论工业设计中的仿生
-- 余森林（武汉理工大学 艺术与设计学院 03级研究生）
【内容摘要】 本文论述人类从大自然的动植物等事物中获得启发，从而以仿生的方式进行产品的创新设计。论文主要从形态、功能、结构、界面四个方面来阐述仿生，倡导工业设计师在师法自然的仿生设计哲学的指导下，创造人、机器、自然和谐共生的对话平台。
【关 键 词】 仿生、抽象、界面、和谐与共生
前言
自然界到处充满活生生的“优良设计”实例，对设计师而言，是个取之不尽、用之不竭的“设计资料库”。诸如无生命的山川河流，有生命的飞禽走兽，还有多姿多彩的花草树木，除有丰富的造型之外，绚丽的颜色也给人以视觉上的无比享受。这些动植物经历了几百万年的适者生存法则的自然进化后，不仅完全适应自然, 而且其进化程度也接近完美。这些自然的“优良设计”，有的机能完备，让人叹服；有的结构精巧，用材合理，符合自然的经济原则；也有的美不胜收，让人爱不释手；有的甚至是根据某种数理法则形成，它合乎“以最少材料”构成“最大合理空间”的要求。这些生物形形色色的奇特本领耐人寻味，使人浮想连翩。我们在赞赏之余，是否能从这些精妙的设计中，获取一些灵感呢？回答是肯定的。
一、历史上的仿生
人类在遥远的岁月似乎就认识到能从自然生态系统中领悟到自身生存、发展、进步的真谛。人类从蒙昧时代进入文明时代就是在模仿和适应自然规律的基础上发展起来的。回顾中国的古文明史，不难看到人们较早就留下了模仿自然生态的痕迹。从远古原始人构筑的人首龙身、人面鸟身等“人心营构之象”，到现实生活中以各种动物形态为原型的实用器皿，如牛形灯、猪、鹰形壶等。从神话传说中人的羽化飞升，到春秋战国时期的鲁班从草叶的齿形边缘中“悟”到了锯的原理等，大量的事例记述了人们对自然生命的外在形态和功能创造性地模仿。
国外亦然，古时人们看到鸟儿在天上自由自在地飞翔，就向往人也能象鸟一样飞上天，于是便用各种方法模仿鸟。经过漫长岁月，从最初的木制飞人发展到今天的超音速飞机，终于实现了人类在蓝天上自由飞翔的梦想。达芬奇被认为是现代仿生学之父。在大约公元1500年，他完成鸟翅模型之后，又画了一系列的无法实现的飞行设备草图。大约400年之后，奥托成功了，他根据鹳的翅膀制造的滑翔机成功地飞行了250米，而且他也取得了 "滑翔机之父" 的称号。而我们小时侯玩的竹蜻蜓，便是现代直升飞机的趋形。一直以来，许多研究者都在不断尝试把自然界的形态和功能类比的应用于科学。
由此可见人类师法自然思维由来已久，这便促成了仿生学的诞生，仿生学是在生物科学与技术科学之间发展起来的，模仿生物系统的原理来建造技术系统的一门新兴边缘学科。仿生学恰似“桥梁”和“纽带”，连接着生物科学与技术科学。仿生设计则是在仿生学的基础上发展起来的。它以仿生学为基础，通过研究自然界生物系统的优异功能、形态、结构、色彩等特征，并有选择性的在设计过程中应用这些原理和特征进行设计。
著名的德国工业设计师路易吉. 科拉尼是仿生设计理论的大力倡导者和实践者，他那蕴藏着人类责任感的设计哲学思想，以及呼吁人类社会与大自然和谐统一的设计观念，都具有极其深刻的划时代意义。他鲜明的仿生设计原理与方法、强烈的造型意念和极具旺盛生命力的设计，成功地影响了后代设计师。
运用仿生性思维进行设计，可作为人类社会生产活动与自然界的锲合点，使人类社会与自然达到高度的和谐统一，仿生设计正逐渐成为工业设计发展的大趋势。
二、现代工业设计中的仿生
现代社会文明的主体是人与机器。人类在这种文明所导致的生态失调状况下开始反思并力求寻找新的出路，建立人与自然、机器的对话平台，共生哲学观强烈地呼吁人与机器、生态自然与人造自然之间合理的建构，创造人类社会与自然高度的和谐。那么，师法自然的仿生设计就是一种良策和新理念。
