融合仿生學與可拓學的自清潔玻璃創新設計

劉曉敏,程廣馳,李嬌蓉,陳 亮

(福州大學 機械工程及自動化學院,福州 350116)

產品創新需要融合多領域、多學科和多創新方法學知識[1].將多種創新方法集成一起,應用于求解復雜產品創新設計問題,是今后產品創新發展的大趨勢[2].

生物體優異結構與功能給仿生設計研究帶來靈感和啟發.目前,仿生學研究已成為產品創新設計的熱點與前沿課題,急需融合一些創新方法來提助產品仿生創新設計[2-3].

可拓學能夠幫助設計者易于發現和拓展新的設計思路,便于利用可拓設計過程模型解決復雜產品沖突問題[4].同時,還能定量化地表示產品沖突和對產品創新設計模型進行可拓變換求解.洪筠等[5]將可拓學知識引入到仿生設計中,構造出生物耦元和各耦元之間耦聯方式的可拓模型,為生物耦元間的耦合定量化分析提供技術支持.Qian等[6]對生物耦合采用可拓層次分析法(Extension Analytic Hierarchy Process,EAHP)研究每個耦合因素對系統的重要程度.

Bio-TRIZ重新提取與整合了發明問題解決理論(Theory of Inventive Problem Solving,TRIZ)的40條發明原理[7-8].將仿生技術與可拓學結合,能實現創新方法的互補性應用,拓展創新思維空間,提高創新設計效率.為了減少建筑物玻璃清潔對環境的影響,開展自清潔玻璃[9]研發及應用工作格外重要.基于此,構建融合仿生學與可拓學的產品創新設計模型,對企業產品研發尤為必要.

1 融合仿生學與可拓學的產品創新設計模型

借助于生物系統和產品技術系統中類比相似度的計算方法,建立一種融合仿生學與可拓學的產品創新設計模型,如圖1所示.利用該模型對產品創新概念方案進行求解.

圖1 融合仿生學與可拓學的產品創新設計模型Fig.1 Design model of product innovation integrating bionics with extension

1.1 市場需求分析

為了對現有產品進行改善及優化,先要對市場需求做前期調研和分析,以確定待改進產品的功能.再利用黑箱模型、技術進化分析等方法,確定待改進目標產品功能的改進方向.

1.2 產品仿生原型建模

根據待改進產品功能與其相匹配的映射關系,構建產品仿生原型可拓模型.

(1) 建立目標產品功能的黑箱模型,即直觀性地表示產品系統輸入流與輸出流關系.

(2) 利用功能樹對待改進產品總功能進行分解,分解后的子功能具備本功能層最基本的功能,這些各子功能間為正交關系(任意兩功能間相互獨立).

(3) 確定產品功能后,建立待改進產品的可拓模型,便于定量化地表述設計問題,避免漏掉細節問題而影響最優解.

(4) 利用功能關鍵詞,從已有生物知識庫中查找仿生原型,與產品設計目標作功能類比,進行相似度計算分析,并以待改進產品相似度值最大的作為仿生原型,建立其可拓模型.

1.3 產品功能模型求解

對仿生可拓模型分析后,再將產品技術系統問題轉換成Bio-TRIZ問題,利用Bio-TRIZ沖突矩陣查找對應的發明原理.若此時仍未能求得原理解或求得的原理解不能轉換成工程解時,則利用可拓學中的可拓變換與拓展分析，對問題細化求解,進而獲得可行的方案原理解.

1.4 產品方案評價及確定

利用有效價值分析法對產生的多組可行創新方案評價.若滿足待改進產品的功能需求,則進行后續設計.若由該模型得到的設計方案不符合市場需求,則需要返回,重新設計.

2 工程實例應用及分析

人工清洗玻璃費時又費力.使用化學清洗劑,會造成環境污染及大量水資源浪費.傳統潤濕自潔和機械自潔均難以滿足玻璃清潔要求[10-11].因此,自清潔玻璃的研發及應用具有重要現實意義.

