工業產品形態仿生設計定性及定量技術的研究與應用

王天星　陳琳

摘 要：目前，國內外基于產品形態的仿生設計的研究內容較少，基本都是基于仿生結構和肌理的研究，大多數形態仿生產品都是設計師根據其直覺進行的，定性而不是定量的對產品形態進行仿生。為了有效地進行形態仿生設計，運用計算機相關原理，對產品形態仿生設計的關鍵技術進行研究是必須解決的問題。產品仿生設計更應關注“度”的把握，也就是希望對產品形態進行有效的數字化。

關鍵詞：形態仿生；定性；定量

1 工業產品形態仿生設計的意義

隨著社會經濟和科技的不斷進步，很多生產工業產品的企業為了使自己開發的產品在市場競爭中立于不敗之地，會在產品功能上做大量的研究與開發工作，使得許多工業產品在功能上有了突飛猛進的發展。但隨著人們生活水平的不斷提高，在使用產品的過程中，為了滿足精神上的審美需求，除了功能，對產品造型也提出了更高的要求。為了使產品有更好的市場競爭力，工業產品的設計就必須解決形態設計的問題。

但如果按照傳統的設計思維去開發新產品的形態，就很難在眾多的同類產品形態中脫穎而出。因此，必須尋找新的突破點。從社會發展的角度來看，現如今的消費者越來越重視環保，重視人與自然的和諧發展，而自然界的所有生物都是經歷了長期的進化過程的結果，從形態上來講，是在周圍環境不斷變化的情況下進行不斷適應的產物，即人與自然和諧發展的產物。因此，利用形態仿生的設計思維和設計方法，對工業產品的形態進行改良和創新成了一種很好的選擇。在對生活品質不斷提出更高要求的今天，如果將自然物的形態元素融入產品形態中，就會形成強烈的視覺沖擊力，在同類產品中顯示出其在造型上的優勢。

但是，在前期對大量文獻資料進行了查閱后發現，相關產品形態仿生設計的文章不少，但多只是建立在對仿生結構和肌理的研究上，幾乎沒有利用相關理論及相關的計算機技術對產品形態仿生做定性及定量的分析。鑒于這樣的實際情況，筆者將利用該論文提出新的產品形態仿生設計理論及研究方法，為產品形態仿生設計提供更為有效的途徑。

2 工業產品形態仿生設計的定性分析

2.1 生物體基本形態構成元素

自然界的任何生物，如果將其形態進行拆分，最終都可以分解成點、線、面、體這幾種最基本的形態構成元素。就像在目前大工業化生產的技術條件下，幾乎所有的產品都是由很多零部件拼裝而成的，每一件零部件都是通過特定的流水線以及不同的工藝方法制造的，這就是我們通常意義上所講的標準件。標準件通過批量生產，大大降低了工業產品的生產成本。自然物中的這些最基本的形態元素，就可以被看做是生物體中的標準件，這些元素在特定的自然條件下獨立生長，最后組合成形態各異的自然物形體，具有代表性的有鋸齒狀、螺旋線等。

如果從幾何學的角度進行分析，從自然物中可以提取許許多多完全符合機械化大工業生產要求的結構理想且有生長規律的幾何形態。以螺旋結構為例，DNA分子結構是螺旋狀的；蝸牛的殼是螺旋狀的；向日葵籽在向日葵花盤上的排列是螺旋狀的；車前草葉片的排列形式也是螺旋狀的……我們還可以從更多生物體中找到螺旋結構的影子。這種大量存在于自然界中的數理形態，就為我們提供了很好的素材來源，為之后資源庫的建設提供很多的有效信息。

2.2 形態仿生的內涵及特點

人們在與自然界的動植物長期共存的環境下，慢慢認識到某些動植物的特殊形態能夠在日常生活中被使用，在無意中就對自然物進行了直接或間接的利用，對產品形態進行著仿生設計。很多情況下，這種對自然物形態的使用并不是刻意為之的，而是從人們使用產品的需求出發，在滿足產品功能能夠得到充分發揮的基礎上進行選擇的。產品是通過其特定的功能為人類服務的，而造型的合適與否直接決定了產品的功能能否得到更好的發揮，產品的效率能否達到最優化。因此，產品的形態設計不僅要考慮造型的美觀性，人們對造型的審美需求，更重要的是造型的功能性和可持續發展性，既要從人們使用產品的舒適性角度出發，利用人機工程學的相關原理進行設計。同時，又要選擇少污染或零污染的材料，減輕環境的負擔。

因此，就形態仿生而言，首先，產品形態是對自然物形態進行的簡化與抽象，是在符合自然進化法則的基礎上對自然物進行的選擇與模仿，符合了形態語義學的要求。其次，自然界無窮無盡的物種為形態設計提供了取之不盡的設計素材。再次，隨著時代的發展和社會的進步，人們對個性化的追求已經成為一種趨勢。對不同層次的消費者而言，雖然對產品形態有著不同的要求，但對新穎性的追求是所有消費者的共同目標，而形態仿生恰恰滿足了消費者在這方面的心理需求，這就可以引導設計師設計出更多更好的符合產品功能要求的創新造型。另外，在如今科技化越發明顯的時代背景下，越來越忙碌的生活使得人們接觸自然的機會也來越少，為了讓我們找回那種天然的狀態和回歸自然的感覺，同時也為了迎合生態設計的理念，形態仿生設計自然就成了符合這一要求的第一選擇。

