仿生技術(shù)在演藝裝備領(lǐng)域的應(yīng)用初探*

郭克橋,尹海鵬,王 艷

(甘肅工大舞臺(tái)技術(shù)工程有限公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

自然界的任何一種生物發(fā)展到今天都可能經(jīng)過上萬年、百萬年、甚至上億年的自然選擇，每一種生物都足以成為人類科技進(jìn)步的偉大導(dǎo)師[1]。長期以來人類從自然界汲取靈感實(shí)現(xiàn)科技的飛躍式發(fā)展，如模仿飛禽制造出飛機(jī)、模仿蝙蝠制造出雷達(dá)，大到某一行業(yè)，小到某些零部件，都離不開仿生技術(shù)。仿生學(xué)興起于20世紀(jì)50年代，是一個(gè)前沿、新穎、多元化的交叉學(xué)科，2005年Collins M W系統(tǒng)介紹了生物學(xué)和工程學(xué)結(jié)合的基本規(guī)律[2]，仿生理念拓展到形態(tài)與造型仿生、結(jié)構(gòu)與美學(xué)、力學(xué)與意象、功能與機(jī)理、材料與組織及控制與系統(tǒng)等領(lǐng)域[3]。1990年日本模仿翠鳥流線形的頭骨設(shè)計(jì)出時(shí)速超過320 km/h“類翠鳥頭骨”的高鐵，2000年Speedo公司模仿鯊魚的V型褶皺研發(fā)了“鯊魚皮”泳衣，德國FESTO公司受大象鼻的啟發(fā)，研發(fā)出一款仿生機(jī)械臂[4]。

社會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展在很多方面提升了演藝裝備技術(shù)，進(jìn)而極大地豐富了演藝從業(yè)者對(duì)現(xiàn)代藝術(shù)的表現(xiàn)表達(dá)形式，演藝裝備工程領(lǐng)域，形態(tài)仿生技術(shù)可使演藝裝備擺脫“傻、大、黑、粗”的傳統(tǒng)印象，以生動(dòng)、直觀和更具表現(xiàn)張力的形式從演藝載體轉(zhuǎn)變?yōu)檠菟囍黧w，同時(shí)通過給裝備注入生命力和靈魂賦能演藝形式[5]，進(jìn)而提升藝術(shù)的可觀賞性。結(jié)合目前演藝裝備現(xiàn)狀和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，筆者從形態(tài)仿生、力學(xué)仿生、材料仿生、系統(tǒng)仿生四個(gè)方面探討仿生技術(shù)在演藝裝備工程領(lǐng)域的應(yīng)用，為仿生技術(shù)在演藝裝備行業(yè)的深層次應(yīng)用提供參考。

1 仿生學(xué)與工程學(xué)

圖1(a)所示為1990年日本研制的時(shí)速超過320 km/h的高鐵，“類矩形”的高鐵車頭穿過隧道時(shí)容易產(chǎn)生音爆，中津英治團(tuán)隊(duì)注意到高空俯沖捕魚的翠鳥入水時(shí)幾乎不產(chǎn)生水花，進(jìn)而模仿翠鳥流線形的頭骨設(shè)計(jì)出“類翠鳥頭骨”高鐵，仿生設(shè)計(jì)有效解決音爆問題的同時(shí)，還意外提速10%、降耗15%[6]。圖1(b)所示為2000年Speedo公司研發(fā)的“鯊魚皮”泳衣。2000年Speedo公司模仿鯊魚的V型褶皺研發(fā)了“鯊魚皮”泳衣，仿生設(shè)計(jì)大大減小了水流摩擦阻力，穿“鯊魚皮”泳衣的運(yùn)動(dòng)員包攬了2008年前92%的游泳獎(jiǎng)牌，致使2009年國際泳聯(lián)不得不禁用“鯊魚皮”泳衣[7]。圖1(c)所示為德國FESTO公司受大象鼻的啟發(fā)制造的仿生機(jī)械臂[4]，使機(jī)械工廠、家庭助手和農(nóng)業(yè)自動(dòng)化成為無限可能。2001年White模仿動(dòng)植物細(xì)胞的自愈能力，研發(fā)了一種微膠囊自愈新材料，以修復(fù)外載荷下引起的微觀裂紋，自愈研究表明該材料初次斷裂后的強(qiáng)度愈合能力達(dá)到75%[8]。

