仿生設(shè)計在汽車造型設(shè)計中的應(yīng)用研究

虞澤熔　任鐘鳴

摘要：汽車作為大宗消費品，其造型設(shè)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(shè)計作為一種大眾熟知的設(shè)計理念，可以為汽車設(shè)計創(chuàng)新提供靈感和思路，進(jìn)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(shè)計師在實際設(shè)計過程中應(yīng)用。文章重點探討仿生設(shè)計在汽車造型設(shè)計中的應(yīng)用，首先全面回顧仿生設(shè)計應(yīng)用在汽車造型設(shè)計領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)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(shè)計案例，從形式與功能、色彩與肌理兩個方向介紹仿生設(shè)計在汽車造型設(shè)計中的應(yīng)用，并從多個層面探討仿生設(shè)計在汽車造型設(shè)計中的具體應(yīng)用流程和操作技巧。最后，基于上述研究，針對汽車造型設(shè)計師尤其是在校研究人員對仿生設(shè)計的實際應(yīng)用提出幾點建議，以期為汽車品牌制造商、設(shè)計從業(yè)人員及相關(guān)專業(yè)的學(xué)生提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：仿生設(shè)計；汽車；造型設(shè)計；流線型

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

1 仿生設(shè)計應(yīng)用在汽車造型設(shè)計中的相關(guān)研究

1.1 仿生設(shè)計和汽車造型設(shè)計

仿生設(shè)計是一種基于生命科學(xué)的設(shè)計概念。其靈感來源于自然界，以自然界物體為藍(lán)本，通過研究和模擬其形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、色彩及微觀肌理等，運用到設(shè)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(xué)習(xí)自然，在工程、建筑、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域應(yīng)用自然原理和機(jī)制，以達(dá)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(shè)計是指在滿足汽車安全性、美觀性、空氣動力學(xué)性能等條件下，對汽車車身的外在形態(tài)進(jìn)行設(shè)計的過程［1］，是藝術(shù)設(shè)計與工程技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，不僅需要手繪配色、等比例模型雕刻等藝術(shù)設(shè)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(shù)。從設(shè)計目的和知識結(jié)構(gòu)的層面看，兩者比較契合。理論上，仿生設(shè)計能夠為汽車設(shè)計師提供合理的理論依據(jù)和設(shè)計方法。

1.2 仿生設(shè)計應(yīng)用在汽車造型設(shè)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(shè)計的專業(yè)性、復(fù)雜性強(qiáng)，加之國內(nèi)汽車造型設(shè)計研究起步較國外稍晚，因此我國關(guān)于仿生設(shè)計應(yīng)用于汽車造型的專業(yè)書籍和文獻(xiàn)有限。李卓森的《現(xiàn)代汽車造型》、嚴(yán)揚的《汽車造型設(shè)計概論》、李光亮和金純主編的《汽車造型設(shè)計》等，都是通過單獨章節(jié)概述性地講解汽車造型仿生設(shè)計方法和流程。蔡江宇和王金玲主編的《仿生設(shè)計研究》、孫寧娜主編的《仿生設(shè)計》雖然都系統(tǒng)性地闡述了仿生設(shè)計的基本理論、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，借助仿生設(shè)計個案深入淺出地剖析了仿生設(shè)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(shù)類相關(guān)文獻(xiàn)的研究內(nèi)容僅針對車身造型開展形態(tài)仿生設(shè)計研究，且只是直接復(fù)制模仿生物原型的外觀特征。