2.1 自清潔玻璃功能建模

先構建待改進玻璃功能的黑箱模型,如圖2所示.

圖2 玻璃黑箱模型Fig.2 A black box model of glass

將玻璃總功能(F)分解為擋風功能(F1)、遮雨功能(F2)、透光功能(F3)和待改進玻璃功能(F4),玻璃功能樹模型如圖3所示.

圖3 玻璃功能樹分解Fig.3 Decomposition of glass function tree

將設計問題可拓化為

(1)

式中：Om為設計對象；cm為設計對象特征；vm為設計對象特征量值.利用物元表示法,得到玻璃物元可拓模型為

(2)

式中:MⅠ為形態耦元;MⅡ為結構耦元;MⅢ為材料耦元;R為耦聯方式.

2.2 建立仿生原型的可拓模型

從仿生原型功能-原理-行為-結構(Function-Principle-Behavior-Structure,FPBS)4個層次出發,利用關鍵詞搜索現有生物知識庫,尋找并匹配出自清潔玻璃仿生原型,如表1所示.

表1 生物體自清潔玻璃仿生原型Tab.1 Biological prototypes of self-cleaning glass

從生物知識庫中篩選出5個仿生原型.為了提高設計效率,避免設計資料浪費,從表1中篩選最優的仿生原型.這需要計算相似度值,以便定量分析仿生原型與待改進產品功能在各種工況環境層次上的相似性[12].

產品仿生原型相似度計算公式為

(3)

式中:SIM為某生物與設計目標間的相似度值;SB為生物系統;ST為技術系統;i取{f,c},分別為功能、工況環境;|Pi(SB)∩Pi(ST)|為生物與技術系統i層次上相同特征項數;|Pi(SB)|為生物系統i層次上的特征項數;|Pi(ST)|為技術系統i層次上的特征項數.

若生物和技術系統間的相同特征數越多,則其總相似度一般也越高.為此,從待改進玻璃產品功能和工況環境著手,針對仿生原型和設計目標進行模糊相似度計算.玻璃主要有自潔、遮風、擋雨、透光等功能.為此,選取相似度值最大的設計方案作為自清潔玻璃仿生原型.對表2、式(3)計算及分析,得到自清潔玻璃各仿生原型在功能層面的特征項數及其各自相對應的相似度值.

在對應的工況環境層面,對玻璃采用直覺模糊偏好決策法進行評價[13].當仿生原型與待改進玻璃功能極其相似時,相似度值取值為0.9;以此類推,極其不相似時,相似度值取值為0.1.

表2 仿生原型的功能特征項數Tab.2 Number of function feature items for bionic prototype

研究發現:魚鰓是完全浸沒在水中,取適中相似為0.6;鯊魚皮是完全浸沒在水中實現身體自潔,取適中相似為0.6;壁虎腳掌是在干燥物體表面實現自潔,取強烈不相似為0.3;禽類羽毛靠皮膚分泌脂質且在無水情況下也可自潔,取強烈相似為0.7;荷葉自潔是在雨水中使臟污隨雨水輕易滑落,取非常強烈相似為0.8.為此,取功能及工況環境所占權重為{0.6,0.4},代入式(3),分別計算出5個仿生原型和待改進玻璃的相似度計算結果,如表3所示.荷葉與待改進產品具有最高的系統相似度為0.440,故選用荷葉作為自清潔玻璃仿生原型.為此,需要建立荷葉可拓模型.荷葉表面與荷葉微觀結構如圖4所示.

表3 仿生原型相似度匹配結果Tab.3 Similarity matching results of bionic prototype

圖4 荷葉表面水珠和荷葉微觀結構圖Fig.4 Water drop on the lotus leaf surface and its microstructure

建立荷葉各耦元及其耦聯方式可拓模型為

(4)

式中:M1,M2,M3分別為荷葉形態耦元、結構耦元和材料耦元.

