形态？生态？——仿生设计在汽车设计中的悖论

 一、引言：基于自然的创新
仿生学这一术语源于文字“BIOS”，意味着生命和模仿，是指通过向自然和生命学习并模仿生命的形态、过程以及生态系统，从而创造出可持续性的设计，以解决人类社会所面临的问题和挑战。[1] 仿生学认为自然系统已经创造性地进化出多样化的解决方案，并能够带给人们以启发，帮助人类社会应对能源利用、食品生产、气候控制、交通系统、组织合作等诸多领域的挑战，这种方法可以帮助人类社会实现设计与技术的可持续性发展。然而，回顾设计史，从新艺术运动到流线型运动，艺术设计领域虽然存在着模仿自然的方法和成果，但是设计师们主要还是利用模仿自然生命的表象，对人造世界的产品与环境进行装饰和美化，较少有深入的跨学科仿生学合作和协同创新的设计研究成果。作为现代工业设计的代表性行业之一，汽车设计行业始终徘徊在炫目的形态游戏与表象的仿生学边缘。
随着众多汽车企业为获取更大的商业利润，将形态各异的汽车产品不断推向细分化的市场，消费者逐渐对眼花缭乱的车身变化产生了视觉审美疲劳。与此同时，人类的生存环境也逐渐被拥堵无序、环境污染、能源危机等问题所困扰。人类社会未来交通系统的设计发展能够从自然系统的进化规律中获得什么启发？仿生学如何从方法论层面提供给汽车设计师有效的创新工具进行可持续性交通系统的设计规划？这些问题有待于设计科学、生命科学、社会科学等相关领域进行跨学科的探索和批判性的论证，寻找未来的解决途径。

1. 达·芬奇的飞行器仿生设计手稿[2]

2. 卢吉·科拉尼运用生物形态设计的交通工具

3. 通过比例设计能够改变甲壳虫汽车的视觉年龄和情感体验

4. 模拟鱼类行为的智能化概念汽车“EPORO”[10]

5. 模拟鱼鳞结构和行为的太阳能概念车[11]

二、综述：自然设计与人工设计
从进化论角度出发，自然是最伟大的设计缔造者，达尔文主义认为只有经过完整进化和杰出设计的生物才能生存下来。自然选择的法则创造并优化了生物系统，使众多物种经过38亿年的演化，在我们这个星球上生生不息地生存发展下去。人类自造物以来，就一直试图通过对自然生命系统的模拟、抽象、提炼，从中学习生存的哲学并获得创新的启迪。文艺复兴时期的天才巨匠达·芬奇通过严谨的解剖学来研究自然生命系统，从中获得灵感，设计出众多令后人叹为观止的机器设备。（图1）
人们生活的世界中，运用仿生学原理设计的物品无处不在：锯子的发明受到丝茅草的启发；高强度纤维的创造源于对蜘蛛丝的研究；防水黏合剂灵感来自贻贝附着在海底的能力；高强度陶瓷的发明受到鲍鱼壳的启发；鞋底纹理的设计源于对山羊蹄子的仿生；维可牢尼龙搭扣的创造受到苍耳子豆荚的启发；泳装的设计是对鲨鱼皮的模仿等等。
赫尔伯特·西蒙（Herbert Simon）在《人工事物科学》一书中批判了传统意义上通过对生物学（biology）的学习寻求设计创新灵感的简单做法，他指出，虽然人造物能够模仿自然事物的外形，却在诸多方面缺乏后者的真实性。[3] 但是随着科技的发展，生命科学（life science;bioscience）在更为广义的层面上重新定义了生命现象、生命活动的本质和特征、生命发生和发展的规律，以及各种生物间和生物与环境间的相互关系。因此，维克多·马歌林(Victor Margolin) 认为，生命科学具备的技术可能性已经模糊了人造物和现实之间的边界，可控的生物系统将变成自然的替代品，而不仅仅是自然的仿品。[4]
近年来，史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）和列纳德·蒙洛迪诺（Leonard Moldinow）在《大设计》一书中借助量子论和理论物理的科学基础，提出“依赖模型”的实在论，试图运用M 理论揭示宇宙、自然、生命的定律，建立大设计的哲学体系。[5] 科学领域的探索成果为人工世界学习自然系统，实现生态的自适应和可持续发展打开了一扇更为广阔的方法论之
窗。仿生设计的终极目标应该是通过整合多学科资源，建立科学与艺术联姻的设计创新体系[6]，创造出符合并适应宇宙、自然、生命发展规律的科学哲学和产品、环境及服务系统，实现人类社会文化系统的可持续发展。当前的可持续设计实践关注于生态效用，希望通过创造更多低消耗、低污染的产品/ 服务来实现可持续的产品战略，但是，由于这些产品大量销售及所产生的反弹效应，这样的产品生产得越多，其对环境所产生的负面影响越大，因为这种可持续设计理念只是注重减少不可持续产品的生产，而不是去努力实现可持续性的设计[7]。相关学者认为，有效的可持续产品开发战略是源于自然灵感的设计战略（Nature-inspired Design Strategies），向自然学习成为可持续设计的新范式：这种设计战略是由仿生学、摇篮到摇篮、自然资本主义共同构建的研发—生产—销售—使用—回收—再利用的生态系统组成，以实现保持自然、生态、社会等诸多要素间的动态平衡和自适应选择。