圖1 仿生應(yīng)用案例

仿生的目的是應(yīng)用生物學(xué)特征解決工程學(xué)問題，其過程如圖2所示。仿生可以是簡單的形狀結(jié)構(gòu)模仿，這類仿生可以更直觀地從生活周圍找到生物對(duì)象，同時(shí)仿生也可以是對(duì)生物對(duì)象的學(xué)習(xí)和靈感的激發(fā)，這類仿生則需要抽象性設(shè)計(jì)。英國科學(xué)家Vincent通過仿生地圖建立了仿生學(xué)與工程學(xué)的關(guān)系，表達(dá)了生物特征到工程應(yīng)用的關(guān)系和差異[3]，如圖3所示。

圖2 工程學(xué)問題的仿生解決方法

圖3 Vincent仿生地圖

2 仿生與演藝裝備

2.1 形態(tài)仿生及應(yīng)用

形態(tài)仿生是在外形結(jié)構(gòu)和生理功能上模仿生物結(jié)構(gòu)，也是目前最廣泛、最直接的仿生應(yīng)用方式，如多足機(jī)器人[9]和北京“鳥巢”[10]。21世紀(jì)初，隨著室外秀場和主題樂園等新型演藝形式的興起，朋克(PUNK)風(fēng)格[11]的仿生演藝形式受到廣泛追捧。圖4(a)所示為“南特島的機(jī)器”(Machines of the Isle Nantes)主題樂園蒸汽朋克風(fēng)格的機(jī)械巨象[12]，它是演藝裝備工程領(lǐng)域結(jié)構(gòu)仿生應(yīng)用的成功工程案例的代表。高12 m、長21 m，近50 t重的機(jī)械巨象兩側(cè)的露臺(tái)式設(shè)計(jì)可搭載50名乘客，最高行走速度可達(dá)3 km/h，漫步在街頭的機(jī)械巨象通過眨眼、噴水、嚎叫等特效與觀眾互動(dòng)，給觀眾帶來的朋克式壓迫與震撼無可匹敵。為紀(jì)念中法建交50周年，2014年弗朗索瓦·德拉豪茲葉赫?qǐng)F(tuán)隊(duì)針對(duì)中國傳統(tǒng)文化，量身打造了奇幻大型演藝裝備——機(jī)械龍馬[13],如圖4(b)所示，高12 m、重達(dá)47 t的機(jī)械龍馬可行走、騰躍，還能噴火、噴水，給觀眾帶來震撼的視覺體驗(yàn)。在國內(nèi)演藝裝備領(lǐng)域，江蘇無錫靈山小鎮(zhèn)的拈花灣微笑廣場人形雕塑由8套開合立柱和平移機(jī)構(gòu)組成，如圖4(c)所示，立柱上有45件可升降旋轉(zhuǎn)的花瓣，通過智能控制聚合為高達(dá)20多米的巨人，讓觀眾體驗(yàn)到人誕生于自然、終又回歸于自然的韻味[5]。

圖4 形態(tài)仿生與演藝裝備

不同于其他工程領(lǐng)域，形態(tài)仿生技術(shù)在演藝裝備工程領(lǐng)域的應(yīng)用更直接、更具有優(yōu)勢(shì)，可通過選擇生物對(duì)象直接解決工程問題，如圖2所示。同時(shí)，形態(tài)仿生的演藝裝備還能顯著增強(qiáng)藝術(shù)表達(dá)效果，使文化和科技的融合更深、更廣。