仿生设计是人们在长期向大自然学习的过程中，经过积累经验，选择和改进其功能、形态，从而来创造更优良的人造物。尤其是当今的信息时代，人们对产品设计的要求和过去不同，既注意功能的优良特性，又追求形态的清新、淳朴，同时注重产品的返朴归真和个性。提倡仿生设计，不但创造功能完备、结构精巧、用材合理、美妙绝伦的产品，同时赋予产品形态以生命的象征，让设计回归自然，增进人类与自然统一。
德国著名设计大师路易吉科拉尼曾说：“设计的基础应来自诞生于大自然的生命所呈现的真理之中”。这话道出了自然界是蕴含着无尽设计宝藏的天机。归纳现代工业设计中的仿生，其主要表现在以下几个方面：
1、形态的仿生
形态从其再现事物的逼真程度和特征来看，可分为具象形态和抽象形态。
1）具象形态的仿生
具象形态是透过眼睛构造以生理的自然反应，诚实地把外界之形映入眼睛膜刺激神经后感觉到存在的形态。它比较逼真的再现事物的形态。由于具象形态具有很好的情趣性、可爱性、有机性、亲和性、自然性，人们普遍乐于接受，在玩具、工艺品、日用品应用比较多。但由于其形态的复杂性，很多工业产品不宜采用具象形态。
2）抽象形态的仿生
抽象形态是用简单的形体反映事物独特的本质特征。此形态作用于人时，会产生“心理”形态，这种“心理”形态必需生活经验的积累，经过联想和相象把形浮现在脑海中，那是一种虚幻的，不实的形，但是这个形经过个人主观的喜怒哀乐联想所产生的形变化多端、色彩丰富，这与生理上感觉到的形大异起趣。
归纳起来抽象的仿生形态具有以下特征：
1）形态高度的简化性和概括性
形态高度的简化性和概括性，指的是形态本质的抽象表现。通过对生物形态或非生物形态的科学分析，结合的我们的生活经验，均可证明一切形态的本质都是一种内力的运动变化。这种内力运动变化是产生形态的根据。在研究形态时，设计者从知觉和心理角度有意无意地都把形态的内力运动变化感受为生命活力，再通过形态抽象变化，用点、线、面的运动组合来表现生命活力。因此，形式上表现为简化性，而在传达本质特征上表现为高度的概括性。
这种形式的简化性和特征的概括性，正好吻合现代工业产品对外观形态的简洁性，几何性以及产品的语意性的要求，因此，它大量的应用于现代产品设计。
2）形态丰富的联想性和想象性
抽象仿生形态作用于人时，产生的“心理”形态必需生活经验的积累，经过联想和想象才浮现在脑海中。因此，它充分地释放了人无限想象力。同时因人的生活经验不同，因此经过个人主观喜好联想产生的“心形”也不尽相同，产生形态生命活力的感受自然丰富多彩。
3）同一具象形态的抽象形态的多样性
设计者在对同一具象形态进行抽象化的过程中，由于生活经验、抽象方式方法以及表现手法不同，因此抽象化所得形态有多种。
抽象仿生形态应用于产品开发时，在生产和销售中有以下优点：
1）生产便捷
抽象形态的形式简洁，这吻合了现代工业产品提倡的简练几何外观的特征，因此，对生产设备并没有特殊的要求，开发商可以方便快捷的进行生产，这为各种工业产品的仿生生产提供了无限可能。
2）产品形态多样化
具象形态不胜枚举，抽象后的形态更是不计其数，这为仿生的工业产品形态的多样化提供了选择的可能。
3）满足不同层次的顾客
抽象形态的联想性和想象性充分地释放了顾客的自由想象力，人们不但可以感受到产品形态的有机、可爱、情趣、亲和、运动等特点，同时因联想和想象不同，有的想起自己可爱的小宠物，有的想起一段美好的爱情，有的想起一个老朋友，有的想起一次愉快的旅行等，正所谓仁者见仁，智者见智。顾客从不同的角度感受到仿生形态赋予产品的艺术美感和想象空间，这就更容易满足不同层次的顾客，从而激起他们共同的购买欲望。
