仿生設計在汽車造型設計中的應用研究

虞澤熔　任鐘鳴

摘要：汽車作為大宗消費品，其造型設計直接影響著消費者的購買決策和汽車的市場競爭力。仿生設計作為一種大眾熟知的設計理念，可以為汽車設計創(chuàng)新提供靈感和思路，進而提升汽車的附加值和競爭力，提升汽車品牌的形象和影響力，因此被諸多汽車造型設計師在實際設計過程中應用。文章重點探討仿生設計在汽車造型設計中的應用，首先全面回顧仿生設計應用在汽車造型設計領域的相關文獻和研究成果，包括但不限于其歷史背景、原理、現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢等。其次，通過剖析國內(nèi)外幾個經(jīng)典的仿生設計案例，從形式與功能、色彩與肌理兩個方向介紹仿生設計在汽車造型設計中的應用，并從多個層面探討仿生設計在汽車造型設計中的具體應用流程和操作技巧。最后，基于上述研究，針對汽車造型設計師尤其是在校研究人員對仿生設計的實際應用提出幾點建議，以期為汽車品牌制造商、設計從業(yè)人員及相關專業(yè)的學生提供有益的參考和借鑒。

關鍵詞：仿生設計；汽車；造型設計；流線型

中圖分類號：U462 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）18-0-03

1 仿生設計應用在汽車造型設計中的相關研究

1.1 仿生設計和汽車造型設計

仿生設計是一種基于生命科學的設計概念。其靈感來源于自然界，以自然界物體為藍本，通過研究和模擬其形態(tài)、結構、功能、色彩及微觀肌理等，運用到設計的研發(fā)創(chuàng)新和優(yōu)化迭代上。核心理念是通過深入了解自然、學習自然，在工程、建筑、工業(yè)設計等領域應用自然原理和機制，以達到更加節(jié)能、高效、環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展目的。汽車造型設計是指在滿足汽車安全性、美觀性、空氣動力學性能等條件下，對汽車車身的外在形態(tài)進行設計的過程［1］，是藝術設計與工程技術的有機結合，不僅需要手繪配色、等比例模型雕刻等藝術設計技能，更涉及工藝水平、材料選擇、制造安裝等方面的工程技術。從設計目的和知識結構的層面看，兩者比較契合。理論上，仿生設計能夠為汽車設計師提供合理的理論依據(jù)和設計方法。

1.2 仿生設計應用在汽車造型設計中的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

汽車造型設計的專業(yè)性、復雜性強，加之國內(nèi)汽車造型設計研究起步較國外稍晚，因此我國關于仿生設計應用于汽車造型的專業(yè)書籍和文獻有限。李卓森的《現(xiàn)代汽車造型》、嚴揚的《汽車造型設計概論》、李光亮和金純主編的《汽車造型設計》等，都是通過單獨章節(jié)概述性地講解汽車造型仿生設計方法和流程。蔡江宇和王金玲主編的《仿生設計研究》、孫寧娜主編的《仿生設計》雖然都系統(tǒng)性地闡述了仿生設計的基本理論、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，借助仿生設計個案深入淺出地剖析了仿生設計方法與流程，但對汽車造型仿生板塊只用了少量筆墨交代。同時，知網(wǎng)中大部分藝術類相關文獻的研究內(nèi)容僅針對車身造型開展形態(tài)仿生設計研究，且只是直接復制模仿生物原型的外觀特征。

在實際應用方面，國內(nèi)近些年以動物為靈感來源的案例層出不窮，比如長城旗下的歐拉“貓”系列、比亞迪基于e平臺研發(fā)的“海洋生物”系列、注重越野體驗的哈弗大狗、榮威推出的“龍貓”和“鯨”系列等，都是直接以動物命名的車型。與2008年以熊貓為原型進行形態(tài)仿生設計的吉利熊貓不同，僅從外觀看，上述車型與生物原型的聯(lián)系似乎并不緊密，準確地說是一種以生物原型為符號對象，滿足用戶意象需求的情感仿生設計。此外，從仿生對象可以看出，國內(nèi)汽車設計師已經(jīng)有了迎合女性用戶群體的意識，并且開始出現(xiàn)女性設計師主導設計、女性用戶合作共創(chuàng)的趨勢，這是“她經(jīng)濟”輻射到汽車行業(yè)的必然結果，雖然可能只是品牌方的一種獲客方式。

