（1）準(zhǔn)確選擇和靈活運(yùn)用：形狀、體量感、 比例關(guān)系、質(zhì)感肌理、色彩搭配等等特征。如圖5所示：建筑師設(shè)計(jì)的悉尼歌劇院座落于海邊，其構(gòu)想來(lái)源于貝殼。可以看出在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師對(duì)抽象的形態(tài)和比例關(guān)系進(jìn)行了細(xì)致的推敲和處理。
（2）努力追求形態(tài)的情感性和趣味性，著力于激發(fā)人的激情，使人的內(nèi)心找到快樂(lè)的感受。如圖所示：遠(yuǎn)看像似一盆充滿(mǎn)生命力的花，實(shí)際上是一把衛(wèi)生間使用的刷子，給衛(wèi)浴平添了一分生命的活力。 （3）把握事物形態(tài)最本質(zhì)的特征，尤其是這些特征中最能和產(chǎn)品形態(tài)、產(chǎn)品意義、產(chǎn)品功能及使用環(huán)境等因素發(fā)生關(guān)聯(lián)的特征進(jìn)行提取和運(yùn)用。如圖7所示：鼠標(biāo)的靈感不僅來(lái)自于老鼠的形態(tài)，而且把老鼠靈活的特性體現(xiàn)在鼠標(biāo)使用中。如圖8所示：卡車(chē)的造型猶如一只匍匐蓄勢(shì)的獵豹，厚重結(jié)實(shí)的車(chē)身仿佛猛獸強(qiáng)健的肌肉，充滿(mǎn)了力量。它不僅讓人感到駕駛時(shí)風(fēng)馳電掣的速度，還讓使用者對(duì)產(chǎn)品安全、穩(wěn)定的性能充滿(mǎn)信心。
2、功能仿生設(shè)計(jì) 2.1功能仿生的廣泛應(yīng)用
人們發(fā)現(xiàn)，動(dòng)植物的某些方面的功能，實(shí)際上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了人類(lèi)自身在此方面的科技成果。生存在自然界中的各種各樣的動(dòng)植物能在各種惡劣復(fù)雜的環(huán)境中生存與運(yùn)動(dòng)，這是因?yàn)槠溥\(yùn)動(dòng)器官和形體與惡劣復(fù)雜環(huán)境斗爭(zhēng)進(jìn)化的結(jié)果。植物和動(dòng)物在幾百萬(wàn)年的自然進(jìn)化中，不僅完全適應(yīng)自然，而且其進(jìn)化程度接近完美。今天，我們生活在科學(xué)技術(shù)飛快發(fā)展的時(shí)代，學(xué)習(xí)和利用生物系統(tǒng)的優(yōu)異結(jié)構(gòu)和奇妙的功能，已經(jīng)成為技術(shù)革新和技術(shù)革命的一個(gè)新方向。
根據(jù)蛙眼原理，科學(xué)家利用
電子技術(shù)制成了雷達(dá)系統(tǒng)，能準(zhǔn)確快速地識(shí)別目標(biāo)；根據(jù)小蜻蜒的翅膀前緣上方都有一塊深色的角質(zhì)加厚區(qū)——翅痣，蜻蜓可以在高速飛行時(shí)安然無(wú)恙，人們仿效其在飛機(jī)的兩翼加上了平衡重錘，解決了因高速飛行而引起振動(dòng)的棘手問(wèn)題。
3、濟(jì)南工業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)
隨著仿生學(xué)的深入開(kāi)展，人們不但從外形、功能去模仿生物，而且從生物奇特的結(jié)構(gòu)中也得到不少啟發(fā)。在“仿生制造”中不僅是模仿大自然外部結(jié)構(gòu)，而且要學(xué)習(xí)與借鑒他們自身內(nèi)部的組織方式與運(yùn)行模式。這些為人類(lèi)提供了“優(yōu)良設(shè)計(jì)”的典范。 3.1蜂巢結(jié)構(gòu)
例如蜂巢由一個(gè)個(gè)排列
整齊的六棱柱形小蜂房組成，每個(gè)小蜂房的底部由3個(gè)相同的菱形組成，這些結(jié)構(gòu)與近代數(shù)學(xué)家精確計(jì)算出來(lái)的菱形鈍角和銳角完全相同，是最節(jié)省材料的結(jié)構(gòu)，且容量大、極堅(jiān)固，令許多專(zhuān)家贊嘆不止。人們仿其構(gòu)造用各種材料制成蜂巢式夾層結(jié)構(gòu)板，強(qiáng)度大、重量輕、不易傳導(dǎo)聲音和熱，是建筑及制造航天飛機(jī)、宇宙飛船、人造衛(wèi)星等的理想材料。