4) 产品回归自然
抽象仿生形态的本质特征是由内力运动变化而产生的生命活力。这种特征赋予仿生产品以生命的象征，让产品回归自然，建立了人、机器、自然对话的平台，这种共生的哲学观合理地构建人造自然和生态自然之间的和谐，增进了人类和自然的统一。仿生型家具是模仿动物、植物等生物形体制作的家具，其形象十分逼真，以寄托对大自然的依恋之情，此种家具给人以大自然的感觉。
总之，具象仿生停留在模仿生物表层，思想性和艺术性的含量相对低一些；抽象仿生集中于提炼物体的内在本质属性，是一种特殊的心理加工活动，属于高层次思维创造活动，它侧重揭示物体的理念内涵。在现代仿生设计中，高、新、精、尖的工业产品，更适合用抽象仿生。
2、功能的仿生
人们发现，动植物的某些方面的功能，实际上远远超越了人类自身在此方面的科技成果。生存在自然界中的各种各样的动植物能在各种恶劣复杂的环境中生存与运动，这是因为其运动器官和形体与恶劣复杂环境斗争进化的结果。植物和动物在几百万年的自然进化中，不仅完全适应自然，而且其进化程度接近完美。今天，我们生活在科学技术飞快发展的时代，学习和利用生物系统的优异结构和奇妙的功能，已经成为技术革新和技术革命的一个新方向。许多事实说明，仿生学是发展新技术的金钥匙。
仿生学的思想是建立在自然进化和共同进化的基础上的。仿生学试图在技术方面模仿动物和植物在自然中的功能。这个思想在生物学和技术之间架起了一座桥梁，并且对解决技术难题提供了帮助。通过再现生物学的原理，人类不仅找到了技术上的解决方案，而且同时该方案也完全适应了自然的需要。其目的就是分析生物过程和结构，并将此分析用于未来的设计。
在创造物质文明的过程中，人类常常将生物的某些特性运用到创造发明之中。例如科学家根据蜻蜒的飞行原理研制成功了直升飞机；根据加重的翅痣蜻蜒在高速飞行时安然无恙，人们仿效其在飞机的两翼加上了平衡重锤，解决了因高速飞行而引起振动的棘手问题；又如根据蛙眼原理，科学家利用电子技术制成了雷达系统，能准确快速地识别目标；根据萤火虫100%的光能转化效率原理，人类制成的冷光源，将其发光效率提高十几倍，大大节约了能量。再如仿昆虫单复眼的构造特点，人类造出了大屏幕模块化彩电和复眼照相机；仿狗鼻子嗅觉功能，人类造出了电子鼻可以检测出极其微量的有毒气体等等诸多令人惊叹的创造。
尽管如此，自然界的动植物千千万万，其许多高超的技能与奥秘人们尚未完全掌握，但可以相信，随着仿生技术的发展，各种仿生发明会源源不断地被应用到人类的生活中来。
在创造物质文明过程中，工业设计师该怎样更好利用仿生发明来创造产品呢？首先，要明确科学家或工程师与工业设计师职责的不同，前者解决物与物之间或物体本身整体与部分之间的关系；后者解决物与人之间的关系，即构建人机对话的平台。因此，工业设计师实现产品创造的基础是仿生技术发明的实现。这样，工业设计师就有两种方式来更好地利用仿生发明开发产品：
1）科学家先实现成果，工业设计师结合人类的需求转化为仿生设计
科学家先实现了仿生发明，但由于知识结构的差异，科学家不可能对市场和人的需求有一个全面而准确的定位，就不可能成功将其成果转化为市场所需求的产品，更不可能创造人性化的人机界面。而工业设计师正好能准确地捕捉到市场需求，结合优秀的仿生发明创造出人们所需求的产品，同时构建友好的人机对话平台，从而创造更多有价值的产品。
2）工业设计师先提出设想，科学家择优实现的互动仿生设计
科学家还没有实现某种仿生发明，工业设计师通过对自然现象的细心观察和经验总结，结合对市场需求全面而准确的认识，提出某种产品的构想或概念。科学家择优实现这种仿生技术，这使得工业设计师创造这种仿生产品成为可能。通过工业设计师和科学家的互动，从而创造有价值的产品。