6. 奔驰公司设计研发的仿生学盒子鱼概念汽车

7. 奔驰公司设计研发的BIOME 概念汽车

三、分析：多层面的汽车仿生设计
作为现代汽车设计的重要方法手段之一，仿生学的应用角度受到学术界和产业界的广泛关注与争论。汽车设计(Car styling design) 在诞生之初是为了对车身进行差异化的美化和包装，寻求商业上的短期效益。但是伴随着汽车工业的发展，汽车给人类的生存环境带来诸多负面影响：城市拥堵、空气污染、能源危机、安全隐患等。这些异化现象令设计界重新反思汽车仿生造型设计的观念和方法。
当前汽车仿生设计的研究和实践显现出三个层面的维度：第一个层面是模仿自然与生命的形态。从修辞学意义上看，人工产品是由原理、特性、情绪这三种相互关联的论据构筑的[8]，对于生命外部形态的模拟构建了汽车产品的表象特征。被称为“自然界翻译者”的著名设计师卢吉·科拉尼（Luigi Colani）根据自己理解的自然界法则，利用曲线模仿自然和生命形象，创造出独特的生态形状（Bio-form），并将其广泛地应用于汽车等产品的设计中。（图2）但是，科拉尼的“唯生物形态论”受到设计界的诸多争议，一些设计师认为科拉尼脱离功能原理的有机形态变化会带来产品创新的异化，这在某种程度上背离了仿生设计的生态可持续原则。在模仿自然与生命形态的设计作品中，甲壳虫汽车无疑是最为著名的案例。设计理论家帕帕奈克（Victor Papanek）从仿生认知学和情感化设计角度对这款汽车的形态特点进行了分析。他认为，幼小生命的骨骼比例给人以温暖的感觉和呵护的冲动，将这种比例形态变化应用在产品形态和线型的设计中，能够带给人们对于产品“年龄”的情感性认知。（图3）甲壳虫汽车对于自然生命形态的类比建构了独特的特征气质，并通过表面的权威性说服观众，并带给他们以丰富的情感体验。[9]
汽车仿生设计的第二个层面是模仿自然与生命的行为特征和进化过程。日产汽车的设计师对海洋中鱼类“避免碰撞”、“同排移动”、“靠近同伴”三种行为规则进行研究，并将其转化为新的驾驶操控方式设计，开发出智能化的概念车“EPORO”。该技术模仿鱼群在前行时绕开障碍物的同时避免互相碰撞的活动模式，使该款概念车能在车流中穿梭自如。当EPORO 在
马路上行驶时，会自动按照行进方向编组，同路线的汽车既互相跟随，又保持一个合理的间距，当前方出现障碍物时，还会自动规避。这种仿生设计方案解决了堵车和撞车等城市交通无序化的问题。（图4）宝马公司联合福斯海姆设计学院，通过对鱼鳞和鱼腮结构和行为的研究，设计出Lovos 节能概念汽车，它拥有260 个鳞片，可以通过铰链转动，作为太阳能电池板和空气制动系统，实现绿色出行的目标。（图5）
仿生设计的第三个层面是模仿自然界的生态系统，是对一个特定的生态系统的功能及其成功要素和原则进行深层次类比，实现产品/ 服务全系统的可持续设计目标。戴姆勒·奔驰公司为了设计出绿色可持续的汽车产品，不仅利用仿生设计的方法提升了汽车在空气动力学、安全性、节能减排等方面的性能，而且对汽车生产、使用、维修、回收、再利用的整个生命周期进行仿生研究和生态类比，试图建构全方位的生态人造系统。奔驰公司的设计师从盒子鱼的流体力学研究出发，进而受到树木枝干和动物骨骼的启发，寻找到了优化汽车框架强度、减少材料消耗、降低汽车风阻、降低燃料能耗等综合性的设计手段，并运用相关计算机软件对设计结构形态进行评估计算，这种仿生设计创造的汽车不仅在碰撞试验中十分安全，而且车身重量轻了30% 以上。（图6）近年来，奔驰公司整合多学科研究成果将仿生设计推向更深层的领域，其研发的BIOME 概念汽车已经摆脱了被动地对自然生命的表象模拟，设计师和工程师们通过对生命原则的深入研究，运用绿色能源技术和仿生纤维技术使得车身重量减到875.5 磅重，并在报废后能够全部生物降解，进行自然循环，该汽车收集太阳能作为矿物能源的替代品，对环境不产生污染，建立了产品整个生命周期的可持续生态圈。（图7）