1.2.2 國外研究現(xiàn)狀

國外仿生設計的歷史可以追溯到公元前4世紀，當時的古希臘哲學家亞里士多德提出了“四因說”，其認為藝術家模仿自然，自然是質(zhì)料因，作品的存在方式或狀態(tài)是形式因，藝術家是動力因，模仿活動就是創(chuàng)造活動，即設計過程。但直到20世紀50年代，“仿生學”的概念才被提出。1960年，俄亥俄州召開了首屆仿生學研討會，正式定義仿生學：對自然界生命體的原理進行研究與模仿，為解決人類生活難題提供新的技術或理論支撐的學科。自此，仿生設計概念逐漸被推廣并應用于各個領域。早在仿生學概念被確定之前，汽車造型設計師就已經(jīng)建立起了較為成熟的仿生設計體系并付諸實踐，且值得注意的是，國外汽車造型的仿生設計與空氣動力學以及流線型設計密不可分。20世紀20年代，一戰(zhàn)后的西方國家科技及工業(yè)化進步迅速，經(jīng)濟和社會的發(fā)展催生了以自然界感性曲線為核心的藝術流派——裝飾派藝術，并影響了汽車行業(yè)。加之一戰(zhàn)、二戰(zhàn)爆發(fā)期間航空技術軍用轉向民用和經(jīng)濟蕭條，急需別樣的汽車造型設計作為賣點吸引顧客，共同促成了模仿自然曲線的流線型汽車的產(chǎn)生。

1914年，Castagna汽車公司以A.L.F.A 40-60 HP底

盤為基礎設計了一款名為“Aerodinamica”的轎車，這是有據(jù)可考的第一款流線型轎車。低阻化的造型設計使其最高時速達到139 km/h，但因仿水滴狀的封閉車身無法將發(fā)動機產(chǎn)生的熱量和噪聲排出，所以乘坐的舒適性極差。一戰(zhàn)結束后，大量原本從事飛行器設計的工程師涌入汽車設計行業(yè)，帶動了新一輪汽車設計熱潮，仿生學和空氣動力學更是大規(guī)模地應用在汽車造型設計上。

1921年9月，奧地利飛機工程師埃德蒙德·蘭普勒（Edmund Rumpler）設計的水滴車在柏林車展上亮相，其結構布局與Castagna大不相同，蘭普勒并沒有使用回轉體式的水滴型車身，而是選擇了介于馬車構型與水滴型之間的翼型車身。可以說，“Tropfenwagen”是歷史上首款運用空氣動力學設計的量產(chǎn)車型，其在大眾的風洞基地測得風阻系數(shù)僅為0.28。

蘭普勒推出水滴車的同時，奧地利設計師保羅·加雷（Paul Jaray）在德國腓特烈斯哈芬的風洞中對不同構型的幾何形體進行了試驗，發(fā)現(xiàn)幾何體離地間隙越小，其風阻越大。與飛機不同，受地面影響，上下對稱的形體，其流場并不對稱，這導致車身后端上表面氣流分離產(chǎn)生較大的真空區(qū)，繼而形成逆向壓力梯度，因此當時設計師普遍認為的低風阻水滴型車身其實并不是最理想的汽車形體。通過研究車身構型和地面效應，加雷提出了一種組合式的翼型車身，由類似機翼的底層部分和類似飛艇“吊艙”的上層部分組成，整體呈流線型。這個設計概念影響了眾多品牌，寶馬、奔馳、歐寶、標致、菲亞特、邁巴赫、克萊斯勒等都相繼推出流線造型的量產(chǎn)車或概念車。

1931年，奧地利工程師漢斯·雷德溫卡（Hans Ledwinka）在保羅·加雷的協(xié)助下將流線型引入其設計的Tatra V570概念車，而在德國入侵捷克后，大眾攫取了該車所有的知識產(chǎn)權（包括Tatra T77和T87等），并使用在了Ferdinand Porsche設計的KdF-Wagen上，即大眾甲殼蟲的原型車。因此從時間節(jié)點看，大眾甲殼蟲的車身造型更多借鑒了20世紀30年代初諸多使用流線型設計的車型，而不是大眾普遍認知中的所謂效仿甲殼蟲自然形態(tài)特征和結構。