作者曾經(jīng)設(shè)計(jì)過(guò)一個(gè)設(shè)計(jì)類(lèi)學(xué)生專(zhuān)用教學(xué)課桌椅的方案，靈感來(lái)自于蜂巢結(jié)構(gòu)，提取六邊形作為基本要素進(jìn)行設(shè)計(jì)，桌面可以根據(jù)設(shè)計(jì)或教學(xué)需要自由組合成不同形態(tài)，并且考慮它們彼此之間組合時(shí)面與面之間不要留有許多空隙，組合時(shí)穩(wěn)定性，最終選擇了蜂巢結(jié)構(gòu)。 3.2肌理結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)知識(shí)資源網(wǎng)
在結(jié)構(gòu)仿生方面，工程師們比建筑師更善于觀察自然界的一切生成規(guī)律，已應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)創(chuàng)造了一系列嶄新的仿生結(jié)構(gòu)體系。從一片樹(shù)葉的葉脈發(fā)現(xiàn)了其交叉網(wǎng)狀的支撐組織肌理，這些對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是十分有益的啟示。
1947—1949年意大利結(jié)構(gòu)工程師奈爾維和建筑師巴托利設(shè)計(jì)的意大利都靈展覽館的巨型拱頂就是仿葉脈肌理而建造起來(lái)的，混凝土骨架和玻璃格組成的拱頂寬93.6米，長(zhǎng)75米。 3.3減粘降阻結(jié)構(gòu)
吉林大學(xué)任露泉籌人深入研究了蝠蚓，馬陸（倍足類(lèi)節(jié)肢動(dòng)物通稱(chēng)）、穿山甲和田鼠等動(dòng)物在土壤中減粘脫土機(jī)理，認(rèn)為這些生活在粘濕環(huán)境中的土壤動(dòng)物，其體表形成了有利于土壤脫附的特殊的柔性非光滑表面。這種表面能產(chǎn)生柔性變形和非光滑效應(yīng)，具有明顯的生物防粘特性。根據(jù)這一仿生結(jié)果開(kāi)發(fā)了柔性仿生技術(shù)，并用于地面裝卸機(jī)械觸土部件的仿生設(shè)計(jì)。在熱電廠堆取褐煤的生產(chǎn)對(duì)比試驗(yàn)表明，柔性仿生技術(shù)改造后的輪斗連續(xù)工作一天凍粘煤量達(dá)輪斗容量的1/3—2 /3，顯示了這種仿生結(jié)構(gòu)具有顯著的減粘降阻效果和可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 3.4骨架結(jié)構(gòu)
1991—1992年圣地亞哥·卡拉特拉瓦在西班牙的塞維利亞1992年國(guó)際博覽會(huì)為科威特設(shè)計(jì)的展覽館，其屋頂是可自由啟閉的結(jié)構(gòu)，模擬著動(dòng)物關(guān)節(jié)的自由運(yùn)動(dòng)。濟(jì)南工業(yè)設(shè)計(jì)夜間屋頂肋架敞開(kāi)，下面平臺(tái)上便可以進(jìn)行露天的各種活動(dòng)，它不僅在結(jié)構(gòu)與功能上能夠有機(jī)結(jié)合，而且給人以無(wú)限的想象。也是借鑒動(dòng)物骨骼結(jié)構(gòu)的小立凳。 4、綜合仿生設(shè)計(jì) 在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，單純地從形態(tài)、功能、結(jié)構(gòu)或材料的某一個(gè)方面來(lái)仿生是不科學(xué)的，作者認(rèn)為應(yīng)該是綜合形態(tài)、功能、結(jié)構(gòu)和材料的多個(gè)方面來(lái)進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，而且還應(yīng)該從大自然的生存哲學(xué)即和諧與共生的角度進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)。 