8. 仿生学要素（Biomimicry Institute）

9. 人造物的发展轨迹

10. 仿生设计过程螺旋（Biomimicry Guild）

四、讨论：仿生设计的新范式
由于仿生学在诸如汽车设计等应用领域具有广阔的发展前景，近年对于仿生设计的研究受到设计实践与研究界的关注，相关研究包括仿生设计概念分析研究[12]，受生命科学启发的认知学研究[13]，为支持仿生设计而进行的以知识建构为基础的交互设计工具研究[14] 等等。值得指出的是，尽管国际上来自生物和工程等领域的专家对仿生学的应用和相关方法做了诸多研究，但由于缺乏与设计界学者和实践设计师的跨行业合作，导致设计师对于仿生学的应用更多地停留在模仿生命形态的表层上。将仿生设计的过程作为一种设计行为范式进行的研究更是鲜有深入的探讨。如何整合不同学科领域进行跨学科的设计研究与实践，建立有效的理论方法，为交通工具的创新设计实践提供帮助，成为未来仿生设计关注的话题之一。
仿生设计过程不是仅仅停留在线性地通过模仿生命形态提出解决方案的表象层面，它包含了相互关联的三个要素（图8）：（1）观念（Ethos）要素构成了人们进行仿生设计的伦理、意图和哲学，是人类希望适应性地栖居在地球上的愿望；（2）重新连接（Re-Connect）要素是指对于两个独立概念（人与自然）间内在关联性的再认识；（3）模拟（Emulate）要素以自然为参照模型和依据，将设计意图转化为创新过程以适应这个行星的发展规律，模拟是仿生设计在操作层面上的行动过程。
有效的仿生模拟应该从人工智能和认知科学角度进行研究切入，进而产生创新概念并对人工世界进行修正或改造。生物学家詹尼·博耶斯（Janine Benyes）将语言学的“类比”方法导入仿生设计研究，她认为运用仿生设计“类比”自然生命系统是人类创造可持续未来的重要途径。[15] 从语义学角度来说，后现代时期的设计业态在摆脱形式追随功能的观念之后，转向关注人造世界的“意义建构”[16]。这种“意义的生成”需要通过修辞学原理构建人造世界与自然世界的共同相关性以及人造产品对于自然生命系统的再表述性。人造物的发展轨迹从注重产品的技术功能，拓展到对商品/ 服务体系的构架，进而发展到界面及多用户网络。随着现代主义向后现代性的迈进，对于设计话语和修辞性的关注成为构筑和谐人造世界和自然世界关系的核心议题（图9），仿生设计在这个构架中成为重要的工具方法。
实现设计过程中对生命系统的深入模拟，首先需要对自然生命规律进行充分认识。近年来，生命科学领域的学者试图建立仿生学数据库，介绍生物的生存法则和功能原理，这些研究指出：生命系统是相互关联和相互依存的；生命原则显现出物种的多样性；通过优化整合策略，生命创造出延续自身系统的条件。阳光、水、重力等要素创造了动态的、限定性的、循环的自然语境，也构建了六项生命原则：（1）为生存而进化的原则：包括繁殖策略，整合意外，重构信息等；（2）有效利用综合性资源的原则：包括多功能设计，使用低能耗过程，循环利用所有材料，调整形态以适应功能等；（3）适应性调整以应对外部环境变化的原则：包括利用自我更新以保持完整性，通过变异、冗余、疏散等手段保持灵活性，兼容多样性等；（4）增长中谋求发展的原则：包括将模数化和内嵌组件进行整合，构建自下而上的结构，自组织等；（5）适应地域的原则：包括利用现有的材料和能源，培育协作关系，平衡循环过程等；（6）利用无害化学作用的原则：包括选择性地构筑子系统，将产品分解成良性组件，在水中进行化学反应等。通过语言学研究，印度科学院尝试利用动词、形容词、名词等语言要素进行分类来建构仿生学和工程学知识的数据库。这些语言类比转换的手法包括“融合/ 分解”、“显露/ 遮盖”、“扩张/ 拼贴”、“共同核心结构”、“综合”、“遵循结构界面”、“翻转”、“功能共享”、“分叉”、“通感连接”、“模块化”、“嵌套”、“共享动力传动”等具体方法。[17]
仿生设计螺旋过程模型为汽车设计师在创新过程中导入仿生学知识和从生命科学中获得启发提供了帮助。（图10）该过程模型指出，仿生设计不是一个单项的推理过程，而是一种螺旋渐进的往复过程。首先，它源于对问题和需求等设计任务的界定；之后将设计任务转译成生物学术语和建构参照系；第三步是探索设计任务与自然生物模型之间的关系；第四步对生物学模式进行抽象分类；第五步，基于自然生物系统模型发展出类比仿真解决方案；第六步，以生命科学法则为原则进行方案的评价；第七步，通过对自然生命法则中问题的进一步挖掘，界定更为清晰的设计任务，并进入新一轮的螺旋设计流程。这样不断往复，螺旋上升，对设计方案进行生态层面的优化，以实现交通产品/ 服务系统的可持续发展战略。

