DNA雙螺旋結構的曲線形態與仿生設計分析

陳曉燕

摘 要：本論文首先從DNA基因結構符合形式美法則入手，將該結構融入仿生造型設計，并對曲線結構與現代設計的關聯性進行了分析，以期將微觀結構與仿生造型設計有效的結合。

關鍵詞：DNA;曲線;仿生設計

隨著生物學的不斷深入，作為所有自然生物形態的基礎結構——DNA基因結構，越來越受到人們的關注，如何運用DNA結構形態來創造設計，改良生活，是人們追本溯源，回歸自然的夢想。

1 DNA基因結構的形式美

1.1 比例

在設計中，圖形比例是部分與部分或部分與全體之間的數量關系。古希臘發現的黃金分割比1：1.618，是世界公認的產生協調美感的基準，也是形式美法則的重要內容。美的比例是平面設計中一切視覺單位的大小，以及各單位間編排組合的重要因素。

DNA是基因的載體，也是生物最初的形態之一。人類以及很多生命的奧妙都來源于DNA的神秘代碼。人們印象中的DNA或許只是盤延上升的螺旋、各種不同的拓撲異構態等，但DNA雙螺旋結構富于數學之美，更符合平面設計的形式美法則，最有趣的是DNA基因鏈的比例還包含著“黃金分割比”，這或許是很多人所不知道的。因為DNA的每個雙螺旋結構中都是由長 34個埃與寬21個埃之比組成的，當然34和21是斐波那契系列中的數字，它們的比率為1.6190476，非常接近黃金分割的1.6180339。

1.2 和諧與對稱

對稱的形態往往會給人以和諧的感覺，這是一個自然的規律。而一對DNA基因恰好具有反向的對稱性。DNA的復制是按照基因配對原則來進行的，利用細胞中游離的四種脫氧核苷酸為原料A（腺嘌呤）T（胸腺嘧啶）G（鳥嘌呤）C（胞嘧啶），各自合成與母鏈互補的一段子鏈，隨著母鏈解旋過程得進行，新合成得子鏈延伸，同時與每條配對得母鏈繞成雙螺旋結構。[3]例如：

某一段母鏈基因為：ATGCATGA

則合成的子鏈為：TACGTACT

圖1 DNA雙螺旋結構圖

這樣的對稱形態稱為反轉對稱，雖同形、同量，但方向相反，例如中國的太極八卦，對稱均衡的形態兩相逆轉，均衡互移產生的圖形，這種對稱對比強烈，有靜中含動之勢，富有張力，完美的將人的審美心理與DNA基因結構規律統一，無論從生物學，還是美學角度，這都是一種美態法則。

1.3 節奏與韻律

節奏在設計中是指以基本型要素連續重復時產生的運動感。然而基本型的單元組合重復比較單調，因此，我們將基本型進行有規則的數比、等比處理排列，使之產生音符般的旋律感，稱為韻律。

仔細觀察我們會發現，DNA基因結構隨著對稱基本型組合以不斷連續的方式向上下或左右重復延伸時，變化的結構連貫而有序。基因結構產生的節奏和韻律的構成好像一股蓬勃向上的動力，在時空中匯聚能量，穿針引線。

因此，DNA結構可以說是生物最初的美好事物之一，作為工業設計人，應尊重并懂得如何運用DNA結構來創造更加美好的生活。

2 仿生設計與DNA曲線美學形態的結合

2.1 科技發展對微觀形態設計的影響

隨著生物科學技術的迅猛發展，數學和科技提供了精密的方法論，物理學家在不斷探究物質微觀結構的同時，還欲竭力揭示宇宙起源的奧秘，人們對生物形態的認識也逐步由宏觀發展到微觀，這也引起了設計師們的強烈好奇心。

加之設計行業與一些相關邊緣學科的相互滲透，又緊密關聯，設計師們逐漸學會將各學科綜合開發利用，使得設計視野、思維能力、想象力和創造力有了廣闊的發展空間，設計靈感角度也從大到宇宙范圍的無限領域，小到和人類活動密不可分的微觀世界領域。

2.2 DNA基因結構的曲線美學形態特征

曲線形態已逐漸成為現代設計的時尚潮流。DNA作為最神秘的基因結構，最顯著的特點就是呈現一種曲線之態，富于變化，符合人們對曲線美的向往，無疑受到了設計師們的追捧。DNA的曲線美隨之被設計師的各類創新型作品展現得淋漓盡致，曲線形態的特色與各行業相結合，以達到獨特的視覺沖擊力。它的神秘與另類科技之美也逐漸被大眾接受。