在實際應(yīng)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(jìn)行形態(tài)仿生設(shè)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(zhǔn)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(shè)計。此外，從仿生對象可以看出，國內(nèi)汽車設(shè)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(shè)計師主導(dǎo)設(shè)計、女性用戶合作共創(chuàng)的趨勢，這是“她經(jīng)濟(jì)”輻射到汽車行業(yè)的必然結(jié)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(shè)計的歷史可以追溯到公元前4世紀(jì)，當(dāng)時的古希臘哲學(xué)家亞里士多德提出了“四因說”，其認(rèn)為藝術(shù)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(shù)家是動力因，模仿活動就是創(chuàng)造活動，即設(shè)計過程。但直到20世紀(jì)50年代，“仿生學(xué)”的概念才被提出。1960年，俄亥俄州召開了首屆仿生學(xué)研討會，正式定義仿生學(xué)：對自然界生命體的原理進(jìn)行研究與模仿，為解決人類生活難題提供新的技術(shù)或理論支撐的學(xué)科。自此，仿生設(shè)計概念逐漸被推廣并應(yīng)用于各個領(lǐng)域。早在仿生學(xué)概念被確定之前，汽車造型設(shè)計師就已經(jīng)建立起了較為成熟的仿生設(shè)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(shè)計與空氣動力學(xué)以及流線型設(shè)計密不可分。20世紀(jì)20年代，一戰(zhàn)后的西方國家科技及工業(yè)化進(jìn)步迅速，經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展催生了以自然界感性曲線為核心的藝術(shù)流派——裝飾派藝術(shù)，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(shù)軍用轉(zhuǎn)向民用和經(jīng)濟(jì)蕭條，急需別樣的汽車造型設(shè)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(chǔ)設(shè)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(shè)計使其最高時速達(dá)到139 km/h，但因仿水滴狀的封閉車身無法將發(fā)動機(jī)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(jié)束后，大量原本從事飛行器設(shè)計的工程師涌入汽車設(shè)計行業(yè)，帶動了新一輪汽車設(shè)計熱潮，仿生學(xué)和空氣動力學(xué)更是大規(guī)模地應(yīng)用在汽車造型設(shè)計上。

1921年9月，奧地利飛機(jī)工程師埃德蒙德·蘭普勒（Edmund Rumpler）設(shè)計的水滴車在柏林車展上亮相，其結(jié)構(gòu)布局與Castagna大不相同，蘭普勒并沒有使用回轉(zhuǎn)體式的水滴型車身，而是選擇了介于馬車構(gòu)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(xué)設(shè)計的量產(chǎn)車型，其在大眾的風(fēng)洞基地測得風(fēng)阻系數(shù)僅為0.28。

蘭普勒推出水滴車的同時，奧地利設(shè)計師保羅·加雷（Paul Jaray）在德國腓特烈斯哈芬的風(fēng)洞中對不同構(gòu)型的幾何形體進(jìn)行了試驗，發(fā)現(xiàn)幾何體離地間隙越小，其風(fēng)阻越大。與飛機(jī)不同，受地面影響，上下對稱的形體，其流場并不對稱，這導(dǎo)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(dāng)時設(shè)計師普遍認(rèn)為的低風(fēng)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(gòu)型和地面效應(yīng)，加雷提出了一種組合式的翼型車身，由類似機(jī)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(shè)計概念影響了眾多品牌，寶馬、奔馳、歐寶、標(biāo)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(shè)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(quán)（包括Tatra T77和T87等），并使用在了Ferdinand Porsche設(shè)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(jì)30年代初諸多使用流線型設(shè)計的車型，而不是大眾普遍認(rèn)知中的所謂效仿甲殼蟲自然形態(tài)特征和結(jié)構(gòu)。

在流線型設(shè)計風(fēng)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(shè)計的代表作，其優(yōu)美的車身曲線和姿態(tài)顛覆了20世紀(jì)20年代形式追隨功能的設(shè)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(xué)外形使其擁有0.186的風(fēng)阻系數(shù)，是低風(fēng)阻設(shè)計的登峰造極者。

20世紀(jì)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(jì)蕭條，但汽車造型設(shè)計天馬行空，且設(shè)計思想影響深遠(yuǎn)。直到二戰(zhàn)后，北美和歐洲汽車造型風(fēng)格歧化，又在70年代遭遇石油危機(jī)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(shè)計在汽車造型設(shè)計中的具體應(yīng)用