在流線型設計風潮的推動下，出現(xiàn)了兩個極端車型——T150C和Schl?rwagen。前者是法國流線型設計的代表作，其優(yōu)美的車身曲線和姿態(tài)顛覆了20世紀20年代形式追隨功能的設計理念。后者別稱“哥廷根之蛋”，車身外殼造型完全是一滴沿壁下滑的水珠，將四個輪組都包裹在內(nèi)，理想的空氣動力學外形使其擁有0.186的風阻系數(shù)，是低風阻設計的登峰造極者。

20世紀二三十年代是世界汽車工業(yè)第一個發(fā)展巔峰，雖然該時期經(jīng)濟蕭條，但汽車造型設計天馬行空，且設計思想影響深遠。直到二戰(zhàn)后，北美和歐洲汽車造型風格歧化，又在70年代遭遇石油危機和政策收緊，到如今更加注重實用、高效的車型占據(jù)市場主流，車身造型趨于統(tǒng)一，缺乏個性和創(chuàng)意。

2 仿生設計在汽車造型設計中的具體應用

仿生設計是通過研究和模擬生物的形態(tài)、結構、功能、色彩及微觀肌理，實現(xiàn)創(chuàng)新研發(fā)。基于生物特征認知層次和產(chǎn)品構成要素的關聯(lián)性［2］，汽車造型設計對仿生設計的應用主要可分為兩大方向：形式與功能（形態(tài)、結構和功能）、色紋（色彩和肌理）。不管是自然界的事物還是人工制品，其形態(tài)、結構和功能都相互統(tǒng)一、相互作用，結構是形態(tài)的基礎，形態(tài)是結構的外顯，大多數(shù)情況下結構決定功能，功能映射結構；色紋指事物具備的色彩與肌理，對應汽車造型設計中的CMF設計，即顏色、材質(zhì)紋理以及處理工藝。

2.1 形態(tài)、結構與功能仿生設計應用

汽車作為商品，需要用造型美感打動消費者，使其產(chǎn)生購買欲望或加深印象。自然界的事物經(jīng)過千百萬年演變固化后的形態(tài)具備天然美，這種美是客觀的、合理的。因此，形態(tài)仿生設計通過模仿其外部形態(tài)特征并應用到汽車造型設計中，能夠直觀地增強車輛造型的美感。形態(tài)仿生一般有具象仿生和抽象仿生兩種形式。在實際運用中，由于汽車造型的復雜性，直接模仿某種生物的外部形態(tài)存在一定的困難，所以通常選擇抽象提煉，概括出生物原型的形態(tài)特征，再將其運用到設計中。例如，保時捷經(jīng)典的青蛙前臉和鴨尾就是抓住蛙眼外凸和鴨子尾羽曲線的特征，保持野性的同時帶有些許俏皮感，讓人感覺生動可愛，這也成為保時捷汽車的家族基因。同時，鴨尾造型還具備空氣動力學效應，可以減少車輛尾部的升力。

汽車造型不能僅停留在外觀模仿上，作為交通工具，更需滿足用戶對功能的需求。生物的形態(tài)和結構是自然選擇和進化的結果，而外在形態(tài)和內(nèi)在結構共同決定了生物賴以生存的功能。通過需求分析，對汽車和生物的功能進行雙向匹配，建立關聯(lián)，觀察和分析生物實現(xiàn)某種功能的條件和機制，并將其還原或優(yōu)化后移植到汽車造型設計中。例如，車身需要減輕重量、降低風阻，還要保證結構穩(wěn)定，有一定的強度。奔馳Bionic概念車的工程師就通過篩選自然界的大量生物，找到了擁有理想空氣動力學外形的箱鲀作為仿生樣本。其按照魚身制作1︰1模型進行實驗，研究分析其外形低阻化的原理。根據(jù)魚身流線設計出仿生原型，對其進行試驗和迭代，最后得到了風阻系數(shù)僅為0.19的實用緊湊型車身。并且其在車身基礎上，通過仿真建模將車身和地盤以一種“軟清除”的方式優(yōu)化，即有選擇地將零件應力較小部位的材料清除，對高荷載部位進行加固，生成輕量化、高強度的網(wǎng)狀鏤空結構。這是對生物骨骼結構的仿生運用，將生物的生長機制移植到工業(yè)制造中。

