基于生物行為層面仿生的產品設計研究

梁堯堯 盧七卯

摘要：本文基于從生物學到設計的仿生設計螺旋模型，構建一種針對生物行為層面的仿生設計方法。該方法從生物原型行為模式出發，運用功能分析、類比推理等手段，通過“生物功能化一功能方案化一方案視覺化”的設計流程，實現了生物行為學對產品仿生設計的指導作用，為生物行為層面的產品仿生設計提供了一種新的借鑒思路。

關鍵詞：生物行為;仿生設計;產品設計

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）02-0154-03

根據仿生學對自然界的研究對象不同，可以將仿生設計分為三個層面：第一個層面是模仿自然與生命的形態;第二個層面是模仿自然與生命的行為特征和進化過程;第三個層面是模仿自然界的生態系統[1]。文章以從生物學到設計的仿生設計螺旋模型為基礎，綜合運用多種設計策略與工具，探索出一種切實可行的設計方法與流程。

1相關理念概述

1.1生物行為學

生物行為學是生物學的一個分支學科，其研究成果不僅能直接應用于農業、畜牧業，還能對仿生學、心理學、遺傳學等學科的發展產生促進作用。

生物行為學主要研究的是生物的個體行為和種群行為，其不局限于是一種動作或運動形式，而是生物在個體層次上對外界環境的變化和內在生理狀況的改變所作出的整體性反應并具有一定的生物學意義[2]。生物行為學的兩個主要研究領域為描述行為學和實驗行為學。前者負責收集、整理、分類與命名生物的行為類型，并對行為層次性和行為順序性進行研究;后者注重于揭示行為的因果關系。

1.2從生物學到設計的仿生設計螺旋模型

在眾多的仿生設計程序中，由仿生學學院提出的仿生設計螺旋模型較為典型，其因設計驅動力的不同而分為從挑戰到生物學和從生物學到設計的兩種類型。因從挑戰到生物學的設計模型中的核心在于檢索出與設計問題相匹配的生物原型，其削弱了對行為層面加以應用的研究靶向性，因此文章對該設計模型暫不論述。

從生物學到設計的仿生設計螺旋模型由發現、抽象、頭腦風暴、仿真和評價五個階段組成。發現階段指的是設計師得到某種生物原型可作為產品模仿對象的靈感，以此驅動自身的設計活動;抽象階段指的是將該生物原型實現其對應功能的原理進行歸納梳理;頭腦風暴階段需要綜合運用設計師的個人經驗與知識儲備，為該原理找到合適的應用方式;仿真階段即將生物模型轉化為技術模型，再通過設計的手段將其轉化為具體產品方案;評估階段需要將產品方案與生物原型進行比較分析，評估前者對相關原理的應用有效性。如果最后得到的評估結果不夠理想，則需要循環該螺旋模型。

2基于生物行為層面仿生的產品設計可行性分析

與形態層面的仿生設計不同，行為層面仿生設計的模仿對象主要在于生物的行為模式。生物的行為模式也和生物的形態一樣，是長期進化過程中通過自然選擇形成的，其具有很多亟待發掘的優勢可用于指導產品運作模式的設計，例如，根據軍蟻的自組織模式來指導交通工具及其交通系統規劃的設計等。根據因果關系型類比推理的描述：已知存在因果關系S1：A→B，給定事物A與A相似，則可能有與B相似的事物B滿足因果關系S2：A→B[3]。以此可以得知，如果將生物原型比作產品，將生物的行為模式比作產品的運作模式，可以得到如圖1所示的相似性推理，生物原型為了達到某種行為動機而采取的行為模式由運動形式、生理形態和行為原理支撐，與之匹配的是產品為實現功能依托的運作模式的三種手段：交互方式、產品形態和產品結構。

3基于生物行為層面仿生的產品設計的意義

生物行為學的研究內容為產品仿生設計提供了行為層面的學科基礎，尤其是其中對行為功能方面即行為的適應意義的研究。生物以適應生存為目的發展進化出了一系列具有優勢特征的行為模式，其表現在種群通訊、成長發育、生殖繁衍、覓食與防御等多個方面，這些行為模式下揭示的客觀原理也同樣對產品的運作模式有一定的指導意義。通過向生物行為層面的模仿，產品能以一種更高效率甚至創新性的手段來實現功能的輸出與用戶需求的滿足;同時，區別于形態層面只注重于對生物外觀與結構的模仿，行為層面的仿生拓寬了設計師對生物的認知視野，提供了更多通過設計解決問題的可借鑒的思路，加強了設計師對人一機

