自然生物給產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來的啟示

摘 要：生物種群在同大自然長期的生存斗爭中獲得了各種與大自然相適應(yīng)的能力，讓人嘆為觀止。人類向它們學(xué)習(xí)生存技能以便取長補短，除此以外，它們穩(wěn)定、合理、高效而又幾近完美的外形、結(jié)構(gòu)給人類的科技發(fā)展提供了許多啟示，也給產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了許多可以借鑒的東西。

關(guān)鍵詞：自然生物；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；設(shè)計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4117（2011）09-0312-02

自然生物是天然生成的包括人類在內(nèi)的一切有生命的物質(zhì)。“物競天擇，適者生存”，它們種類多樣、形態(tài)千變?nèi)f化、生存方式千奇百怪，怎樣以最佳的形式、結(jié)構(gòu)狀態(tài)來滿足不同的功能需求，它們給我們的設(shè)計帶來無數(shù)值得研究的樣本，給予我們很多的啟示。生物體經(jīng)過艱難漫長的進化過程不斷的完善自己的性能和組織，使得在結(jié)構(gòu)、形態(tài)、功能三方面更好的基因傳遞給后代。設(shè)計師們以工程力學(xué)原理為基礎(chǔ)，研究生物體不同結(jié)構(gòu)層次（微觀、細觀、宏觀）的形態(tài)以獲得靈感，進而對結(jié)構(gòu)、材料、系統(tǒng)進行仿生模擬，提高工程結(jié)構(gòu)效率。這種在設(shè)計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)時從自然生物中得到啟發(fā)，并模仿自然生物結(jié)構(gòu)形態(tài)的設(shè)計又被稱為“結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計”。從產(chǎn)品設(shè)計的角度，可以將結(jié)構(gòu)解釋為構(gòu)成產(chǎn)品的零部件形式及零部件組合連接的方式。仿生設(shè)計誕生于1960年9月。第一次仿生學(xué)會議在美國俄亥俄州的空軍基地召開，并定義了仿生學(xué)的概念。

一、自然生物存在的合理性體現(xiàn)

自然生物本身具有一定的合理性，在自然規(guī)律的長期作用下它們形成了高效低耗、自覺應(yīng)變、新陳代謝、肌體完整的保障系統(tǒng)，這些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且功能優(yōu)異。每一種生物在它特定的生存環(huán)境中都有自身生理結(jié)構(gòu)的特點，通過研究，我們發(fā)現(xiàn)這些特點正是它們能夠生存下來的一大優(yōu)勢。以人類骨骼為例，例如：人類骨骼大致分為短骨、長骨、不規(guī)則骨、扁骨四類，骨骼除了由韌帶、關(guān)節(jié)、骨縫、軟骨連接外，骨骼自身的特點使得骨連接更加穩(wěn)固、靈活，長骨兩端連接處球形的突出與球形的凹形骨骼正好契合，這種連接使人類的肘關(guān)節(jié)能在150度范圍旋內(nèi)、旋外彎曲，既合理又安全，使骨骼不易脫臼又保證了日常生活生產(chǎn)的勞動需要。人類的內(nèi)臟非常重要，但是同時內(nèi)臟又是柔軟的，而胸腔骨骼的支撐既保證了心臟、肺的空間，避免肌肉壓迫，又能防止外力對內(nèi)臟的傷害。蛇有三種特殊的運動方式：蜿蜒運動、履帶式運動、伸縮運動，其中履帶式運動原理如下：由于蛇沒有胸骨，它就依靠肋骨和腹鱗之間的肋皮肌收縮，帶動腹鱗豎起與地面產(chǎn)生反作用力而前進。蛇之所以能夠快速地前行和攻擊，與它特殊的身體結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。

二、自然生物給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來的啟示

從產(chǎn)品設(shè)計的流程我們得知，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中我們首先要考慮的是產(chǎn)品得滿足功能性，其次是人機性能，最后是產(chǎn)品外觀。從這幾個方面我們可以獲得一些自然生物給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來的啟示。

（一）給結(jié)構(gòu)設(shè)計與功能性關(guān)系帶來的啟示

自然生物的生理結(jié)構(gòu)不只一個系統(tǒng)，而且是從內(nèi)到外、從小到大以嵌套的形式構(gòu)成的一個大系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)之間必須要相互協(xié)調(diào)配合才能使生物體完成特定功能。

與之相似，產(chǎn)品的各個子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之間必須要滿足一定的“整體性、控制性、和諧性”才能讓最終的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)正常工作，達到預(yù)先的設(shè)計功能。

首先，整體性是指由各部分或各個子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)具有集中性、完整性、系統(tǒng)性，只有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)滿足整體性它才具有實現(xiàn)的基本平臺，這也正如同人的頭部骨骼，每塊頭骨之間連接緊密，它們之間是以一種骨縫連接，每塊頭骨的骨縫處是鋸齒形的，頭骨之間像齒輪那樣互相咬合，這種連接方式使縫隙致密，同時使頭部能承受較大的壓力和沖擊，這種整體結(jié)構(gòu)形成了大腦頭骨主要功能：對腦髓至關(guān)重要的保護作用。這正如產(chǎn)品各個部分最終的指向都是功能的完成，每個部分缺一不可，它們就是一個整體系統(tǒng)。

