產品基因在創新設計中的應用研究

張 貴,袁萬選,胡擁軍,劉 帆

（廣東水利電力職業技術學院 機械系，廣東廣州，510635）

產品基因在創新設計中的應用研究

張 貴,袁萬選,胡擁軍,劉 帆

（廣東水利電力職業技術學院 機械系，廣東廣州，510635）

基于產品基因概念，提出了一種產品基因的劃分和提取方法以及相應基因庫的建立原則。通過對已有產品實例的分析，提取其中的各項產品特征抽象歸納為功能基因、外觀基因和結構基因，建立產品實例基因組模型，并按照各基因對應的原理將基因進行編排建成產品基因庫。由于產品基因庫中同一原理一般對應多種基因組合，因此能重組產生較多的基因突變組合，能有效地啟發設計者，提高產品設計的創新性。

產品基因；基因庫；創新設計

1 產品基因簡介

目前，隨著市場經濟中競爭的日益激烈和現代工業化生產力的飛速發展，產品的生命周期越來越短，新產品層出不窮并快速取代舊產品，針對這一趨勢，企業的產品設計越來越追求縮短設計周期、降低設計成本和針對用戶需求的個性化設計。為滿足企業的這一需求，就要求產品設計過程既能延續舊產品的優秀設計，又能快速的舉一反三、推陳出新，在較短的時間內以較低的成本設計出客戶滿意的產品。這里，我們將遺傳變異思想引入其中。

在自然界中，生物通過遺傳基因將自己的特征遺傳給后代，并能通過基因的重組和變異產生新的性狀甚至新物種。同樣，在產品設計中，產品的創新也大多將已有產品中的原理和設計進行重用和再組合，也具有遺傳和變異的特征。同種產品一般具有相同的功能、原理和結構，基于舊產品設計的新產品也將大量延續前者的特征并在此基礎上整合了其他產品的功能結構特征，這一點也和動植物的雜交和嫁接十分相似。由此可見，產品的設計過程和生物的遺傳規律有著許多共通之處，基于這一認識研究學者們提出了“產品基因”這一概念[1]。

本文對產品基因進行了初步的分析和歸類并引入了外形基因這一概念，使其更適用于工業產品的設計過程。并在此基礎上提出了基于產品基因的產品創新設計方法，包含產品實例基因模型的建立、產品基因庫的編排及產品基因的重組和突變方法。使產品基因概念能運用到創新設計中去。

2 產品基因的分類與提取

2.1 產品基因的分類

生物的基因即DNA包含A、G、C、T四種堿基，這4種堿基通過排列組合能構成不同的基因并通過轉錄表達出各種生物性狀，從而決定了生物的各種特征。反之，通過研究生物的性狀、特征就能推導出相應的基因。

工業產品的特征一般是由產品的功能、結構、外觀所體現的，與之相對應的設計就好比決定性狀的堿基排列。所以我們可以按照生物基因工程的方法研究產品實例，從中提取設計案例并最終抽象成產品基因[2]。這里我們將產品的基因分為功能基因、結構基因、外觀基因，三種基因的定義如下：

（1）功能基因：描述產品的使用功能，產品的子功能可以看做最小的元基因，多項功能組合就形成了功能基因組（如圖1），功能基因的內容能直接影響產品的結構設計和部分外觀設計。

圖1 產品功能分解圖

（2）結構基因：表現產品的幾何結構、裝配關系和材料特性等，是對功能要求和外觀要求的原理解和具體設計。產品結構基因將很大程度地決定產品形態的最終實現。同功能基因一樣，結構基因也由各級子結構基因和基因組合構成[5]。

（3）外觀基因：描述產品的美學功能、外觀設計和物料特性。產品的外觀受功能和具體結構影響，但具有一定的獨立性。產品的外觀基因應該體現情感化設計的要求，滿足用戶的美學需要，既要不同于舊產品的外觀設計又要要保持繼承性，體現品牌特征。例如蘋果公司的數碼產品產品的族群可以細分為iPod shuffle、iPod nano、iPod classic和iTouch四條產品線[3]。每種產品在外觀造型和配色方案上都有明顯區別但在風格上卻又延續了統一的特征：簡潔的外部線條，純凈的顏色，觸感良好的材質，圓形的操控轉盤，直觀易懂的人機界面等。