環境之間相處模式的規劃思考。

4基于生物行為層面仿生的產品設計原則

4.1擇優性原則

生物行為學是基于不同生物原型之間的同類行為模式進行比較研究的，尤其是對整個屬和整個科的行為譜比較研究和分析，會深度發掘出某些生物行為模式具有的一定程度上的優勢，因此，會更適合被應用到產品行為層面仿生設計當中。

4.2適配性原則

一方面，要確定生物行為模式與映射到產品運作模式的適配，即運用類比推理的方法來驗證該行為模式是否能轉化成產品的運作模式并實現相應的功能;另一方面，轉化后的運作模式要與產品載體適配。

4.3功能性原則

脫離仿生設計即“形態仿生”的錯誤觀念，產品的表現形式應該是為功能實現而服務的，通過功能元拆分的手段去分析具體的多設計目標，從而建立基于產品運作模式的功能模型。

4.4情境化原則

對人一機一環境進行考量，通常情況下，只對獨立產品的設計研究會忽略其與用戶和環境之間的關系。產品的運作模式其實也是一種基于某種情境的產品目標實現方式的表述。

5基于生物行為層面仿生的產品設計思路

5.1生物行為模式提取

基于擁有某種生存優勢的生物行為現象的客觀描述，設計師需要將其敘述性的文本整理成簡明的規范性框架，該框架由“生物原型行為模式一行為動機”以及支撐該行為模式的生物的運動形式、生理形態、行為原理等因素構成。其中，生物原型指的是具體到某一類或者某一種相關生物行為的執行者;行為模式指的是具有某種特征與規律的生物行為描述;行為動機指的是生物原型通過該行為模式所要達到的生存目的;運動形式與生理形態分別描述了動態與靜態的行為實現情：境;行為原理則揭示了該行為的實現原理。

5.2產品運作模式推理

根據前文可行性分析中的推理框架，已知生物原型的行為模式與動機，即可類比推理出對應產品的運作模式和功能描述，并對運作模式進行產品層面的解讀：交互方式、產品形態和產品結構。該推理框架總的來說就是一種對已知產品功能具體實現方式的黑箱模型的表達。

5.3產品功能設計

產品功能的本質，是產品系統與外界環境（包括使用者）發生關聯狀態的一種描述[4]。若要實現最終的產品仿生設計，功能是一個不可繞過的話題，通過前期類比推理，已知產品總功能的抽象描述及其運作模式，即可運用TRIZ中功能基的理念進行功能篩選并建立能表現出其層級關系的功能樹模型。

5.4尋求設計機遇與設計展開

基于模糊產品的功能框架，通過頭腦風暴的方法去尋求機遇，一種切實可行的辦法是利用一級功能去設問以引導思維發散，其設問方式可以是正向的，也可以是反向的。在收集到足夠數量的頭腦風暴結果后，再利用二級、三級功能去設問篩選，以期獲得最符合功能條件的設計機遇。

針對一個設計機遇，展開相關的產品前期調研是必要的，其有助于對設計現狀的了解，獲取更為精準的設計定位。之后根據目標用戶進行用戶體驗分析，其指的是基于用戶研究細分產品應用的場景，基于用戶認知模式和行為習慣總結具有共性特征的產品需求模型[5]。最后再將產品需求模型轉化為技術模型，即如何通過技術手段去實現產品的功能，滿足用戶需求，落實到具體可行的方案。

6基于生物行為層面仿生的產品設計實踐

6.1生物功能化

前期通過對鳥類孵卵機制的資料比較研究，獲取了以下一段關于夜鷺的“輪流孵卵的本能互鎖機制”的行為客觀描述：“如果非孵卵的伴侶恰好游蕩到鳥巢（及孵卵過程中的伴侶）附近，這就足以喚起正在孵卵那只鳥的換班內驅力[6]。”通過充分認識與理解以上行為現象，可以提取出如圖2所示的行為模式關系。