解構主義大師哈迪德曾經說過“沒有曲線就沒有未來”。曲線是具有動態和感染力的形態要素，也是充滿人性化的視覺元素，曲線造型可以為產品帶入靈性，同時也是高科技設計的表象。DNA的分子結構呈現的曲線結構恰恰是生物最初的最美形態。

德國著名設計師科拉尼說：“世界任何東西都是以曲線形態存在的，無論從本質上還是表象來看，都沒有直線形態的物體。”曲線的魅力在于它奔放自由，變化萬千，具有極強的張力，對人的心理起到一種延續作用。直線型為主的造型剛直、嚴謹，久之容易形成單板的感受，而多變的曲線柔和、親切、優雅的美態，能控制人的視線在曲線上做視覺來回的行程，刺激視覺興奮，產生快感，使產品與人與環境更和諧統一的關系。

一切生物都有著極為精到的功能結構與形態關系法則，這是我們進行物質創造最廣闊而豐厚的知識源泉。柯拉尼創立的“生命設計”，結合在DNA基因結構形態放生設計上，也能準確的傳達對微觀形態的設計才是符合生物結構規律的，設計師必須具有來自生物世界的豐富知識和設計世界特有的洞察力，才能成為優秀的“生命設計”者。

例如，2010年完工的新加坡雙螺旋橋就是設計師受DNA結構的啟發，將生命與延續、更新與成長作為該橋的設計創意，采用不銹鋼鋼管建造的兩條螺旋曲線相互纏繞，它的雙螺旋結構讓整座大橋使用的鋼材只有傳統箱梁橋的1/5;為突出它的DNA雙螺旋結構，橋體上還運用了LED照明系統，橋上還裝有帶顏色的字母燈：“C”，“G”，“A”和“T”，分別代表DNA的胞核嘧啶，鳥嘌呤，腺嘌呤和胸腺嘧啶，毫無疑問，它成為了新加坡的又一地標性建筑。

2.3 DNA基因結構的曲線形態設計的可行性

DNA結構的曲線形態具有感性因素，但要實現曲線的設計又必須依托飛速發展的電子技術為基礎。目前，計算機輔助設計和輔助制造（CAD）、（CAM）已經足以使復雜的曲線形成的曲面成為現實。

隨著機電技術的進步，大規模集成電路的使用，使產品結構逐漸精密，例如筆記本電腦的體積的日益縮小，功能卻逐漸強大，電子產品逐步向小型化、微型化、智能化發展。

新型材料的不斷誕生，曲線形態的造型在計算機輔助軟件和數控成型技術支持下，更容易實現。

2.4 流線型設計和現代曲線形態設計的區別

流線型設計的成因是飛機誕生時，為了減少飛機機身對空氣的阻力，而運用流線型對其機體內部結構進行的簡陋的掩飾和包裝;它的實現目的主要是在機械工業支持下減少空氣阻力，追求質感和速度。

而現代曲線形態設計的成因是數字化時代的消費者對人性化設計的追求更堅定，他們需要的是多變而富有趣味的產品;它實現的目的主要是在高新科技支持下，生產精細化的數字產品和其他高科技產品。

設計師在選擇曲線形態時，微觀科學的象征圖形DNA基因結構就成為了重要的仿生形態之一。因為DNA基因結構的曲線形態，不僅是生命的起源，同時具有生命力和感召力的形態要素，作為一種充滿人性化的視覺“語言”，為產品設計注入靈性，使得現代設計文化與自然形態和諧共存。例如DNA造型結構在家具、燈具、公共設施等方面都曾經被巧妙運用。

然而截止目前，對于DNA結構在仿生設計中的運用幾乎還局限于對其結構的有限模仿，僅僅創造出了形態美的結構，對于其功能、結構的仿生還很少，這說明人們對于微觀結構的仿生設計還探究得比較淺。

有報道稱加州大學Santa Barbara分校的科學家通過基因工程和分子進化對一種半導體進行了酶合成，研究人員通過建立含有各種硅蛋白遺傳物質組合的硅蛋白基因池，生成了大批硅蛋白，并能從中篩選所需性能。相信在不久的將來，我們可以借助科學家的幫助，了解更多的DNA奧秘，創造出更多的符合DNA基因結構美學的形態、功能、結構仿生設計，為人們生活和工作所用。

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