因此，工业设计师要关注最新的仿生成果，同时也要细心的观察自然。
3、结构和材料的仿生
随着仿生学的深入开展，人们不但从外形、功能去模仿生物，而且从生物奇特的结构和肌理中也得到不少启发。人们在“仿生制造”中不仅是师法大自然，而且是学习与借鉴他们自身内秉的组织方式与运行模式。有的结构精巧，用材合理，符合自然的经济原则；有些甚至是根据某种数理法则形成的，合乎“以最少材料”构成“最大合理空间”的要求。这些为人类提供了“优良设计”的典范。
例如蜂巢由一个个排列整齐的六棱柱形小蜂房组成，每个小蜂房的底部由 3 个相同的菱形组成，这些结构与近代数学家精确计算出来的菱形钝角 109 ° 28 ’和锐角 70 ° 32 ’完全相同，是最节省材料的结构，且容量大、极坚固，令许多专家赞叹不止。人们仿其构造用各种材料制成蜂巢式夹层结构板，强度大、重量轻、不易传导声和热，是建筑及制造航天飞机、宇宙飞船、人造卫星等的理想材料。
最新科学研究指出，生物体都是由少数很简单的物质构成的，诸如糖、蛋白质和水之类。生物体的不同部分，从柔韧的皮肤到坚硬的骨骼，性能如此多样，关键在于从原子排列成分子，及从分子组合成纤维,晶体等半成品，在结构上的千差万别，就是由于结构的奇巧精致，形成了各种优越奇特的性能。
解生物体构造的这些奥秘，最直接的目的就是研制新型的“仿生材料”。研究人员模仿鲍鱼壳的微观结构，将铝分子充满在碳化硼分子之间，已初步研制成功新型的陶瓷材料，除了既坚硬又柔软以外，还可以感测并适应周围环境的变化，如果飞机机翼材料具有这种性能，那么遭到损害时能够感知并自行修复。具有和生物机体相同弹性的材料，伸缩自如，能成功地用来制作人工动脉。
因此，工业设计师也要积极的关注仿生发明中精巧的结构和奇特的材料，并且巧妙地应用这些结构和材料，结合市场的需求创造出人们需求的产品，同时也要细心的观察自然，提炼自然的精妙，提出更多的构想，为科学家的探索提供更多的思路，从而创造更有价值的仿生成果，为人类创造更加精美更加丰富的产品。
总之，破解生物体结构之谜，研制仿生材料的路还很漫长，目前人类只不过刚刚起步前行，但是仿生材料的应用前途无量，却是绝无疑义的。
4、界面仿生
在现代工业产品设计中，单纯地从形态、功能、结构或材料的某一个方面来仿生是很少见的，更多的是综合形态、功能、结构和材料的多个方面来进行仿生设计，而且还从大自然的生存哲学即和谐与共生的角度进行仿生设计，诸如绿色仿生设计，可持续仿生设计等。这种既从自然界的个体表现形式，又从自然界的总体生存理念的仿生设计，与界面设计的功能性设计和情感性设计是相吻合的，因此，我把这归结为界面仿生设计。
要理解界面仿生设计，首先要知道界面。所谓界面，即人机界面，是人与机器进行交互的操作方式，即用户与机器互相传递信息的媒介，其中包括信息的输入和输出。好的人机界面美观易懂、操作简单且具有引导功能，使用户感觉愉快、兴趣增强，从而提高使用效率。
美国学者赫伯特．西蒙提出：设计是人工物的内部环境(人工物自身的物质和组织)和外部环境(人工物的工作或使用环境)的接合。所以设计是把握人工物内部环境与外部环境接合的学科，这种接合是围绕人来进行的。“人”是设计界面的一个方面，是认识的主体和设计服务的对象，而作为对象的“物”则是设计界面的另一个方面。它是包含着对象实体、环境及信息的综合体，就如我们看见一件产品、一栋建筑，它带给人的不仅有使用的功能、材料的质地，也包含着对传统思考、文化理喻、科学观念等的认知。“任何一件作品的内容，都必须超出作品中所包含的那些个别物体的表象。”分析“物”也就分析了设计界面存在的多样性。