其次，控制性也可以說是“自身可靠性”，它是指各個子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)自身的可操作性。生物行為功能的完成是由A發(fā)出指令控制B，B控制C，C控制D，再由D把外界信息反饋給A，A收到信息回饋后對原指令進行修正，然后再發(fā)出新指令的一個循環(huán)過程。在這過程中，如果任何一個環(huán)節(jié)的控制出現(xiàn)錯誤或不可操作性都將給功能的完成造成很大的困難和錯誤，對應(yīng)于產(chǎn)品設(shè)計則需要每一個結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)自身的可操作性提高，這是是避免產(chǎn)品工作出錯的客觀條件。

最后，與可控性緊密相關(guān)的就是和諧性，和諧性也可以稱為“相互可操作性”。人體的神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼系統(tǒng)都正常，也就是他們相互協(xié)調(diào)的情況下才能使神經(jīng)系統(tǒng)有效的控制骨骼和肌肉完成一系列的動作，而產(chǎn)品各部分除了自身的可靠性需要達到一定的標準以外，還需要上下環(huán)節(jié)的統(tǒng)一配合、協(xié)調(diào)，才能讓產(chǎn)品實現(xiàn)功能時滿足低耗高能的需求。

（二）給結(jié)構(gòu)設(shè)計與“人機”關(guān)系帶來的啟示

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有核心結(jié)構(gòu)、外部結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三部分。核心結(jié)構(gòu)屬于內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是實現(xiàn)產(chǎn)品功能的關(guān)鍵技術(shù)，通常不與人發(fā)生直接的關(guān)系，大多數(shù)是通過技術(shù)手段控制外部結(jié)構(gòu)。外部結(jié)構(gòu)與人關(guān)系密切，它是構(gòu)成、影響產(chǎn)品形態(tài)的一個重要要素。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就是相關(guān)產(chǎn)品之間的關(guān)系設(shè)計，注重的是產(chǎn)品各個關(guān)節(jié)及相互之間的關(guān)系。產(chǎn)品的這些特點與自然生物的特點非常相似，自然生物由內(nèi)到外的神經(jīng)系統(tǒng)、血液系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、骨骼系統(tǒng)、肌肉系統(tǒng)各自獨立又彼此有著千絲萬縷的聯(lián)系，內(nèi)部系統(tǒng)通過對營養(yǎng)的吸收及能量轉(zhuǎn)換為外部系統(tǒng)的運作提供養(yǎng)料，它們與外界有著不同程度的聯(lián)系。產(chǎn)品的外部結(jié)構(gòu)與人的關(guān)系最為密切，產(chǎn)品發(fā)生關(guān)系的最大客體主要是“人”，但某些情況下環(huán)境也是首要考慮因素，因為與自然生物發(fā)生關(guān)系的最大客體主要是“環(huán)境”。自然生物能夠生存最大的原因是對環(huán)境的適應(yīng)性，而好的產(chǎn)品要存在的關(guān)鍵就是要有適于人類的“結(jié)構(gòu)使用性”。他們之間的這種差異性使我們在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中首先要考慮到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的“人機關(guān)系”，這種人機關(guān)系需要設(shè)計師們充分的調(diào)研和把握人體在使用產(chǎn)品過程的相關(guān)數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計、分析、反復(fù)試驗以得到最佳的結(jié)構(gòu)形式。

（三）給結(jié)構(gòu)設(shè)計與外形的關(guān)系帶來的啟示

生物體的形態(tài)是建立在一定的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上的，各種魚類、爬行動物、軟體動物等，它們之所以形態(tài)各異，是因為他們內(nèi)部的結(jié)構(gòu)完全不相同，結(jié)構(gòu)是構(gòu)成形態(tài)的一個重要要素，是實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)，也是形態(tài)的重要載體。外形又在一定程度上影響結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性，比如說，魚類特有的流線型身體使它在水中游動的時候能夠減小水的阻力，當阻力減小后魚的內(nèi)臟受到來自前方的壓力也減小，使它的身體處于一個更加優(yōu)勢、穩(wěn)定的狀態(tài)。好的強度和穩(wěn)定性使自然生物在運動過程中不易受到外力的影響和破壞，使運動過程更穩(wěn)定，產(chǎn)品也同理。穩(wěn)定性與重心位置、支撐面積大小、結(jié)構(gòu)形狀有關(guān)。強度是指物體能承受的力度，它與結(jié)構(gòu)形狀、材料、連接方式有關(guān)。而這些影響結(jié)構(gòu)的因素同時也是影響外形的因素。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)當使結(jié)構(gòu)與外形、操作系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等相互協(xié)調(diào)，在結(jié)構(gòu)滿足功能性的前提條件下使外形更加優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)設(shè)計在產(chǎn)品這個大的系統(tǒng)中能充分發(fā)揮自己的作用，提高操作的安全性和方便性，使控制更加得心應(yīng)手，提高工作效率。

大自然是一本百科全書，當人類在工業(yè)文明的路上不斷前進的時候應(yīng)該虛心向大自然請教，把借鑒自然生物與工業(yè)設(shè)計緊密結(jié)合起來，建立生物模型研究庫與數(shù)據(jù)模型研究庫進行深入研究，這樣人類將從大自然中獲益，也使人類更好地與自然界各種生物和諧相處。

作者單位：西南交通大學(xué)藝術(shù)與傳播學(xué)院

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