2.2 色彩與肌理仿生設計應用

色紋指的是色彩和肌理，對應產(chǎn)品外表的顏色和紋理、材質(zhì)以及表面處理工藝，通常來說，產(chǎn)品外在表現(xiàn)形式會首先被用戶感知，其次才是產(chǎn)品的功能體驗和文化內(nèi)涵。運用色彩與肌理仿生設計能提升汽車外觀的吸引力，刺激感性用戶的消費欲望。例如，孔雀求偶展開尾羽時會自主調(diào)控羽小支皮層的排列結構，周期結構產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象能夠形成特定波長的可見光顏色。這種結構色具備色素色達不到的色彩明度及飽和度，將其運用到車漆和燈飾上可以增強汽車的差異性，且不易氧化褪色的特性能夠延長產(chǎn)品的生命周期。自然界生物表面肌理的微觀結構具備優(yōu)異的性能：荷葉、水黽腿表面的納米結構使其擁有阻礙水滴浸潤的超疏水性，可用于汽車車窗玻璃和后視鏡等表面自清潔設計；河豚體表的刺狀結構和鯊魚盾鱗的肋條結構都具有減阻效果［3］，可作用于汽車表面減少風阻、降低能耗等。

3 仿生設計在汽車造型設計中的應用原則

3.1 注意取舍

在進行形態(tài)仿生設計時，要對生物原始形態(tài)進行合理簡化，并采用適當?shù)膱D形語言將其融入汽車造型設計，表達生物造型特征。該過程應當保留生物形態(tài)特點，舍去部分細節(jié)，切忌照搬照抄。針對造型特征的認知分析、提取、簡化等流程中可能造成的信息失真問題，可使用層次分析法、形狀文法、深度學習等相關理性工學方法，對生物形態(tài)向產(chǎn)品轉化的關鍵環(huán)節(jié)加以約束，為后續(xù)操作提供正確的設計信息輸入。

3.2 回歸功能

應用仿生設計時，需貫徹形態(tài)、結構和功能統(tǒng)一原則，平衡美學和實用性之間的關系，另外，需注重不同用戶層次的功能需求，優(yōu)化用戶體驗［4］。

3.3 重視實驗

在汽車造型設計中，原型試驗是應用仿生設計的一個重要環(huán)節(jié)。仿生設計需要在實驗的基礎上進行，通過實驗測試獲得的數(shù)據(jù)和反饋，可以幫助設計師得出更加有效和科學的結論和方法。

4 結語

本文主要探究了仿生設計在汽車造型設計中的應用，通過對一些典型設計案例的分析，探討了仿生設計的具體應用方法和操作技巧，并在此基礎上提出了相關建議和注意事項。總之，將仿生設計應用在汽車造型設計中是一種有效的方法，可以為汽車造型設計提供靈感和參考，通過研究各種生物，將其原理機制與汽車設計相結合，從功能出發(fā)兼顧美學要素，提升汽車的審美性、安全性、舒適性、能源經(jīng)濟性等。

參考文獻：

［1］ 諸葛曉宇.電動汽車車身造型設計研究［D］.武漢：武漢理工大學，2013.

［2］ 劉德喜，李鵬.仿生設計在產(chǎn)品設計中的應用探討［J］.家具與室內(nèi)裝飾，2018（11）：68-69.

［3］ 崔乃剛，陳亮，曹伽牧，等.水下航行體減阻技術綜述［J］.宇航總體技術，2023，7（1）：1-13.

［4］ 侯雅喬.淺析汽車仿生設計實踐及其在我國的應用前景［J］.工業(yè)設計，2018（12）：40-41.

作者簡介：虞澤熔（1998—），男，浙江舟山人，碩士在讀，研究方向：產(chǎn)品造型藝術與應用實踐。

任鐘鳴（1985—），男，山東聊城人，博士，副教授，研究方向：工業(yè)設計。