因此，为了认识和分析仿生界面设计，可将其分类为：
1）功能性界面仿生
功能性设计界面接受物的功能信息，操纵与控制物，同时也包括与生产的接口，即材料运用、科学技术的应用等等。这一界面的仿生侧重于功能、结构和材料的仿生，它反映着设计与人造物的协调作用。
2）情感性界面仿生
情感性设计界面即物要传递感受给人，取得与人的感情共鸣。这种感受的信息传达存在着确定性与不确定性的统一。情感把握在于深入目标对象的使用者的感情，而不是个人的情感抒发。设计师“投入热情，不投入感情”，避免个人的任何主观臆断与个性的自由发挥。这一界面的仿生侧重于用形态、色彩、肌理等引发心理情感，体现大自然和谐与共生的精神哲学的仿生设计，它反映着设计与人的关系。
如在计算机的设计中，硬件方面人们逐渐采用多种方式与机器交互，如自然语言接口、计算机支持的协同工作、眼动跟踪、姿势识别、三维输入、表情识别、听觉界面等，进行着功能性方面的界面仿生设计；软件方面广大的软件研制人员开发计算机用户愈为迫切需要的符合“简单、自然、友好、一致”原则的人机界面，即情感性方面的界面仿生设计。
总之，随着计算机广泛应用，它已经变成家喻户晓的商品，可以任意地装在人们的口袋里，用来帮助人们处理日常的办公业务和生活事务，自然的人机界面与和谐的人机环境已逐步变成信息世界关心的焦点。其他产品同样如此。因此，仿生设计使产品有更加完备的功能性界面和更加自然和谐的情感性界面，更好地满足人的需求。
三、未来工业设计中仿生的前景
今天，我们生活在科学技术飞速发展的时代，学习和利用生物系统的优异结构和奇妙的功能，已经成为技术革新和技术革命的一个新方向。许多事实说明，仿生学是发展新技术的金钥匙。例如研究显示，不远的将来一种仿生电子眼可望诞生。因为科研人员已揭开眼睛是如何看到经大脑“翻译”的图像。他们已发明一种称为“细胞神经网络”的电脑微型集成电路，据此将发明仿生“电子眼”可以用来进行类似视网膜功能的图像处理。又如美国宾夕法尼亚大学医疗中心耳鼻喉科的医生不久将开展“仿生耳”植入手术，让从前失去听力的成人重获听力。再如科研人员以猴子作为人的替身，正在研究人大脑的思维与记忆的生理活动。他们设想，如果仿照人的神经系统，把它运用到电子计算机上去，就有可能诞生具有高级神经活动的生物计算机，那就是仿生学划时代的贡献。所有这些都预示着仿生科技前途似锦，而且仿生科技的探索永无止境。
另一方面，神奇的大自然向人类展示着精妙绝伦的生命形态和绚丽多彩的悦人色彩，同时，大自然还无声地阐释了自然界的生存哲学――和谐与共生。这种和谐的设计哲学呼吁人类社会与大自然之间的高度和谐统一；共生的设计哲学则呼吁着人与机器、生态自然与人造自然之间建立合理的建构，搭建人与自然、机器共生的对话平台。
总结
综上所述，运用仿生性思维进行设计，不仅创造功能完备、结构精巧、用材合理、美妙绝伦的产品，而且赋予产品以生命的象征，让设计回归自然，增进人类与自然统一。因此，工业设计师要学会师法自然的仿生性设计思维，创造人、自然、机器和谐共生的对话平台。
参考文献：
〔01〕《视觉和仿生学》 倪海曙 主编 知识出版社 1985
〔02〕《仿生学纵横谈》 邵海忠 编著 江西人民出版社 1981
〔03〕《世界现代设计史》 王受之 编著 中国青年出版社 2002
〔04〕《系统设计》 陈汗青 主编 武汉理工大教材中心 2001
〔06〕《工业设计方法学》 简昭全 主编 北京理工大学出版社 2000
作者 ：武汉理工大学 艺术与设计学院 03级研究生 余森林
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