生物耦合現象對仿生設計課程教學實踐的啟迪

李智健

（大連工業大學 藝術設計學院，遼寧 大連，106034）

仿生學經過近60年的發展，如今，這門學科的現代定義綜合了以人與生物的生存環境作為模本，探索其中所發生的現象，通過相關學科的交叉滲透，滿足人類的實際需求。

仿生學的模擬方式不僅是以往對自然“形似”的單元仿生，生物適應自然的前提在于多個因素相互耦合。生物耦合是指兩個或兩個以上耦元通過有效的耦聯方式聯合起來成為具有一種或一種以上生物功能的實體或系統①84。生物耦元是構成生物耦合的單元，兩者互為因果，關系緊密①57。生物主要通過多元耦合實現其自身功能，單一耦元雖有相關功能，但若沒有其他耦元的共同協助，就難以實現生物功能與環境適應的最佳狀態，即生物體對環境變化的感知①121。例如蚯蚓脫附減阻功能在外表上體現出圓錐形，在土壤中穿行時呈現出波浪形的體態變化，非光滑體表上的背孔分泌出體液，以及其他因素共同實現脫附減阻功能。生物的耦合現象普遍存在于自然界的各種生物，它們雖然不屬于同一類別，但具有同樣的功能。例如自潔防粘功能在荷葉、葦葉等植物葉片和蝴蝶、夜蛾等昆蟲翅膀上皆有體現，是由它們的表面非光滑形態、微納米復合結構和低能材料等因素耦合實現的①18。

不同專業領域對仿生學的認識不同，促使仿生制品的涉及范圍更加廣泛。例如力學研究生物在環境中不同狀態下運動的微妙變化，化學研究生物體內能量輸送與轉換的反應過程，生物信息學模擬感覺器官與神經網絡的信息處理過程，工程仿生學側重轉化生物體與設計、技術、發明和工程創造相結合，學習和模擬生物耦合機制的多元仿生，即由單元仿生向多元仿生發展。

仿生學的研究內容以生物學對生物系統與周圍環境的關系為起點，將生物的習性、技能、結構差異等因素作為仿生模本，主要來源于生物模本、生活模本、生存環境模本，從中研究人工制品與仿生模本之間的相似性，使其基本特征與表現形式構成有效鏈接，經過仿生模擬、設計、評價、優化、制造過程，改進和提升產品性能。

仿生設計屬于工程仿生學的分支，“向自然學習”一直是產品仿生設計的重要依據，自然與人工制品的共通之處在于外形（Shape）、表層（Surface）、結構體（Structure）及生產（Making）等因素的綜合運用，自然的外形顯示出每個物種的獨特性，表層則體現出與周圍環境的互動關系，結構體反映出從微觀到宏觀各個層級的功能作用，生產是物種繁衍生息、經久不衰的動力源泉。設計的關鍵在于仿生模擬、目標模本、相似性。目前在工程仿生領域，以形似模擬、結構模擬、構形模擬、材料模擬、行為模擬的單元仿生為主導；單目標和多目標模本以綜合優選為原則，多目標模本是指在同一物種中的不同群體有時存在特殊性，在確立相關群體具備共性的同時，利用其突出的特性開展仿生設計；相似性原理是在確定產品功能的基礎上，將生物對周圍環境變化所做出的自身調節反應與產品功能形成相似性，使仿生設計更加貼近生物原型，也更有利于未來產品在眾多工程領域的創新研發。例如，荷葉“出淤泥而不染”的特性可應用到防水防塵的材料上；細胞系統的相互連接、支撐及構成關系可應用于硬紙板、家具等材料的生產與制作；植物的光合作用讓光伏發電技術不斷取得突破，蜘蛛絲的編織讓紡織品變得更加柔韌、輕便，細菌纖維素的繁殖能夠讓材料實現生物降解，從而逐漸替代傳統材料等。

一、耦合現象中的自然屬性與動態變化

自然屬性的內容源于人類通過觀察、記錄、梳理自然界和生物界的本質面貌、變化規律及自然現象，將其轉化為人類對自然的反應和自身的認識。動態變化普遍源于世間萬物的動作，比如斗轉星移、氣候變換、動物遷徙等。

圖1

圖2

圖3

如圖1所示，自然屬性作為仿生設計的起始點，與之相連接的有實際描述、時間與空間和人為事物，實際描述是指真實存在的自然現象，時間與空間是事物變化的根本，普遍聯系在于自然生態、人類社會發展的本質。動態變化是對自然與人為事物、原理和結構進行相似性組合，人為事物中含有人為加工和對自然的模擬，比如各式家電內部的電路板是模擬神經系統，折疊式產品的結構是對鳥類骨骼、節肢動物、貝類等軟體動物的模擬，這些都說明原理與結構相似性存在于自然和人為事物之中。

