仿生设计在产品设计中的应用探讨

刘德喜 李 鹏 Liu Dexi & Li Peng

(1.2.东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150040）

仿生学为产品设计提供了新的思路，产品仿生设计是一种在模仿自然的基础上进行的创造性活动，通常根据生物系统特征在设计中的不同应用方式进行类别，表达出一种源于创新，效法自然的现代产品设计理念，以创造出更多满足现代人生活需求的产品,这将成为未来产品设计的发展趋势。

1 “师法自然”的产品仿生设计理念

物竞天择，适者生存，经过漫长的进化过程，自然界中存在的生物得以生存，并不断改善自身结构，实现与环境的共生，这是遵守自然规律的结果。“师法自然”就是以大自然为师，顺应自然，并加以效法[1]。仿生设计是基于自然界中一切的形态，颜色，肌理，结构和功能，在设计过程中有选择性的应用不同的生物特征和原理进行的设计[2]。德国著名仿生设计大师路易吉g克拉尼曾说，他的设计灵感都是来自大自然[3]。

仿生设计自古有之，石器时代以来，人们生活中的食具，饮具，灯具等器具都曾模仿动物形态进行制作[4]。商周、西汉时期，工匠们模仿动物外形设计制作了虎尊、象尊等具有不同功能的青铜器。古希腊人在建造神庙时，创造了经典的古希腊三大柱式，柱头造型灵感也是来自于对自然的模仿。到了近代，随着工业生产技术水平的提高，人们开始追从“少即是多”的技术美学思想，产生了现代主义设计，此时出现了大量以理性几何造型为主的产品。丹麦著名设计师保罗·海宁森根据洋蓟的层叠造型特点进行仿生设计，造就了经典的PH洋蓟吊灯（图1）。为了使生活更加多样化，现代设计模仿自然设计和创造新产品，这不仅增加了产品的趣味性，而且赋予产品新的活力和意义。

2 仿生设计在产品设计中的应用

2.1 形态仿生设计

产品的形态仿生是指在产品设计过程中模仿或简化生物体的外部形态特征，以及通过艺术处理方法将其应用于产品设计，并在产品外观上呈现出来。根据生物体形态的还原程度分为具象仿生、抽象仿生和意象仿生[5]。

2.1.1 具象形态仿生

具象形态仿生是通过模仿自然对象的外观造型,利用夸张、变形等手法，近似的再现物体的形态，使其极具引人注目的视觉效果[6]。在产品设计中结合具象仿生原理，增加了产品的趣味性和创造性，所以，这种设计方法在玩具、工艺品和日用品的设计中应用较为广泛[7]。我国七八十年代风靡一时的儿童玩具-铁皮青蛙，其通体绿色，带有花纹。其在拧紧发条后可向前弹跳，样子栩栩如生。

2.1.2 抽象形态仿生

抽象形态仿生是以仿生对象的外观形态为根基，运用提炼与归纳、夸张与变形等多种处理手法[8]，对仿生对象的形态特征元素进行简化或概括，使其脱离原始自然形态，重点表达出仿生对象的“神态”，最后应用于产品的形态设计[9]。这就与中国传统绘画艺术中的“不似之似”理念不谋而合，即在绘画创作过程中不只是照搬客观物象，而是要有所概括、取舍、调节，以求得到比生活更高的艺术效果，可见其与抽象仿生设计有着异曲同工之妙[10]。

北欧的现代主义之父雅各布森，运用抽象仿生的方法设计了三把现代椅子，分别是天鹅椅、蛋椅、蚁椅(图2)。天鹅椅整体造型宛若一只张开翅膀的天鹅，线条流畅而优美，使人感到轻松与舒适。蛋椅的椅身、后背和扶手连成一体，坐进去后整个身体仿佛被包裹起来，给人以安全感。蚁椅模仿蚂蚁的圆形脑袋和细腰，经过设计提取出几何形式，其造型简约而不简单，充满生命气息。