2.2 力學(xué)仿生及應(yīng)用

力學(xué)仿生是抽象出生物結(jié)構(gòu)的合理特性和優(yōu)勢(shì)并融入到產(chǎn)品的整體或局部設(shè)計(jì)，提升裝備的靜、動(dòng)力學(xué)性能，工業(yè)領(lǐng)域中的常用型材就是力學(xué)仿生的產(chǎn)物。我們知道植物莖稈主要用于吸收、輸送和儲(chǔ)存營養(yǎng)物質(zhì)并起支撐葉冠、果實(shí)和抗自然災(zāi)害的作用，圓形莖稈可以從力學(xué)角度進(jìn)行討論。如表1(a)所示，設(shè)圓形直徑為D，其周長為L=πD，面積為S=πD2/4，對(duì)于相同周長的正方形，其面積可表示為S1=π2D2/16=πS/4，明顯有S>S1，即相同周長條件下圓形截面有更大的面積，進(jìn)一步的，相同高度的圓柱體則具有更大的體積，也即圓柱形植物莖稈在吸收、輸送和儲(chǔ)存營養(yǎng)物質(zhì)時(shí)更有優(yōu)勢(shì)，這便是植物進(jìn)化為圓形莖稈的主要原因之一。另一方面，植物暴露在自然界，容易受到風(fēng)雪等惡劣天氣的影響，如表1(b)所示。根據(jù)相關(guān)力學(xué)知識(shí)，風(fēng)壓為p的風(fēng)作用于圓形截面的時(shí)所受的風(fēng)力為F=0.8 Pa，而作用于方形截面的時(shí)所受的風(fēng)力為F1=1.5 Pa，顯然圓形莖稈在抗風(fēng)壓方面也具有顯著優(yōu)勢(shì)，這也是植物進(jìn)化為圓形莖稈的另一個(gè)原因。對(duì)于一些草本植物，莖稈通常為空心，如表1(c)所示。同樣根據(jù)力學(xué)知識(shí)，圓形截面的抗彎截面系數(shù)W=πd3/32[14]，抗扭截面系數(shù)為T=πd3/16[14]，那么對(duì)于空心直徑為d的圓形截面抗彎截面系數(shù)W1=(1-β4)πd3/32，抗扭截面系數(shù)為TV1=(1-β4)πd3/16，其中β=d/D，分析易知，空心植物壁厚降低到實(shí)心截面的20%，抗彎截面系數(shù)和抗扭截面系數(shù)只降低到實(shí)心截面59%，但質(zhì)量卻降低了64%，這便是草本植物進(jìn)化空心莖稈的原因，為進(jìn)一步提高抗扭強(qiáng)度，某些植物又進(jìn)化出莖節(jié)，工程師們便以此仿生設(shè)計(jì)出常見型材。

表1 植物莖稈進(jìn)化力學(xué)分析

目前在演藝裝備領(lǐng)域，建設(shè)方對(duì)大體量的設(shè)備需求越來越多，在大體量設(shè)備上合理應(yīng)用力學(xué)仿生技術(shù)，可顯著改善結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力學(xué)性能。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，筆者曾仿王蓮[1]結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過水上大型浮動(dòng)平臺(tái)骨架結(jié)構(gòu)，此文以此案例討論演藝裝備領(lǐng)域力學(xué)仿生方向。王蓮擁有世界上水生植物中最大的盤狀葉片，最大直徑可達(dá)3 m以上，葉脈成肋條狀、似傘架，最大承載力可達(dá)60～70 kg，如圖5(a)所示，故而王蓮葉脈結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于承重仿生結(jié)構(gòu)。尤其是室外涉水演藝裝備在結(jié)構(gòu)、功能和使用環(huán)境等方面與王蓮構(gòu)型更具有相似性，甚至可以“無縫銜接”。以最大半徑為100 mm調(diào)整王蓮實(shí)物葉脈圖，如圖5(b)所示，描繪局部葉脈簡圖，研究了王蓮的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究表明：①王蓮葉脈單元結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出良好的對(duì)稱性，如圖5(c)所示；②各級(jí)葉脈間距比值近似黃金分割數(shù)，如圖5(d)所示；③上級(jí)葉脈是相鄰下兩級(jí)葉脈的空間組合，如圖5(e)所示；④輔葉脈之間呈交錯(cuò)排列，如圖5(f)所示。通過對(duì)王蓮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的研究，經(jīng)仿生設(shè)計(jì)，筆者將王蓮結(jié)構(gòu)抽象應(yīng)用于某大型水上浮動(dòng)表演舞臺(tái)的設(shè)計(jì)，相較于原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，力學(xué)仿生的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)自重下降約27%的同時(shí)動(dòng)、靜力學(xué)性能更優(yōu)，節(jié)能降耗效果十分顯著。