2.3 形態仿生的發展方向

在目前的市場背景下，產品形態是要為產品功能服務的，產品形態的設計目的，是要讓消費者在看到產品形態的同時就形成認知，從而了解產品的功能。就如今的工業產品消費市場來看，消費者購買產品的首要考慮因素，就是產品的造型，設計師要抓住消費者的這一心理特質，對產品形態進行改良和創新。

從我國的實際情況來看，我國的產品設計發展速度比較緩慢，究其原因，很大程度上是由于缺少創意來源和創意素材。現今，大多產品形態的設計都是通過對已有產品的實物樣件表面進行數據采集和數據處理，并利用可實現逆向三維造型設計的軟件來重新構造實物的三維CAD模型，并進一步用CAD/CAE/CAM系統實現分析、再設計、數控編程以及數控加工。這樣一個逆向設計的過程，就很難在形態上有所突破。而仿生設計恰好可以突破這一瓶頸，在已有原始生物體的基礎上，對生物原型進行數據采集及處理，再進行CAD建模、數控編程及數控加工。這樣一來，就可以不斷發展企業的自主創新能力，使企業在目前激烈的市場競爭中立于不敗之地。

目前，我們已經可以在市場上的一些在售商品中找到仿生設計的影子，這些設計可以從自然界中找到相對應的自然物原型。這是一個設計師與自然界雙向交流的過程，設計師可以從現有的一些產品形態中找到相應的生物體，同時，去發現更多未被開發過的生物體形態，并運用到新的產品設計中。因此，在今后的仿生設計中，就需要在自然物原型的基礎上，提取基本的結構單元，進行有效的數字化，并建立相關的數據資源庫，為后續設計提供便利，在注重人與環境可持續發展的基礎上，更加注重產品使用者個性化的體現。

2.4 形態仿生的關鍵點及重要性

任何一件工業產品，一旦進入市場，就具備了商品的屬性。為了體現商品的價值，就必須具備物質和精神兩方面的功能。就產品形態而言，則更多體現的是產品的精神價值。雖然設計師可以利用形態組合法、形態類比法等多種方法來進行產品形態的設計，但要從人性化、情感化的角度賦予產品生命，不得不說仿生設計是一個極其適合的方法。將自然物的特征形態通過提取、簡化等手段，融入產品外觀設計中，使人們被產品的外觀所吸引，從而產生購買的欲望和消費行為，這樣就直接為企業帶來了良好的效益。

設計師對產品形態進行仿生設計是符合市場及可持續發展要求的。一方面，每一種生物從出現到與其他物種經過激烈的生存斗爭，最后存活下來，都是自然選擇的結果。因此，我們在生物界或微生物界找到的生物，其生長形態與結構都是符合自然環境要求的，從工業設計的角度來看，是符合形式美法則的。比如刺猬筆插，不僅形態有趣可愛，能喚起人們對小動物的熱愛，同時從使用功能的角度來看，能存放鉛筆的數量并不比普通的筆筒少，功能一樣強大。另一方面，可以從人性化的要求出發，為形態設計提供創作靈感。隨著時代的發展，人們已經厭倦了每天在鋼筋水泥的城市森林中穿梭的生活模式，產生了越來越強烈的回歸自然的心態，這就漸漸引導了產品形態設計的發展方向向仿生設計傾斜，發展前景一片大好。

2.5 新的研究方法

產品設計師在進行產品形態仿生設計時，首先要對選定的生物體做一個整體的分析，并對生物進行適當的分解，對每一部分的結構進行精確分析，并通過一定的方法保留主要部分，去除次要部分，進行簡化，形成簡化后的形態模型，確定產品仿生形態特征，形成形態仿生的創意。其次，將簡化后的形態模型在特征數據采集的基礎上，在計算機中進行三維數據的處理，對產品形態數據進行重構，并結合產品形態理論進行分析，形成符合用戶需求的產品形態仿生三維模型，最后形成產品。

3 工業產品形態仿生設計的定量分析

3.1 逆向工程技術的應用

仿生設計并不是一個新的概念，在許許多多的工業產品中，都能找到仿生設計的影子。但傳統意義上的仿生設計，基本都是在定性的基礎上對產品進行的形態創造。也就是說，是從設計師自身的審美角度出發，對產品形態進行設計。這雖然能在一定程度上滿足部分消費者對產品形態的需求，但不能保證該產品在同類產品中的絕對競爭優勢。因此，要在產品形態仿生上有所突破，就必須借助新的手段，在計算機的輔助下，對形態進行一定的定量分析與計算，找到形態仿生的新方法。在數字化技術飛快發展的大背景下，利用定量的手段對產品形態進行仿生是一個必然的趨勢。