2.1.3 意象形态仿生

意象形态仿生是通过对仿生对象的形与意进行研究设计，使产品既有自然形态上的视觉效果，又有符号能指上的寓意与象征。意象形态仿生设计的根本是挖掘生物形态和产品之间的潜在联系，在两者的比较中体现产品与仿生对象之间的内在关系。正如所示的猫型吉祥物，其设计采用猫外形的同时，注重其吉祥寓意的表达，达到产品的形神合一。招财猫举起左、右爪分别表示招福、招财，都代表着主人对幸福生活的期盼和美好未来的希冀。

2.2 结构仿生设计

结构仿生设计就是依据不同的目的，找到生物体结构与产品的内在联系，并将其运用到产品设计中。在产品的结构仿生设计中，应用最多是植物的茎、叶以及动物肌肉、骨骼的结构[11]。结构仿生根据仿生对象结构的尺度大小进行划分，包括宏观结构仿生和微观结构仿生。

2.2.1 宏观结构仿生

在产品的结构仿生设计中，人们借鉴仿生对象结构的优良特性创造出许多理想的产品形式。最典型的莫过于蜂窝的多孔结构，设计师根据蜂巢的构造特点，设计出抗压强度更高，成本更低的蜂窝板，并广泛运用在各行各业。位于美国威斯康辛州麦迪逊市的聚合物研究中心开发了一种非气动蜂窝轮胎（NPT），它采用规则排列的六边形结构达到均衡受力，在保证减震效果的同时最大化提高车轮强度。这种结构避免了爆胎问题，并且在噪声抑制和摩擦生热性能方面优于普通轮胎。瑞士Noonee公司根据节肢动物外骨骼的结构特点研制了一款产品，被称为可穿戴的外骨骼座椅（Chairless）（图3）。动物外骨骼十分坚固，主要对其内部器官起支持和保护作用，科学家已开发出不同种类的外骨骼设备，可用于日常生活和生产工作。

图1 洋蓟与PH洋蓟吊灯

图2 天鹅椅、蛋椅、蚁椅

图3 外骨骼座椅、骨骼椅

图4 瓢虫与警示标志

图5 果汁饮料盒

图6 沙漠甲虫与集水器

2.2.2 微观结构仿生

对于生物体微观结构的研究，为产品结构与形态、功能的有机统一，以及设计出更多结构精巧的产品提供途径。德国设计师Marco Hemmerling和Ulrich Nether打破椅子的传统方正造型和木质结构，以人体骨骼内部微观结构作为仿生设计元素，设计出骨骼椅Generico Chair。美国斯坦福大学的一个研究小组模拟壁虎脚掌的微观结构，研制出一种仿壁虎机器人，可在玻璃表面爬行。瑞士工程师研究发现，苍耳果表面布满倒钩刺，于是根据该结构发明了新式纽扣-魔术贴，其由尼龙钩和尼龙线两部分组成，使用上较传统纽扣更加便捷，在衣物、鞋子等设计中十分普遍。

2.3 色彩仿生设计

产品的色彩决定着消费者对产品的第一印象，虽然产品的颜色与形状密切相关，但其对人在视觉感官上的刺激更为直接。所谓色彩仿生设计是从自然的色彩搭配中总结其在仿生物体中的作用，积累色彩搭配的经验并呈现在产品设计中，使产品更加美观、和谐。例如根据彩虹的缤纷色彩生产的彩虹糖，真的做到了看到彩虹，吃到彩虹。人类所观察到的色彩有显色和隐色之分，所以色彩仿生设计包括显性色彩仿生和隐形色彩仿生。

