仿生設計在產品設計中的應用探討

劉德喜 李 鵬 Liu Dexi & Li Peng

(1.2.東北林業大學材料科學與工程學院，黑龍江哈爾濱 150040）

仿生學為產品設計提供了新的思路，產品仿生設計是一種在模仿自然的基礎上進行的創造性活動，通常根據生物系統特征在設計中的不同應用方式進行類別，表達出一種源于創新，效法自然的現代產品設計理念，以創造出更多滿足現代人生活需求的產品,這將成為未來產品設計的發展趨勢。

1 “師法自然”的產品仿生設計理念

物競天擇，適者生存，經過漫長的進化過程，自然界中存在的生物得以生存，并不斷改善自身結構，實現與環境的共生，這是遵守自然規律的結果。“師法自然”就是以大自然為師，順應自然，并加以效法[1]。仿生設計是基于自然界中一切的形態，顏色，肌理，結構和功能，在設計過程中有選擇性的應用不同的生物特征和原理進行的設計[2]。德國著名仿生設計大師路易吉g克拉尼曾說，他的設計靈感都是來自大自然[3]。

仿生設計自古有之，石器時代以來，人們生活中的食具，飲具，燈具等器具都曾模仿動物形態進行制作[4]。商周、西漢時期，工匠們模仿動物外形設計制作了虎尊、象尊等具有不同功能的青銅器。古希臘人在建造神廟時，創造了經典的古希臘三大柱式，柱頭造型靈感也是來自于對自然的模仿。到了近代，隨著工業生產技術水平的提高，人們開始追從“少即是多”的技術美學思想，產生了現代主義設計，此時出現了大量以理性幾何造型為主的產品。丹麥著名設計師保羅·海寧森根據洋薊的層疊造型特點進行仿生設計，造就了經典的PH洋薊吊燈（圖1）。為了使生活更加多樣化，現代設計模仿自然設計和創造新產品，這不僅增加了產品的趣味性，而且賦予產品新的活力和意義。

2 仿生設計在產品設計中的應用

2.1 形態仿生設計

產品的形態仿生是指在產品設計過程中模仿或簡化生物體的外部形態特征，以及通過藝術處理方法將其應用于產品設計，并在產品外觀上呈現出來。根據生物體形態的還原程度分為具象仿生、抽象仿生和意象仿生[5]。

2.1.1 具象形態仿生

具象形態仿生是通過模仿自然對象的外觀造型,利用夸張、變形等手法，近似的再現物體的形態，使其極具引人注目的視覺效果[6]。在產品設計中結合具象仿生原理，增加了產品的趣味性和創造性，所以，這種設計方法在玩具、工藝品和日用品的設計中應用較為廣泛[7]。我國七八十年代風靡一時的兒童玩具-鐵皮青蛙，其通體綠色，帶有花紋。其在擰緊發條后可向前彈跳，樣子栩栩如生。

2.1.2 抽象形態仿生

抽象形態仿生是以仿生對象的外觀形態為根基，運用提煉與歸納、夸張與變形等多種處理手法[8]，對仿生對象的形態特征元素進行簡化或概括，使其脫離原始自然形態，重點表達出仿生對象的“神態”，最后應用于產品的形態設計[9]。這就與中國傳統繪畫藝術中的“不似之似”理念不謀而合，即在繪畫創作過程中不只是照搬客觀物象，而是要有所概括、取舍、調節，以求得到比生活更高的藝術效果，可見其與抽象仿生設計有著異曲同工之妙[10]。

北歐的現代主義之父雅各布森，運用抽象仿生的方法設計了三把現代椅子，分別是天鵝椅、蛋椅、蟻椅(圖2)。天鵝椅整體造型宛若一只張開翅膀的天鵝，線條流暢而優美，使人感到輕松與舒適。蛋椅的椅身、后背和扶手連成一體，坐進去后整個身體仿佛被包裹起來，給人以安全感。蟻椅模仿螞蟻的圓形腦袋和細腰，經過設計提取出幾何形式，其造型簡約而不簡單，充滿生命氣息。

