工业设计仿生的价值所在

 仿生设计也可称为设计仿生学（Design Bionics），是在仿生学和设计学基础上发展起来的新兴边缘学科。仿生设计研究的范围相当广泛，涉及数学、生物学、电子学、物理学、控制论、信息论、人机学、心理学、材料学、机械学、动力学、工程学、经济学、色彩学、美学、传播学、伦理学等相关学科，在工业设计领域运用尤其普遍。工业设计由于产品的功能需求和结构解决的自然相关性，对于仿生的研究和使用往往能够为设计提供一种独特的解决方案，从而高效地满足功能的需要，有的还因仿生具有形态或交互界面的趣味，更显仿生设计的价值。

一、形态仿生
形态仿生是人类产品模仿自然界生物的形态。经过亿万年的演变，一些在特殊的生态环境中的生物演化出形态，表现出对于该环境的极度适应性，这种适应性因为经受住了亿万年环境严苛的考验而令生物外观形态为人类在面对相似问题时提供了现成、高效的方案。这种类型的仿生设计在轿车等交通工具中运用颇多，并逐渐在高速运动的产品上形成流线型的外观。
雷蒙德·罗维是美国著名的设计师，上世纪60 年代，他设计的交通工具就采用了减少空气阻力的水滴型外观，并最终形成流线的造型。如他设计的火车头（图1），外形上摒弃了原来较为方正的造型，前突的弹头状设计有效地减轻了火车的空气阻力，提高了火车经济性的同时，创造了一种新型的产品造型，此后流线型的火车头设计进一步演化，并在当今的高速列车上采用。像我国时速超过300 公里/ 小时的第二代高速列车（图2），其车头的设计向前更加突出，造型更扁平圆润，在以往流线造型的基础上，参照了海豚等动物的头部造型，利用这种更加符合流体力学规律的造型在空气运动中获得更高的速度和更经济的效果。克莱斯勒公司设计的一款概念车（图3）即模仿了盒子鱼的形态，盒子鱼因流线的外形和坚硬的保护性皮肤结构引起了汽车设计师的兴趣，研究成果令该款汽车具有极佳的稳定性、耐用性，而且非常节油。

二、肌理仿生
肌理仿生是人类产品模仿自然界生物的表面肌理，学习和借鉴自然界生物应对相似问题的智慧。肌理仿生设计与外观形态仿生相比，前者更注重形态表面的材料仿生，即对于自然界生物的表皮肌理的模仿。例如材料科学界对于材料微结构特性的关注，特别是对于生物表皮褶皱肌理的研究很能说明这种仿生设计的用途和价值。
众所周知，海豚是海洋中游行速度很快的动物，材料科学家在微观层面对其皮肤表面的肌理进行了详细的研究。其结果表明，海豚的皮肤表面并不像人们原先想象的无比光滑，反而是具有许多微小的凹凸，再由于其皮肤的斥水性，海豚在游动时皮肤表层会自然形成无数个小水珠分布在其身体和水域之间，这样海豚表皮与水之间不再是滑动摩擦，而是滚动摩擦，其摩擦系数极大下降，所以它在海中的游动迅捷自如。其他海洋生物如鲨鱼和企鹅的表皮也具有同样的肌理，设计师根据这一微观肌理研究成果，顺利开发出被称为“鲨鱼皮”的游泳衣，实验表明该款泳衣比普通泳衣具有明显提高运动成绩的功效，以至于国际泳联目前明令禁止在正式的国际比赛中使用这样的泳衣。
材料肌理还具有奇妙的自清洁和不附着的功能，如荷叶的表面从来都不会附着水，水在其表面只会形成一颗颗水珠，这是因为荷叶的表面具有纳米尺度的褶皱（图4），这种微观层面的褶皱肌理反而使其具有排斥任何外物附着的属性，因此具备自清洁的功能。现在材料科学家对于纳米材料的研究就是意识到在这样的微观状态下，材料肌理的构成变化会对物体表面的宏观属性产生意想不到的变化。比如在微观层面仿生荷叶表面肌理的服装面料，外观看不出与一般面料的任何不同，但可以具有防水、耐脏，甚至不需洗涤的特性，可以满足有特殊需要的服装使用要求。