2.3.1 显性色彩仿生

色彩的仿生的作用在产品设计中不可忽视，在产品设计构思之初，需将色彩和形象二者相统一，即便是同一种颜色，在不同情境中也会带来不同的心理感受。大自然的色彩，尤其是显性色彩被广泛的应用于产品设计等领域。例如血液的红色既可以代表热情，也可以表示安全警示。设计师从瓢虫的配色提取出具有警戒作用的红色和黄色，这种警戒色以及具有相同原理的警示标志在人们的生产生活中得到了广泛的应用，以达到提醒大家注意安全的效果（图4）。瓢虫利用显色来警示天敌，保护自己，而有些动物则进化出独特的色彩花纹，作为特有的隐形保护色，如斑马的黑白条纹，长颈鹿的花纹。

2.3.2 隐形色彩仿生

在色彩仿生设计中运用较多的是隐形色彩仿生设计，隐形色彩的一个突出特点是具有保护色的作用，不论是黑白灰色，还是绚丽的环境色彩，又或者是单一色彩，都具有丰富的色彩层次和结构。另外，保护色的形成还必须依靠适当的色彩存在形式，色彩的存在形式还会因环境的变化而变化，只有这样的保护色才能具有有效性。苏联昆虫学家施万维奇通过对蝴蝶翅膀色彩的研究发现，其后翅颜色在阳光下变化无常，可保护自身在花丛中不易被发现，起到隐蔽的作用。苏军利用蝴蝶的伪装原理对军事设施进行伪装，成功躲避敌军轰炸。后来根据相同原理设计出了迷彩服，在野外可与自然环境融为一体。

2.4 肌理仿生设计

肌理仿生是模仿生物体表面的纹理质感,提高产品外表的艺术美感，这是是对自然美的一种直接转化[12]。产品的肌理仿生设计是通过模拟自然物体的表面纹理和组织特征，从而增加人与自然的共鸣感。生活中常见的人造皮革、仿木纹表面产品等都是对天然肌理质感的仿生。研究发现，鲨鱼皮肤表面粗糙的V形皱纹可以减少水流的摩擦，使身体周围的水更有效地流动，加快鲨鱼的游速。模仿这种特殊表面肌理，Speedo公司研制出一种高科技鲨鱼泳衣，又称“神奇泳衣”，在游泳比赛中成为影响比赛结果的重要因素之一。如（图5）日本产品设计师深泽直人基于水果的表面肌理进行果汁饮料盒外观设计，充分再现猕猴桃、草莓等水果的多重感觉，使人们看到饮料盒时仿佛就已经闻到了水果的香味，更诱使消费者去伸手触摸，手感与真实水果十分相似。

2.5 功能仿生设计

产品的功能仿生是通过研究生物功能和天然材料存在的特性，并对其进行设计改造、实践创新，以促进产品的更新与开发[13]。仿生学的诞生不过短短几十年，但功能仿生的实践却早有记载。春秋战国时期，鲁班被锯齿草的叶片划破皮肤，于是从中找到灵感，发明了锯子，大大提高了工作效率[14]。功能仿生在产品的仿生设计中占据重要地位，所以受到广大设计师的的青睐，在向大自然学习的过程中，不断创造出新的产品，为人类服务。例如，集水器械对沙漠甲虫的仿生。纳米比亚沙漠甲虫外壳布满了小而平整的隆起，且隆起的平面如镜子般光滑，独特的结构使其可以轻易收集到空气中的水汽。外壳表面还覆盖着一层蜡状物质，具备疏水性质，可保证水滴顺利向下流动。英国科学家模仿沙漠甲虫的集取水装置制作了集水器（图6），该集水器对于收集空气中的水分效果显著。

3 结语

产品的仿生基于生物特性与产品构成要素的关联性进行分类，各种仿生方式在实际应用中并非独立存在，而是互相联系与渗透，相互依存又各有特点。仿生设计的方法在具体应用中没有界线，可根据产品设计的需求，任意组合使用，将会达到意想不到的效果。

产品仿生设计具有广阔的前景，仿生学的进一步发展伴随着新成果的不断出现，人类对自然界中的一切也有了更客观、更深刻的认知，以自然为师，加以效法。从万事万物的本质特征和基本原理中获得设计灵感，分析研究，归纳总结，最终为产品设计服务。