2.1.3 意象形態仿生

意象形態仿生是通過對仿生對象的形與意進行研究設計，使產品既有自然形態上的視覺效果，又有符號能指上的寓意與象征。意象形態仿生設計的根本是挖掘生物形態和產品之間的潛在聯系，在兩者的比較中體現產品與仿生對象之間的內在關系。正如所示的貓型吉祥物，其設計采用貓外形的同時，注重其吉祥寓意的表達，達到產品的形神合一。招財貓舉起左、右爪分別表示招福、招財，都代表著主人對幸福生活的期盼和美好未來的希冀。

2.2 結構仿生設計

結構仿生設計就是依據不同的目的，找到生物體結構與產品的內在聯系，并將其運用到產品設計中。在產品的結構仿生設計中，應用最多是植物的莖、葉以及動物肌肉、骨骼的結構[11]。結構仿生根據仿生對象結構的尺度大小進行劃分，包括宏觀結構仿生和微觀結構仿生。

2.2.1 宏觀結構仿生

在產品的結構仿生設計中，人們借鑒仿生對象結構的優良特性創造出許多理想的產品形式。最典型的莫過于蜂窩的多孔結構，設計師根據蜂巢的構造特點，設計出抗壓強度更高，成本更低的蜂窩板，并廣泛運用在各行各業。位于美國威斯康辛州麥迪遜市的聚合物研究中心開發了一種非氣動蜂窩輪胎（NPT），它采用規則排列的六邊形結構達到均衡受力，在保證減震效果的同時最大化提高車輪強度。這種結構避免了爆胎問題，并且在噪聲抑制和摩擦生熱性能方面優于普通輪胎。瑞士Noonee公司根據節肢動物外骨骼的結構特點研制了一款產品，被稱為可穿戴的外骨骼座椅（Chairless）（圖3）。動物外骨骼十分堅固，主要對其內部器官起支持和保護作用，科學家已開發出不同種類的外骨骼設備，可用于日常生活和生產工作。

圖1 洋薊與PH洋薊吊燈

圖2 天鵝椅、蛋椅、蟻椅

圖3 外骨骼座椅、骨骼椅

圖4 瓢蟲與警示標志

圖5 果汁飲料盒

圖6 沙漠甲蟲與集水器

2.2.2 微觀結構仿生

對于生物體微觀結構的研究，為產品結構與形態、功能的有機統一，以及設計出更多結構精巧的產品提供途徑。德國設計師Marco Hemmerling和Ulrich Nether打破椅子的傳統方正造型和木質結構，以人體骨骼內部微觀結構作為仿生設計元素，設計出骨骼椅Generico Chair。美國斯坦福大學的一個研究小組模擬壁虎腳掌的微觀結構，研制出一種仿壁虎機器人，可在玻璃表面爬行。瑞士工程師研究發現，蒼耳果表面布滿倒鉤刺，于是根據該結構發明了新式紐扣-魔術貼，其由尼龍鉤和尼龍線兩部分組成，使用上較傳統紐扣更加便捷，在衣物、鞋子等設計中十分普遍。

2.3 色彩仿生設計

產品的色彩決定著消費者對產品的第一印象，雖然產品的顏色與形狀密切相關，但其對人在視覺感官上的刺激更為直接。所謂色彩仿生設計是從自然的色彩搭配中總結其在仿生物體中的作用，積累色彩搭配的經驗并呈現在產品設計中，使產品更加美觀、和諧。例如根據彩虹的繽紛色彩生產的彩虹糖，真的做到了看到彩虹，吃到彩虹。人類所觀察到的色彩有顯色和隱色之分，所以色彩仿生設計包括顯性色彩仿生和隱形色彩仿生。