之后對該行為模式進行產品運作模式的推理，獲得如圖3所示的結果：

已知產品的運作模式為‘基于相遇替換的輪流供應模式”，接下來運用TRIZ中功能基的概念進行功能和流的描述，從而達到對功能細化與規范化的處理。得到如表1所示的結果。

為了更清楚地了解以上功能之間的層級關系，可以建立如圖4所示的基于功能元分解的功能樹模型。

6.2功能方案化

根據整理出的功能之間的層級關系，可用“供應供給”與“顯示狀態”的主要功能進行反向設問：什么是容易在難以察覺的情況下斷絕供應的？通過頭腦風暴，獲得了“公共廁所里的廁紙”“汽車油箱里的油”“斷水”“斷電”“廚房材料”等結果。之后，利用對次級功能的設問來篩選，即以上設計機遇中哪些是可以通過產品的“替換物料”“提供足夠空間”等功能來輔助解決的。在綜合以上篩選條件后，選定“公共廁所里的廁紙”這一設計機遇為主題展開設計。

接下來進行產品調研，借助資料查找、問卷訪談、實地調研等手段，我們了解到公共廁所里的廁紙總是斷絕供應的問題是受多種因素影響的：（1）廁紙用完后沒能及時補充造成空檔時間較長;（2）使用人員的浪費現象時有發生，加速了廁紙的使用壽命。產品設計方面，目前公共廁所的紙盒都是單軸模式的，即每次只能放進去一軸新的卷紙，舊的一軸只有在被用完的情況下才能被補充，因此就會造成有一段時間內無紙可用的情況。此外，為了避免紙張無節度的浪費，目前已有基于人臉識別技術取紙的設備投入使用。

用戶體驗方面，產品應用場景定位到公共區域，用戶可以細分為兩類人群：補充者（保潔人員）與消耗者，因此要從這兩個用戶角度去分析產品具體需求。基于馬斯洛需求層次理論，產品設計可以從三個需求層次去優化用戶體驗，即感官與交互需求、情感需求、社會與自我需求。如表2所示，整理出兩種用戶維度的產品需求模型。

通過以上需求整理，可得到方案的實施要點為：（1）人臉識別技術應用：控制消耗者取量與識別補充者身份;（2）物料可見性：能實時了解到物料消耗情況;（3）成功補充物料的反饋;（4）根據用戶需求量不同，采取最多分兩次取紙的交互方式。

6.3方案視覺化

運用工業設計中對造型、材質、色彩等方面的處理手段，將產品技術方案轉化為如圖5所示的視覺方案。

6.4設計評估

1）相似性評估：指的是將生物行為現象與產品進行對比來分析兩者在目的與實現方式上的一致性。首先，在目的上，夜鷺的輪流孵卵模式保證了熱量的持續供給，產品上則是持續提供物料，其在目的上具有相似性;其次，在實現方式上，基于親鳥相遇換班的替換模式與基于保潔人員控制的雙倍物料備份模式具有一致性。

2）有效性評估：通過理論上的數學假設的手段可以一定程度上地驗證產品功能的有效性，步驟如下：假設單軸卷紙在該使用場景下的使用壽命為a，保潔人員從物料耗盡到補充物料之間的平均發現時間為b，以此循環n次，則物料的供應覆蓋率為na/n（a+b），產品優化后的供應覆蓋率為2na/n（a+b），其中當a≥b時，物料可達到全時間段供應，明顯可見優化后的產品能很大程度上解決物料短缺的問題。

7結語

文章以從生物學到設計的仿生設計螺旋模型為基礎，提出了一種針對生物行為層面的仿生設計方法。該方法的核心在于將生物原型的行為模式類比推理，成產品的運作模式，再通過功能分析的手段獲取設計機遇，從而達到生物行為學對產品設計的指導作用。文章在探索該設計方法與流程的同時，進行了相關的設計實踐與評估，進一步驗證了該設計方法的可行性。

參考文獻

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[2]尚玉昌.動物行為學[M].北京：北京大學出版社，2014.

[3]趙沁平，李波.類比推理研究中的幾個問題[J].模式識別與人工智能，1995，8（S1）：48-58.

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[5]姚佳.基于用戶體驗的指靜脈智能門鎖設計研究[D].哈爾濱理工大學，2018.

[6]康拉德.洛倫茨.動物與人類行為研究[M]上海：上海科技教育出版社，2017.

[7]徐伯初.仿生設計概論[M].成都：西南交通大學出版社，2016.

[8]高洋，馬東明，錢皓.仿生產品設計過程研究[J].工業設計，2018（08）：40-41.