2.3 可拓模型求解

分析荷葉原型,抽取TRIZ工程技術參數,采用Bio-TRIZ描述,即改善玻璃的物質和結構操作域,查詢Bio-TRIZ沖突矩陣,得到發明原理No.17:空間維數變化原理,No.30:柔性殼體或薄膜,No.33:同質性原理,No.40:復合材料.

玻璃設計目標集耦元為:{形態,結構,材料},該符號描述為:{MⅠ,MⅡ,MⅢ}.通過計算形態、結構、材料等耦元對玻璃自清潔功能的重要性,建立如下判斷矩陣:

(5)

利用Matlab軟件,算出其最大特征值λmax=3.038 5.該特征向量歸一化處理后的權向量W=[0.104 7 0.637 0 0.258 3].

對其進行一致性檢驗,經計算得

式中:CI為一致性指標n為判斷矩陣階數;RI為平均一致性指標,CR為一致性比率.

由式(7)知,該排列順序通過了一致性檢驗,其各評價指標權重系數配置均滿足要求.因此,待改進產品耦元重要性程度依次是結構、材料、形態.然而,形態耦元重要性最小,在設計中,僅考慮玻璃結構和材料兩個較重要的影響因素.由于Bio-TRIZ不能直觀地得到待改進玻璃的原理解,需要融合仿生學及可拓學的創新設計模型,再借助于可拓學知識進行可拓表示.建立玻璃結構可拓模型MⅡ、材料可拓模型MⅢ:

利用仿生設計知識,對待改進玻璃結構耦元MⅡ和材料耦元MⅢ進行可拓變換，即

(10)

(11)

(12)

(13)

自清潔玻璃可拓模型G′為

G′=

(14)

綜上,利用所構建的產品創新設計模型,得到改進的自清潔玻璃方案,如表4所示.

表4 改進的自清潔玻璃方案Tab.4 Improved schemes of self-cleaning glass

2.4 方案綜合評價

針對方案Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,選擇主要性能、結構設計、使用性能、制造性能、人機對話和經濟性能等6個指標,作為概念設計方案評判標準.各性能指標分別具有相應的評價準則如表5所示.

由表5得(Gwj)max=GwⅠ=64,(Gwgj)max=GwgⅠ=6.90.證明方案Ⅰ總評價值最高,10項評價均符合要求.因此,利用融合仿生學與可拓學的產品創新設計模型,使得原理解方案在系統綜合性能方面得到極大提高.通過普通玻璃表面與改進的自清潔玻璃表面清洗過程及原理對比,能直觀地看出改進的自清潔玻璃去污能力更好,如圖5所示.由創新設計得到自清潔玻璃三維結構示意如圖6所示.

圖5 玻璃清潔過程對比Fig.5 Comparison of glass cleaning process

表5 設計方案加權評估表Tab.5 Weighted assessment table of design plan

注:序號中1～5為技術價值;6～10為經濟價值.

圖6 自清潔玻璃模型三維結構示意圖Fig.6 Schematic of three-dimensional structure for self-cleaning glass model

3 結論

(1) 構建出一種融合仿生學與可拓學的產品概念創新設計模型,集成了多學科、跨領域、多創新方法的優勢,得到可行的產品創新設計原理解方案.利用有效價值評價法對得到的原理解方案進行篩選,最終獲得最優的原理解.

(2) 通過查找仿生原型,計算產品綜合相似度值,從而優選出相似程度最高的仿生原型.這在一定程度上避免了傳統仿生設計在選擇生物原型時單純靠經驗和知識進行試湊式處理的弊端.

(3) 將集成生物體仿生技術與可拓學的創新設計思想應用到自清潔玻璃工程設計中.通過改變玻璃表面結構,提高了其疏水能力,使附著在表面的污垢隨雨水快速滑落,實現自清潔.