2.3.1 顯性色彩仿生

色彩的仿生的作用在產品設計中不可忽視，在產品設計構思之初，需將色彩和形象二者相統一，即便是同一種顏色，在不同情境中也會帶來不同的心理感受。大自然的色彩，尤其是顯性色彩被廣泛的應用于產品設計等領域。例如血液的紅色既可以代表熱情，也可以表示安全警示。設計師從瓢蟲的配色提取出具有警戒作用的紅色和黃色，這種警戒色以及具有相同原理的警示標志在人們的生產生活中得到了廣泛的應用，以達到提醒大家注意安全的效果（圖4）。瓢蟲利用顯色來警示天敵，保護自己，而有些動物則進化出獨特的色彩花紋，作為特有的隱形保護色，如斑馬的黑白條紋，長頸鹿的花紋。

2.3.2 隱形色彩仿生

在色彩仿生設計中運用較多的是隱形色彩仿生設計，隱形色彩的一個突出特點是具有保護色的作用，不論是黑白灰色，還是絢麗的環境色彩，又或者是單一色彩，都具有豐富的色彩層次和結構。另外，保護色的形成還必須依靠適當的色彩存在形式，色彩的存在形式還會因環境的變化而變化，只有這樣的保護色才能具有有效性。蘇聯昆蟲學家施萬維奇通過對蝴蝶翅膀色彩的研究發現，其后翅顏色在陽光下變化無常，可保護自身在花叢中不易被發現，起到隱蔽的作用。蘇軍利用蝴蝶的偽裝原理對軍事設施進行偽裝，成功躲避敵軍轟炸。后來根據相同原理設計出了迷彩服，在野外可與自然環境融為一體。

2.4 肌理仿生設計

肌理仿生是模仿生物體表面的紋理質感,提高產品外表的藝術美感，這是是對自然美的一種直接轉化[12]。產品的肌理仿生設計是通過模擬自然物體的表面紋理和組織特征，從而增加人與自然的共鳴感。生活中常見的人造皮革、仿木紋表面產品等都是對天然肌理質感的仿生。研究發現，鯊魚皮膚表面粗糙的V形皺紋可以減少水流的摩擦，使身體周圍的水更有效地流動，加快鯊魚的游速。模仿這種特殊表面肌理，Speedo公司研制出一種高科技鯊魚泳衣，又稱“神奇泳衣”，在游泳比賽中成為影響比賽結果的重要因素之一。如（圖5）日本產品設計師深澤直人基于水果的表面肌理進行果汁飲料盒外觀設計，充分再現獼猴桃、草莓等水果的多重感覺，使人們看到飲料盒時仿佛就已經聞到了水果的香味，更誘使消費者去伸手觸摸，手感與真實水果十分相似。

2.5 功能仿生設計

產品的功能仿生是通過研究生物功能和天然材料存在的特性，并對其進行設計改造、實踐創新，以促進產品的更新與開發[13]。仿生學的誕生不過短短幾十年，但功能仿生的實踐卻早有記載。春秋戰國時期，魯班被鋸齒草的葉片劃破皮膚，于是從中找到靈感，發明了鋸子，大大提高了工作效率[14]。功能仿生在產品的仿生設計中占據重要地位，所以受到廣大設計師的的青睞，在向大自然學習的過程中，不斷創造出新的產品，為人類服務。例如，集水器械對沙漠甲蟲的仿生。納米比亞沙漠甲蟲外殼布滿了小而平整的隆起，且隆起的平面如鏡子般光滑，獨特的結構使其可以輕易收集到空氣中的水汽。外殼表面還覆蓋著一層蠟狀物質，具備疏水性質，可保證水滴順利向下流動。英國科學家模仿沙漠甲蟲的集取水裝置制作了集水器（圖6），該集水器對于收集空氣中的水分效果顯著。

3 結語

產品的仿生基于生物特性與產品構成要素的關聯性進行分類，各種仿生方式在實際應用中并非獨立存在，而是互相聯系與滲透，相互依存又各有特點。仿生設計的方法在具體應用中沒有界線，可根據產品設計的需求，任意組合使用，將會達到意想不到的效果。

產品仿生設計具有廣闊的前景，仿生學的進一步發展伴隨著新成果的不斷出現，人類對自然界中的一切也有了更客觀、更深刻的認知，以自然為師，加以效法。從萬事萬物的本質特征和基本原理中獲得設計靈感，分析研究，歸納總結，最終為產品設計服務。