三、质感仿生
质感仿生是人类产品模仿自然界材料的质感，不同于肌理仿生，质感仿生不太关注物体表面的材料结构，而更专注于产品表面材料给人的感受。人类产品自古就是对于大自然原有材料的改造，无论是古代的陶器、瓷器、木器、漆器、金银器，还是现代的手机等高科技产品，其外表的材料都是在对自然界原料或深或浅的加工后获取的。而在人类演化的几十万年间，人对于自然界的土、木、金、石等材料早已具备一种本能性的认识，例如木材的温暖、金属的坚冷、石材的硬固等等。这种基于人类动物本能的经验认识一代代累积，至今仿佛已成为人类的集体记忆，其感受早已超越人类低级的触感，而上升到情感认知的层面。因此质感仿生对于产品设计与其说是一种设计手法，不如说是一种满足人类集体潜意识的记忆需要。
意大利设计师卡罗·巴特力（Carlo Bartoli）1992 年设计的Tacta 门把手，产品以圆润可爱的造型以及握手处的木质材料给人以亲切感，它似乎正以友好的姿态欢迎你的使用。木质握手和粗壮的金属结构件搭配既显示出优雅的造型，又富于趣味，产品的材质、造型等一切都传达出一种亲人性。丹麦设计师克努德·霍尔舍（Kund Holscher）1972 年设计的d-line 门把手，其简洁、流线型的造型明确地传递出产品的功能，虽说金属的材质并不给人以亲切感，但却表现出结构的坚固性，传递的是可靠的信息。而意大利巴特力设计组（Bartoli Design）2000 年设计的Sha 沙发及软椅，在外轮廓的线条造型上，采用曲线与外突的弧线造型为主，所营造出的圆润的造型给人以可爱、可亲近的感觉，烘托出生活的情趣。色调上，设计师采用了暖色系，以亮黄色和橙色系列为主，亮丽的暖色调突出了圆润的造型，给人以温暖的感受。英国皮尔森-劳埃德设计组（Pearson-Lloyd）2001 年设计的Easy 沙发，产品虽说以直线条为外观轮廓，但边角导圆的处理以及宽大厚实的形态让人一眼就产生信任感，两边立起的扶手形成环抱，使用户体会到被呵护的感觉，柔软的布面和暖黄色的色调又传递出舒适可靠的温暖感。人们对于曲线的轮廓和亮丽的色调的偏好和亲切感可能来自于与大自然的接触和观察。

四、结构仿生
结构仿生是人类产品模仿自然界生物的结构，经过亿万年演化的动物、植物为了生存的需要，具备了完成独特任务的身体结构，而且不同的物种其结构千差万别。一些肢体的结构独特又高效，可以完成较为特殊的任务。自古以来有智慧的设计师在设计产品时就十分善于借鉴之，譬如大家所熟知的关于鲁班观察野草叶子的锯齿状边缘，又联想到动物吃草时牙齿的运动方式，发明了锯子，从而使木材的加工更加便捷，提高了效率。结构仿生充分利用了生物演化的优势选择，几千年来这类仿生设计不知给人类社会节省了多少人力物力的资源。
大型机械中常用的机械臂需要有各种方向的转动，技术人员通过对人和动物的关节研究采用仿生设计的方法，设计出球轴承、圆柱滚子轴承等各种类型以解决不同的需要。现在几乎所有的产品机械部分都会运用到轴承，而现代机器人的结构更是有大量的仿生结构，以使机器能够完成类似人类的活动，像索尼公司开发的会跳舞的机器人，其设计就更是基于大量的仿生设计。
包装设计是现代工业设计中较特殊的一类，其常采用的复合结构纸板也是仿生设计的结果（图5）。蜜蜂在长期的演化中具有了制造蜂巢的本能，而且工蜂总是用六棱柱形的单元结构制作成蜂巢，研究表明这种结构既节省空间又增加强度现在复合结构纸板多为仿生该结构，六棱柱形单元相连形成加强筋，极大地提高了纸板的强度和耐冲击性。人骨的骨纤维结构和中空造型也是自然界材料轻质高强的代表，这类骨骼结构既可以让一些动物具备灵巧的身体，以便快速移动，又可以支撑起那些具有庞大身躯的动物躯干，以使它们能够站立。