圖5 力學(xué)仿生與演藝裝備

進(jìn)入21世紀(jì)，人們更加注重大型重金屬元素帶來的視覺震撼，力學(xué)仿生技術(shù)給大體量設(shè)備的應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)思路，上述仿生應(yīng)用案例使大型水上浮動(dòng)平臺(tái)骨架設(shè)計(jì)原材料成本降低，考慮后期加工、安裝、人工、運(yùn)輸?shù)瘸杀荆墒挂惶籽菟囇b備機(jī)電系統(tǒng)的成本降低30%以上，節(jié)能降耗明顯。此外作者還仿龜殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)升降臺(tái)架體、仿胯骨設(shè)計(jì)升降臺(tái)支撐等，但總體而言，演藝裝備應(yīng)用仿生設(shè)計(jì)案例相對(duì)較少，仿生對(duì)象也有待進(jìn)一步拓展。

2.3 材料仿生及應(yīng)用

材料仿生是在材料的外形結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能分析的基礎(chǔ)上，抽象設(shè)計(jì)出一種新材料，以彌補(bǔ)常規(guī)材料的不足或缺陷。人類祖先早已有仿生材料的應(yīng)用，最早的仿生材料是華夏民族先祖設(shè)計(jì)的“土坯墻”，即在土中混合植物枝條或秸稈的混合物做房屋墻體，長期實(shí)踐也證明這種仿生材料的合理性。仿生材料廣泛應(yīng)用于各工程領(lǐng)域，如在演藝裝備領(lǐng)域，為取得良好的隔音效果和較小比重，在音樂罩面板上采用鋁蜂窩夾層板，如圖6(a)所示，以此衍生出生活中常見的夾層紙板等，如圖6(b)所示。

圖6 演藝裝備領(lǐng)域的仿生材料

眾所周知，木材因具備良好的可加工性能、小比重、較強(qiáng)的抗振能力被廣泛應(yīng)用于演藝裝備工程領(lǐng)域。圖7(a)即為國內(nèi)、外舞臺(tái)演出木地板典型裝修方案[15]，包括一層面板、兩層毛板、一層木龍骨、抗振阻尼墊和隔水防潮層。然而木材材料性能也存在諸多的不足，如耐火性能差、隔水性能差、力學(xué)性能差(包括抗斷裂能力、抗劈裂能力和抗壓強(qiáng)度等)，并且木材的材料參數(shù)也不穩(wěn)定，如比重、泊松比等，這些材料參數(shù)會(huì)因木材品種不同、產(chǎn)地不同、使用環(huán)境不同、溫度不同產(chǎn)生明顯差異，同時(shí)大量使用木材對(duì)環(huán)境并不友好，不符合國家綠色可持續(xù)發(fā)展和“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略。近年來室外秀場的興起使水中演藝裝備應(yīng)用更加廣泛，木材的缺陷限制了其在演藝裝備工程領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。借鑒機(jī)床領(lǐng)域的樹脂混凝土[16]，如圖7(b)所示，以石料為主承載料、金屬車削廢料為增強(qiáng)纖維、金屬磨削顆粒為填料、樹脂作為粘接劑，設(shè)計(jì)一種仿生新材料，滿足水中或潮濕環(huán)境下或替代部分演藝裝備中的木材。研究表明：這種新材料具備顯著的防火性能、熱穩(wěn)定性、抗振能力、隔水防潮能力和力學(xué)性能，與傳統(tǒng)的木材相比更有優(yōu)勢(shì)。近年來，室外秀場的興起使水中演藝裝備應(yīng)用更加廣泛，以綠色發(fā)展為設(shè)計(jì)理念，針對(duì)行業(yè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)一種新材料代替演藝裝備領(lǐng)域部分木材的應(yīng)用意義深遠(yuǎn)。