三種基因的作用關系如圖2，可見產品的結構基因由產品的功能基因和外觀基因決定，其作用方法類似生物的轉錄[4]。功能基因和外觀基因經過功能分析和外觀分析得到相應的原理，由原理求解得出結構基因并最終表達成產品特征。

由圖2還可以發現，產品功能基因和產品外觀基因的作用過程是相對獨立的，在現實中不同產品其功能基因和外觀基因所占的比重是不同的。例如結構較復雜技術含量較高的產品一般首先注重使用功能的實現，一次外觀設計的成分較少；結構較簡單且以實現美學功能和情感功能為主的產品則一般功能單一，外觀設計占主導地位。（如圖3）

圖2 功能、外觀和結構三種基因的關系模型

自行車設計

圖3 飲料瓶設計

2.2 產品基因的提取

在生物基因工程中，科學家使用RNA進行逆翻譯從蛋白質中提取遺傳信息，再進行逆翻譯得到相應基因。在產品基因中原理充當了轉化時的信息載體，相當于生物基因表達時使用的信息載體RNA。產品基因的提取過程就是通過對現成的產品實例或實例種群進行功能分類、結構拆分和外觀分析，找出其對應的原理，建立原理模型再按照原理模型將各功能設計、外觀設計和結構設計進行分類歸納提取成相應基因。

產品基因的提取原則

（1）將已有產品劃分成產品族群，對族群的共通特征進行分析。

（2）研究產品系列的演化歷程，分析其遺傳規律，指導后續的產品設計。

（3）按照企業品牌形象選擇性地取舍基因，保留受顧客歡迎的體現品牌特色的基因，舍棄有損品牌形象的基因。

2.3 產品基因庫的建立

基于產品基因這一概念，我們可以將以往各種經典設計和成功產品進行分析，總結出優秀的外觀、功能、結構設計，并將這些設計歸納抽象成相應的基因。搜集這些基因并編排成庫就成了屬于產品設計的基因庫。當設計新產品時，只需按照產品的設計要求從產品基因庫中提取滿足條件的基因加以重組就可以組合出多個設計方案。從這些方案中選出最優解既可得到創新產品。

為了方便將產品基因信息運用于創新設計中，就需要建立產品基因庫。由圖2易知功能的最小單元子功能對應一項原理，每項原理又對應一項子結構，兩者由原理聯系在一起。因此我們可以將產品基因按照原理進行歸類和編排，從而建立產品基因庫。如圖4

圖4 原理基因組結構圖

在基因庫中，設原理為P，與P相關聯的功能基因、外觀基因、結構基因分別為Gfi，Gai、Gsi。基因庫中各種產品基因以原理基因組的方式存儲，由于同一原理能實現多種功能和外觀設計且可由不同的結構設計表達，故原理基因組的表達式為

例如某產品基因庫中杠桿原理對應的原理基因組可按下式表示：

使用產品基因庫時，只需按照所需的功能或外觀設計檢索相應的原理，就能查到該原理對應的結構基因，還能獲取同源的功能和外觀基因，從而產生更多的基因組合。這一功能對設計者能起到一定的啟發作用，有助于誘導設計中基因的重組和突變。產品基因庫建立后，還要在設計過程中不但地積累設計知識，豐富產品基因庫的內容，從而增加產品基因的突變類型，為創新設計提供更多靈感。

2.4 產品基因的表達、遺傳、重組和突變

產品實例的基因可按照圖2以自頂向下的樹狀結構表示成基因模型，如圖5

圖5 樹狀產品基因模型

當我們設計產品時，可以從已有產品種群實例中提取有代表性的范例，分析范例的特征并建立相應的樹狀基因模型。例如設計光電鼠標時，先分析其基本功能和外觀設計，建立該實例的基礎基因組：如圖6

圖6 鼠標的基礎基因模型

圖6 所示的產品實例基因組描述了光電鼠標這一產品的基本構成，以后設計的新款鼠標大多會具有這些基因，因此這些基因具有遺傳性，會遺傳到產品種群的新產品中去。

樹狀產品基因組的重組和突變過程就如同在樹枝上添加葉子或替換葉子，例如在鼠標的基因庫中傳感器對應的原理基因組為：

其中除了包含“指令信號輸入”和“位移信號輸入”還會包含其他功能基因如“圖形信號輸入”，圖形信號輸入對應的適用于鼠標的子結構基因是“指紋識別器”“攝像頭”等等。

因此，在鼠標的基礎基因模型的基礎上，新型鼠標就可以在其基因組中加入這一突變功能并衍生出對應的設計如指紋鎖或二維碼識別插件等。

3 基于產品基因的產品創新設計實例——無線自發電鼠標

3.1 設計背景

問題一

無線鼠標的發明使鼠標擺脫了數據線的限制，但同時無線鼠標必須得面對能源問題。一般無線鼠標都是以5號或7號干電池為電源，電池耗盡后必須要更換新電池，在給使用者帶來不便的同時舊電池也會對環境造成污染。