五、功能仿生
功能仿生是人类产品模仿自然界生物的功能。功能仿生有时与形态仿生有交集，比如主要采取外观形态的方式来解决的功能需要，飞机对于鸟类的仿生，特别是机翼模仿翅膀的设计；船只对于鱼类的仿生，特别是仿造胸鳍形成双桨，仿造尾鳍形成方向舵；高速列车头部对于鸟类喙的仿生，特别是仿造翠鸟的喙设计的子弹头列车，防止列车高速穿过隧道时产生低水平音爆，诸如此类，不胜枚举。但是功能仿生远不仅于此，更多的功能仿生是学习生物经过累世的演化而获取的解决问题的智慧。
金雕、秃鹫等鸟类捕食的最后阶段是高速的直线下降式落体，其头部承受的瞬间重力加速度十分惊人，海角塘鹅也是如此，这种位于南非离岸海岛的海鸟，从空中俯冲像炮弹一样，从海中捕鱼时，速度达到惊人的每小时120 公里。但从未有人看到鹰和塘鹅俯冲时，因为头部充血以致失明、昏厥，但战斗机驾驶员在飞机高速俯冲时没有防护头盔会瞬间死亡。这种防止驾驶员头部过度充血的头盔就参照了鸟类的头部防护结构，航天员的头盔也采用了相似的原理。
美国佛罗里达大学工程师里克·林德研制了一种仿生的遥控侦察机（图6），他参照了海鸥的身体结构，模仿其翅膀可以在“肩部”和“肘部”弯曲的结构，制造出这款无人小型远程飞机。与固定翼飞机相比，这种飞机既有很好的稳定性，又在骤降、俯冲和翻滚时具有极佳的机动性。另一种功能仿生应用较多的领域是在医学上，2012 年浙江大学唐睿康教授带领的课题组仿造人类骨骼结构，研制出一种新型材料，其强度、韧性都十分接近天然的人骨，从而实现了纳米尺度上对骨骼的仿生设计和制备，对于今后骨移植和损伤修复意义重大。

六、色彩仿生
色彩仿生是人类产品模仿自然界生物的色彩，色彩仿生基于人类眼睛可见光的光谱范围，材料表面因对光的反射而为人眼感知。与质感仿生类似，色彩仿生生理上有赖于人体感官的感知，但其本质在于心理感知的符号意义。人类在几十万年的演化过程中，对外在自然的缤纷绚烂留下了极为深刻的印象，作为自然界的一员，人类很早就认识到与人相伴的花草鸟兽乃至山川湖泊都是人类赖以生存的伴物，这些伴物的色彩作为其抽象替代的符号进入人类的潜意识。因而色彩仿生对于产品设计属于治愈系手法，很大程度上，人们为自己生产的产品赋予丰富的色彩，实质上是给自己的精神家园找一个依归处。
除却情感方面的作用，色彩仿生还通过对自然界生物色彩的研究，拓宽和延展人造色彩的广度和宽度。以白色为例，这种常见的颜色却是最不纯净的，几乎所有的白色都有细微的偏差，科学家发现所有的自然和人工的白色中白金龟（图7）身披的鳞片亮度最高。在其厚度只有人发丝十分之一的鳞片上拥有独特的三维结构，能够同时散射所有频段的可见光，因而呈现出极亮的白色。对白金龟鳞片微结构的仿生使人类生产出更加亮白的产品。