仿生設(shè)計是通過研究和模擬生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、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(rèn)知層次和產(chǎn)品構(gòu)成要素的關(guān)聯(lián)性［2］，汽車造型設(shè)計對仿生設(shè)計的應(yīng)用主要可分為兩大方向：形式與功能（形態(tài)、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和功能都相互統(tǒng)一、相互作用，結(jié)構(gòu)是形態(tài)的基礎(chǔ)，形態(tài)是結(jié)構(gòu)的外顯，大多數(shù)情況下結(jié)構(gòu)決定功能，功能映射結(jié)構(gòu)；色紋指事物具備的色彩與肌理，對應(yīng)汽車造型設(shè)計中的CMF設(shè)計，即顏色、材質(zhì)紋理以及處理工藝。

2.1 形態(tài)、結(jié)構(gòu)與功能仿生設(shè)計應(yīng)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(shè)計通過模仿其外部形態(tài)特征并應(yīng)用到汽車造型設(shè)計中，能夠直觀地增強(qiáng)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(fù)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(shè)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(xué)效應(yīng)，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(jié)構(gòu)是自然選擇和進(jìn)化的結(jié)果，而外在形態(tài)和內(nèi)在結(jié)構(gòu)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(jìn)行雙向匹配，建立關(guān)聯(lián)，觀察和分析生物實現(xiàn)某種功能的條件和機(jī)制，并將其還原或優(yōu)化后移植到汽車造型設(shè)計中。例如，車身需要減輕重量、降低風(fēng)阻，還要保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有一定的強(qiáng)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(xué)外形的箱鲀作為仿生樣本。其按照魚身制作1︰1模型進(jìn)行實驗，研究分析其外形低阻化的原理。根據(jù)魚身流線設(shè)計出仿生原型，對其進(jìn)行試驗和迭代，最后得到了風(fēng)阻系數(shù)僅為0.19的實用緊湊型車身。并且其在車身基礎(chǔ)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(yīng)力較小部位的材料清除，對高荷載部位進(jìn)行加固，生成輕量化、高強(qiáng)度的網(wǎng)狀鏤空結(jié)構(gòu)。這是對生物骨骼結(jié)構(gòu)的仿生運用，將生物的生長機(jī)制移植到工業(yè)制造中。

2.2 色彩與肌理仿生設(shè)計應(yīng)用

色紋指的是色彩和肌理，對應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)，周期結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)色具備色素色達(dá)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(qiáng)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(jié)構(gòu)具備優(yōu)異的性能：荷葉、水黽腿表面的納米結(jié)構(gòu)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(shè)計；河豚體表的刺狀結(jié)構(gòu)和鯊魚盾鱗的肋條結(jié)構(gòu)都具有減阻效果［3］，可作用于汽車表面減少風(fēng)阻、降低能耗等。

3 仿生設(shè)計在汽車造型設(shè)計中的應(yīng)用原則

3.1 注意取舍

在進(jìn)行形態(tài)仿生設(shè)計時，要對生物原始形態(tài)進(jìn)行合理簡化，并采用適當(dāng)?shù)膱D形語言將其融入汽車造型設(shè)計，表達(dá)生物造型特征。該過程應(yīng)當(dāng)保留生物形態(tài)特點，舍去部分細(xì)節(jié)，切忌照搬照抄。針對造型特征的認(rèn)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(xué)習(xí)等相關(guān)理性工學(xué)方法，對生物形態(tài)向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)加以約束，為后續(xù)操作提供正確的設(shè)計信息輸入。

3.2 回歸功能

應(yīng)用仿生設(shè)計時，需貫徹形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能統(tǒng)一原則，平衡美學(xué)和實用性之間的關(guān)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(shè)計中，原型試驗是應(yīng)用仿生設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)。仿生設(shè)計需要在實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行，通過實驗測試獲得的數(shù)據(jù)和反饋，可以幫助設(shè)計師得出更加有效和科學(xué)的結(jié)論和方法。

4 結(jié)語

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

參考文獻(xiàn)：

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

［4］ 侯雅喬.淺析汽車仿生設(shè)計實踐及其在我國的應(yīng)用前景［J］.工業(yè)設(shè)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(shù)與應(yīng)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(shè)計。