為了實現仿生設計的技術突破，設計師可以把前文中提到的現有產品設計過程中運用得比較成熟的逆向工程技術，引入到仿生形態設計中作為一種輔助手段，減少形態提取中出現的隨機性，提高設計效率，實現真正意義上的形態仿生。將生物體表面進行數據采集和數據處理，并利用可實現逆向三維造型設計的軟件來重新構造生物體的三維CAD模型，進一步用CAD/CAE/CAM系統實現分析、再設計、數控編程以及數控加工。

與已有產品的實物樣件不同，自然物形態數據的獲得，必須通過激光掃描或光學照相等非接觸式的測量，接著對獲得的數據進行分塊并精簡，提取主要數據，即提取生物體最主要的特征；然后對生物體的主要形態特征進行CAD建模及相關曲面的重構；最后對CAD模型進行調整，得到所需要的產品模型。通俗來講，這其實是一個求反的過程。因此，采集生物體表面重要節點的三維坐標信息是其中的關鍵。這里有一點要注意的是，為了獲得準確的節點坐標，得到的圖像信息必須是清晰的，這就需要在某些具有特殊屬性的表面上，噴涂白色顯影劑。

任何一種生物體，若對其形態進行分解，會發現都是由一些基本的幾何體所構成的，這些基本單元又按一定的規律進行排列組合，形成互相關聯的位置關系。所以，逆向的過程只需要以基本的幾何體為最小單位進行曲面生成，同時研究各基本單位之間的拓撲關系就可以了。在這個過程中，還必須考慮到曲面的連續性，使曲面的平滑度在產品使用者可接受的范圍之內進行調整。

3.2 遺傳算法虛擬技術的應用

在用數字化技術進行仿生形態設計的過程中，可以將遺傳算法應用于自然物形態的模擬。遺傳算法是計算數學中用于解決最佳化的搜索算法，它借鑒了進化生物學中的一些現象，包括遺傳、變異、自然選擇以及雜交等，直接對結構對象進行操作，不存在求導和函數連續性的限定；具有內在的隱形性和更好的全局尋優能力；采用概率化的尋優方法，自動獲取和指導優化的搜索空間，適應地調整搜索方向，不需要固定的規則。作為一種計算機模擬，最優化問題，就是一定數量的候選解的抽象表示的種群向更好的解進化。傳統上，解用二進制表示，進化從完全隨機個體的種群開始，之后一代一代發生。在每一代中，整個種群的適應度被評價，從當前種群中隨機地選擇多個個體，通過自然選擇和突變產生新的生命種群，該種群在算法的下一次迭代中成為當前種群。它的主要作用，是可以對產品形態的整體輪廓和關鍵曲線進行生成，得到所需要的曲面形態和特征曲線。因此，利用遺傳算法進行的形態處理，無論是從整體還是從局部上來看，都能使得最終的產品形態進行很好的進化。在選定某一生物的其中一個個體的基礎上，提取其DNA，獲得與其DNA相匹配的二進制字符串，并使DNA通過遺傳算法得到進化，同時運用適應度函數來計算每一次進化后所產生的DNA的好壞，選擇適應度值高的DNA，淘汰適應度值低的DNA，來確保形態的最優化。

就產品形態而言，形態仿生遺傳算法的實現必須經歷幾個過程。首先，要分別掃描出產品和與其相對應的自然物的圖像，將產品和自然物相對應的面投影到一個被分割成許多小正方形單元的大網格中，提取各自的DNA作為形狀代碼，作為第一代的DNA鏈。其次，對第一代的DNA鏈做一系列的交叉和變異處理，得到下一代DNA，用刪選函數對這一代的DNA鏈作一定的篩選，同時進行插值處理，在輸出的所有圖像中選定其中兩幅，繼續進行遺傳處理。再次，在消費者中做抽樣調查，對利用變異和交叉法則得到的相關系數和適度函數進行調整，同時進行迭代運算，得到最優的圖像。最后輸出生物體和產品相匹配的適應度函數指標，做上標記，通過遺傳算法得出最符合消費者要求的新產品形態。

遺傳算法的目的，就是得到新的、最優化的形態，建立形態模型庫，以便在進行產品仿生形態設計時隨時提取、隨時選用。這一數據庫的建立，將會對設計帶來很多的便利。比如在做一些形態重構、形態置換或形態分割的處理時，可以直接提取庫中的原始形態進行疊加和分解，直接在計算機虛擬平臺上觀察處理后的效果，既節省了重新建模的時間，也大大降低了生產成本，提高了工作效率。

綜上所述，為了突破現階段產品仿生形態設計中出現的瓶頸，在對原始自然物對象進行定性分析的基礎上還必須進行一定的定量計算。比如利用逆向工程解決曲面平滑度，形態匹配等問題，進而利用遺傳算法建立生物形態模型數據庫，對這些關鍵技術的研究和應用，能為后續設計帶來更多的便利。