在自然界，色彩绝不仅仅是一个用来取悦观众、增光添彩的角色，实际上，色彩亦有其功用。雌孔雀通过观察雄孔雀的羽毛色彩来判定其基因的优良和肌体的健康程度，这点颇像人类的察言观色，从而决定是否接受其交合的请求。森林中的鸟类通过观察浆果的颜色，来判定其是否成熟，这是取食的必要技巧，显然红浆果比青浆果更熟，适于食用。热带丛林的箭毒蛙（图8）具有极强的毒性，其躯体的颜色图案也极其鲜艳，对比强烈，这对于其他动物是一个强烈的警告，申明它不是一个宜于食用的盘中餐，否则后果自负。运用躯体色彩的手段，箭毒蛙展现了它绅士的一面。

七、意象仿生
意象仿生也是人类产品模仿自然界生物的外观形态，但与形态仿生不同，意象仿生并不在意学习生物的外观形态而获得某种功能，而是利用生物外观形态在人类集体记忆中的观念，来制造一种趣味性的效果。基于此，意象仿生不是力图完全和精确地模仿生物的外观形态，往往只是抓住该生物外观被人类记忆抽象化的符号做文章，以提示和激发人们对于该生物的相关记忆。
大众甲壳虫轿车是一款经典小车，从第一代开始就以瓢虫作为设计的外形参照，但不是完全照搬瓢虫的外观形态，而是从中提取出典型的符号元素加以运用，即便是最像瓢虫的98款甲壳虫（图9）也具有自身独特的比例与造型。熊猫是我国独有的动物，其外形憨态可掬，极受人们的喜爱。菲亚特公司和我国的吉利公司都以熊猫为意象仿生各自设计了一款轿车，菲亚特PANDA 轿车已形成系列，2012 款（图10），只能从前车灯和下进气口体味到一点熊猫的意象。吉利熊猫轿车（图11）的设计师也抽取出熊猫可爱的外形意象，整个车型的各个部分都尽力发掘熊猫的形态元素，特别是前脸和尾部的设计由于过于具象而失去本该有的韵味。伊莱克斯公司推出的Trilobite（三叶虫）吸尘机器人（图12），能够设定时间自动清扫房间，其外观并没有参照三叶虫设计成椭圆，而是设计成圆形，让其可以清扫到各个角落。对于“三叶虫”的仿生也是意象化的处理，在其两边的散热孔参照三叶虫须脚进行设计。（图13）

维尔纳·潘顿(Verner Panton, 1926-1998) 是丹麦极富盛名的设计大师，潘顿椅（图14）是一款造型极为简洁的椅子，整体采用一次模压成型的玻璃纤维增强塑料成型，塑料材质又可让颜色更加鲜艳纯正，大红的靠椅看上去就像一位端坐的身着红色裙装的淑女，S 形造型隐喻女性的身材，产品虽没有模仿女人体，但是意象俱在，实为佳作。

日本设计师柳宗理的经典作品“蝴蝶凳”（图15），是另一款意象仿生的佳作。设计师采用两块一样模压成型的曲面纤维板通过金属件对称连接固定，整体简洁，造型令人联想到蝴蝶的翅膀，但又不是具象的模仿，具有意象的韵味。该设计获得国际设计界的赞许，1957 年在米兰设计大赛时获得金奖。

八、结语
以上从七个方面归纳了仿生在工业设计中的作用、意义和价值，现时代仿生越来越成为工业设计师的灵感源泉，著名设计师科拉尼的设计就是从仿生入手，设计了许多经典的产品，他声称：“我所做的无非是模仿自然界向我们揭示的种种真实。”事实上，仿生的研究和手法对于工业设计具有多重价值。价值是人类对于自我本质的维系与发展，既包涵人的意识与生命的双重发展，也包涵人与外在自然的统一发展。这就决定价值具有人的狭义层面和人与自然的广义层面，当今工业设计中的仿生应当在这样多个层面关注其价值所在。

参考文献：
[1] 江牧：《工业产品设计安全原则》，中国建筑工业出版社，北京，2008。
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