五、结论：未来愿景
面对当下和未来交通系统设计规划中的问题和挑战，设计师们不能孤立地探讨基于外观形态的仿生汽车造型变化，而是应该将其作为一个系统架构进行思考，其中包括车、人、环境、社会、文化等。汽车作为最为复杂的人造产品系统和服务介质，是集当代设计科学与哲学观念为一身的代表性人造物，这种产品应该被设计制造成为与自然生命系统和谐共处的“人工有机系统”。运用仿生学原理创造基于生态观念的交通工具/ 服务系统需要不同领域的专家进行跨学科合作，实现协同创新与可持续发展。汽车仿生设计的未来将不仅停留在通过三个层面的模拟自然寻求被动的“模拟生态”维度上。国际设计研究领域正在努力与生命科学、医学、农业学、材料学等众多学科领域合作，试图对自然生命系统进行积极的“干预”和“再设计”[18]，创造“可控的生物系统”[19] 以替代“仿生的人造世界”。例如，日本的科学界和设计界已经展开通过感性工学和基因组学的交叉合作，对未来生命形态进行预测与设计改良的前沿性研究，进而构建可控的生命系统，为人类社会的有序化发展提供新的范式。这种生态设计将超越本文所论述的仿生学传统方法和观念，也将成为未来生态交通系统设计研究的发展方向。

注释：
[ 1 ] Benyes , J . ,Biomimicry: Innovation I n s p i r e d b y N a t u r e .1997: William Morrow.
[ 2 ] Leonardo , D . , Leonardo's Notebooks , Black Dog & Leventhal Publishers: New York.
[ 3 ] Simon, H.A., The Sciences of the Artificial . 1969,Cambridge, Mass: MIT Press.
[4] Margolin, V., The Politics of the Artificial: Essays on Design and D e s i g n S t u d y . 2002, Chicago: The University of Chicago Press.
[5] Hawking , S . W . and L. Moldinow, The Grand Design . 2010, New York:Bantam Books.
[6] Helms , M. , S . S . Vattam, and A.K. Goel, Biologically Inspired Design: Process and P r o d u c t s . D e s i g n Studies , 2009. 30(5): p.606-622.
[7] Pauw, I . d . ,etal. , Nature Inspired Design : Strategies Towards Sustainability , in Knowledge Collaboration&Learning for Sustainable Innovation ERSCP-EMSU conference , . 2010,Delft: Delft.
[ 8 ]Buchanan , R . , Declaration by Design: Rhetoric, Argument, and Demonstration in Design Practice, in Design Discourse: History,Theory , Cricism, V. Margolin, Editor.1989, The University of Chicago Press: Chicago. p. 91-110.
[9] Papanek, V., The Green Imperative:Natural Design for the Real World . 1995, New York: Thames and Hudson.
[10] NISSAN, Nissan EPORO Robot Car “Goes to School” on Collision-free Driving by Mimicking Fish Behavior, http://www. nissan-global.com/EN/NEWS/2009/ _STORY/091001-01-e.h t m l , E d i t o r . 2009, NISSAN.
[11] F o r s c h n e r , A . Lovos, in core77.com.2009.
[12]Lenau, T.,Biomimeticsas a Design Methodology- Possibilities and Challenges,in International Conferenceon Engineering Design, I C E D ' 0 9 . 2 0 0 9 , Stanford University:Stanford.
[13]Linsey, J . , K . Wood, and A. Markman, Modality and Representation in Analogy. AIEDAM:Artificial Intelligence for Engineering, Design, a n d Ma n u f a c t u r i n g ,2008. 22: p. 85-100.
[14] Sarkar, P. and A. Chakrabarti, The Effect of Representation of Triggerson Design Outcomes. Artificial Intelligence for Design, Analysis and Manufacturing , 2008.22: p. 101-116.
[15] 同[1]
[16] Krippendorff, K., The Semantic Turn: a New Foundation for Design.2006, Boca Raton: CRC Press.
[17] Tinsley, A., et al. Exploring the Use of Functional Models as a Fundation for Biomimetic Conceptual Design . in ASME 2007 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference. 2007. LasVegas:Nevada.
[18] Akira, H., Kansei Preference for Human and the Chicken Figure, in Conference on Human-Chicken Multi-relationships Research Project.2005,Pornthep LERTTEVASIRI: Tokyo.
[19] 同[4]