問題二

操作傳統鼠標時，手腕背伸一定角度，掌側與桌面接觸積壓，使腕管處壓力增大，長期反復的擠壓摩擦，使通過的神經和血管受損傷，產生鼠標手癥狀。鼠標手會造成肩部甚至頸部的不適、手腕和前臂的疲勞酸漲、手腕的僵硬和手掌的酸澀。

為了解決這兩個問題本文設計了一種能將鼠標移動時的多余動能轉化成電能供自身使用的無線鼠標，同時鼠標的外形采用創新設計，能有效的預防鼠標手。

3.2 新增功能分析及基因提取

功能方面：要將動能轉換為無線鼠標可以使用的電能就需要發電裝置，與之符合的發電原理有壓力發電P壓力發電、電磁感應發電P電磁感應等，由于鼠標的位移比較頻繁因此選擇P電磁感應，檢索P電磁感應包含的基因組合選取=（位移發電，電磁感應，偏心輪+發條+發動機）或者=（位移發電，電磁感應，內臟線圈+外置永磁體），為了增加能源的轉化率，選擇機械傳動部件較少的=（位移發電，電磁感應，內置線圈+外置永磁體）。

外形方面：要預防鼠標手就要使手腕不與桌面接觸，由于傳統鼠標設計都無法避免手腕與桌面接觸，故引入游戲手柄的基因：=（信號輸入，舒適握感，立式搖桿設計）

將以上基因加入原鼠標的基因模型（圖6）就得到了新產品的基因模型，按照這一模型指導設計就能較快地設計出創新產品：即立式側握式鼠標，內置發電線圈和儲能電池，附件包括內嵌永磁鐵的特制鼠標墊。鼠標工作時，內置線圈切割鼠標墊產生的磁場產生感應電流供給鼠標。（如圖7、8）

4 結語

本文介紹了產品基因的分類和提取，并對產品實例基因庫的建立以及產品基因的重組、突變和雜合等問題進行了研究。為解決產品基因在產品設計中的實際應用問題，本文提出了以原理為標準編排和建立基因庫的方法，增加了產品基因的重組、突變能力，提高了產品基因概念在創新設計中的實用性。基因庫概念的引入有利于設計知識的延續、積累、規范以及再利用，并能對設計者提供啟發和指導。

圖7 產品外觀效果圖

圖8 產品爆炸圖

[1]馮培恩, 陳泳, 張帥,等. 基于產品基因的概念設計[J]. 機械工程學報, 2004, 38(10):1-6.

[2]楊金勇. 基于功能表面的機械產品基因工程理論與技術研究[ D] . 濟南: 山東大學, 2007

[3]繆琳, 楊雄勇. 從蘋果的設計探究產品基因的遺傳與變異.湖南大學設計藝術學院

[4]臺立鋼, 鐘廷修. 產品實例種群及產品基因研究[ J] .上海交通大學學報, 2007, 41( 9) : 1465- 1469

[5]劉怡, 黃克正, 劉和山,等. 基于產品基因進化的結構設計自動化[J]. 機械科學與技術, 2004, 07期(7):813-815.

Research on Application of Product Gene for Innovation Design

Zhang Gui,Yuan Wanxuan,Hu Yongjun,Liu Fan
（School of Design, South China University of Technology,Guangzhou Guangdong,510635,China）

Based on the concept of product gene, a method of classification and acquisition of product gene was proposed. Besides, the principles of establishing the gene pool for the product gene was put forward. Through analyzing the product cases, formulating the characters extracted from product case as product gene and then a model of the product case was established. According to the principles of each product gene, a gene pool was established, it is helpful to the innovation design as the product gene from gene pool can change into various mutations combination which can inspire designers and improve the level of creativity of the design.

product gene; gene pool; innovation design

TB472

A

張貴 (1987- )，男，安徽阜陽人，碩士研究生，主要研究方向為產品創新理論與應用、產品設計及其理論。