仿生學(xué)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想及工作原理的科學(xué)，它對(duì)于汽車(chē)產(chǎn)品的提升和發(fā)展同樣潛力巨大。寶馬汽車(chē)專(zhuān)家基于這一認(rèn)識(shí)，便在汽車(chē)設(shè)計(jì)和材料選擇中開(kāi)始了“與大自然合作”的進(jìn)程。 首先，在自然界，他們發(fā)現(xiàn)很多高度復(fù)雜的中空結(jié)構(gòu)，重量保持最輕，卻有出色的韌性和強(qiáng)度，如鳥(niǎo) 類(lèi)的羽毛骨質(zhì)，螃蟹 、 蜘蛛等的殼。這些正是寶馬H2R汽車(chē)靈感來(lái)源之一。 其次，車(chē)身結(jié)構(gòu)，就像哺乳動(dòng)物的骨髓，支撐著體內(nèi)的其他部分。對(duì)于寶馬3系，車(chē)身重量約占整車(chē)的20%，而人的骨髓占人體重的18%，而馬的骨髓與其總體重之比達(dá)到完美的7—10%，平衡的秘密就在于馬為鑒研制了輕質(zhì)技術(shù)。 再次，寶馬的H2R氫燃料汽車(chē)最高時(shí)速達(dá) 300.175公里。無(wú)庸置疑，發(fā)揮到極至的空氣動(dòng)力學(xué)是實(shí)現(xiàn)這一高速的關(guān)鍵因素。寶馬H2R外型和設(shè)計(jì)的靈感來(lái)自海豚和企鵡的低阻身材。圓鼓的前臉、收起的尾部，極小的正鋒面，成就了其0.21的阻力系數(shù)。而球的阻力系數(shù)則是0.50。 總之寶馬集團(tuán)的設(shè)計(jì)師是在吸收大自然的靈感，通過(guò)應(yīng)用仿生學(xué)，擴(kuò)展并推動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)品、工藝的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，使寶馬H2R汽車(chē)更輕、更安全、更省油，同時(shí)更舒適、動(dòng)感。 如圖19—1、19—2所示：車(chē)身側(cè)面的通風(fēng)口，模仿了的鯉裂。這種模仿不僅限于形態(tài)的模仿，它有其功能上的意義。汽車(chē)在高速行駛時(shí)，阻力來(lái)源于空氣對(duì)車(chē)身正面的阻力以及側(cè)面的摩擦，而且車(chē)身底部的升力也使汽車(chē)行駛的平穩(wěn)性大大降低，側(cè)翼的導(dǎo)流口可減少汽車(chē)高速行進(jìn)時(shí)側(cè)面的空氣的阻力，增強(qiáng)行 駛中的穩(wěn)定性。 首先，濟(jì)南工業(yè)設(shè)計(jì)該款汽車(chē)車(chē)頭形狀模擬魚(yú)類(lèi)頭骨的生理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而成（魚(yú)頭骨的生理結(jié)構(gòu)幫助魚(yú)類(lèi)克服了水中游動(dòng)時(shí)遇到的大部分水流阻力），這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)大大消弱了汽車(chē)在行駛過(guò)程中遇到的空句阻力。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，汽車(chē)車(chē)頭的風(fēng)阻系數(shù)CX值僅為0.09。汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選取的漆料顏色也分別模仿了魚(yú)類(lèi)身體形狀和魚(yú)鱗的色澤。此外，車(chē)身全長(zhǎng)為4.24米。因此，奔馳公司將該款新車(chē)命名為梅塞德斯仿生車(chē)