圖7 材料仿生與演藝裝備

2.4 控制仿生及應(yīng)用

控制仿生在故障機(jī)理和風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上，賦予裝備系統(tǒng)自愈功能，讓裝備系統(tǒng)像生物一樣實(shí)現(xiàn)故障自修復(fù)，提高裝備系統(tǒng)壽命和降低報(bào)廢或停機(jī)維修的概率。目前，現(xiàn)代機(jī)電工程領(lǐng)域普遍接受德國Isermann教授提出的“五塊論”體系，北京化工大學(xué)高金吉教授認(rèn)為機(jī)電系統(tǒng)組成的“五塊論”是不完整的，應(yīng)考慮仿生設(shè)計(jì)，將人和動(dòng)物的自愈功能賦予機(jī)器[17]。演藝裝備領(lǐng)域，臺(tái)面尺寸受限的升降臺(tái)剛度不足是演藝裝備工程領(lǐng)域常見的缺陷之一，工程中通常通過在升降臺(tái)支撐部件處設(shè)計(jì)拉緊裝置，如圖8(a)所示，通過鋼絲繩產(chǎn)生的張力減小臺(tái)面的撓度值，實(shí)現(xiàn)剛度修復(fù)，有時(shí)也可以通過在事前設(shè)計(jì)同類裝置，使升降臺(tái)臺(tái)面預(yù)先產(chǎn)生反向撓度，如圖8(b)所示，通過產(chǎn)生拱形來提升升降臺(tái)的相對(duì)剛度。事實(shí)上，在演藝裝備工程領(lǐng)域升降臺(tái)上的載荷常為隨機(jī)載荷，很難實(shí)現(xiàn)理想的剛度修復(fù)。如何使升降臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行中實(shí)時(shí)分析剛度超過閾值的原因和產(chǎn)生條件，通過智能控制器和執(zhí)行器適時(shí)適量地改變系統(tǒng)的剛度、阻尼和質(zhì)量矩陣，如圖8(c)所示，施加自愈力實(shí)現(xiàn)剛度實(shí)時(shí)自修復(fù)才是最理想的設(shè)計(jì)。

圖8 系統(tǒng)仿生與演藝裝備

更多情況下，演藝裝備的聯(lián)動(dòng)過程帶來的故障具有很大的不確定性，可通過設(shè)計(jì)故障自愈調(diào)控系統(tǒng)，來減少緊急停車維修概率，進(jìn)而減少停車損失并降低維修成本，同時(shí)減少機(jī)器對(duì)人的依賴程度以提升演藝裝備的安全性能。

3 總結(jié)與展望

仿生技術(shù)在提高產(chǎn)品的性能、節(jié)能降耗、降低停機(jī)維修成本、提高機(jī)電系統(tǒng)壽命和提升系統(tǒng)安全性能方面有顯著優(yōu)勢(shì)。相較于其他工程領(lǐng)域，仿生技術(shù)在演藝裝備工程領(lǐng)域有更加廣闊的應(yīng)用前景，文中在形態(tài)仿生、力學(xué)仿生、材料仿生和控制仿生四個(gè)方面上介紹了仿生技術(shù)在演藝裝備工程領(lǐng)域的應(yīng)用方向及簡單案例。未來的演藝裝備可以根據(jù)功能需求直接采用仿生設(shè)計(jì)，也可以通過對(duì)生物不同生理結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)理深入研究，充分發(fā)揮仿生技術(shù)在演藝行業(yè)的借鑒與指導(dǎo)作用。同時(shí)在工程實(shí)踐當(dāng)中可知，仿生學(xué)是生物相關(guān)學(xué)科，是與工程學(xué)、機(jī)械學(xué)、材料學(xué)等眾多學(xué)科相互交叉的全新研究領(lǐng)域，科研人員與工程技術(shù)人員緊密協(xié)作、多學(xué)科互補(bǔ)互助，未來仿生技術(shù)在促進(jìn)演藝裝備行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展上必定會(huì)發(fā)揮出更優(yōu)越的先進(jìn)性。