二、生物耦合現象在仿生設計教學中的運用

在圖1中，運用“思維導圖”的設計方法，根據前文對“生物耦合”的描述，生物功能的前提在于多元耦合及環境適應，生物內外的多個因素都有可能作為仿生模本的一部分，主要以相似性為側重點，并且各因素之間可形成協同關系。在教學中嘗試建立以自然屬性為起點的耦合現象，對已有同類產品進行再創造，在使用同一材料的標準下，模型的選材、制作到加工全部由學生借助常用工具獨立完成，將手工制作放在培養實踐能力的突出位置，讓學生在完成作品的過程中，既能鍛煉動手能力、積累經驗、熟悉材料的特性、掌握工具的使用，也能更好地理解動態變化在產品設計中的系統作用，通過以“旋轉”為主題的作業要求，以實際案例來說明仿生設計除了把握不同產品的形態變化外，更需要考慮的因素是功能和結構如何實現，在此基礎上針對尺寸、比例、平衡等方面進行調整。

三、教學案例實施流程

此次仿生設計的實踐課程選擇的自然屬性為“螺旋”，螺旋也稱為“漩渦”，它既是在地轉偏向力的作用下產生的一種自然現象，也廣泛存在于生物界像鸚鵡螺的螺旋狀外殼、DNA的雙螺旋結構、植物生長過程中的螺旋等形式中。從時間的角度來看，它代表著萬事萬物的發展路徑是條不斷循環且上升的曲線；而且在機械設計、制造方面的應用領域也相對成熟，從空間上看，“螺旋”主要起到連接和驅動作用，比如螺絲與螺栓、蝸輪與蝸桿等。當自然屬性確定之后，選擇人為事物則圍繞“螺旋”的動態變化拓展思路。螺旋上升的曲線總體趨向一種旋轉動態，螺絲與螺栓在完成兩個或兩個以上物體連接時會有另一種旋轉方式，本身有向內或向外旋轉的含義；蝸輪與蝸桿的傳動關系也是在交錯軸的垂直關系中，通過“旋轉”傳遞動能。由此將“旋轉”作為動態變化的關鍵點，在事物的普遍聯系方面從內、外兩個角度分別歸類，“外部體現”的舉例來源于生活中常見的人為事物，比如交通工具、小型家電和玩具；“內部構造”依次對應“外部體現”，在交通工具中所使用發動機的動力輸出各不相同，“零部件”對應上層小型家電或玩具，隨著目標數量的增多，盡可能擴大人為事物的種類，這些都可作為課程素材的基礎。

四、相似性在模型制作階段的運用

相似性在生物耦合現象中起到關聯作用，主要體現在從簡單到復雜的遞進關系。螺旋的仿生來源選定植物界里屬于槭樹科的紅楓雞爪槭，它的果實——翅果外表包裹了一層“翅膀”，在掉落時呈螺旋回轉狀態，與之相似的人為事物有陀螺、竹蜻蜓，飛機螺旋槳的靈感源于竹蜻蜓。實踐過程是文章的另一個重點，總體要求做到選擇材料標準化、訓練目的明確化，在過程中求解決方案，直至達到預想效果。

（一）選擇材料標準化

陀螺、竹蜻蜓選用的材料有厚度為3mm和5mm的PVC（雪弗板）、圓規、三角板、美工刀、鉛筆、強力膠、200～1200目砂紙；橡筋動力飛機在上述材料和工具之外，還有截面5mm×5mm×500mm木條、T型尺、橡筋、大頭釘或細鐵絲、細嘴鉗、油筆芯、尼龍線、不干膠。

（二）訓練目的明確化

作業成績與模型展示效果一致即是作業的標準，也是讓訓練目的圍繞觀察力、理解力與實際操作相結合，以往的訓練模式用繪圖表達對事物理解的效果畢竟有限，“眼高手低”的問題在當今務實的社會環境中對學生職業發展不利，所以實踐的出發點是“再設計”。即便是市場上流行的現有產品或是趨于成熟的裝備制造，依然有可發揮創造力的空間，仿生設計的研究價值在于探索未知領域、開拓應用范圍、更新已有技術、優化設計目標。以下分別說明陀螺、竹蜻蜓、橡筋動力飛機三個模型的制作和測試過程。

1.陀螺

如圖2所示，在陀螺制作示意圖中，首先要做到延長轉動時間，關鍵在于降低陀螺的重心，以及陀螺底部接觸面的支點要足夠精巧，其次要保證與手部接觸的短柄與陀螺體的中心線在一條直線上，保持上下整體平衡，預防在轉動中出現重心不穩定、左右擺動、轉動時間過短的問題。

圖4

PVC板材與KT板相比，具有密度高、質地較硬、加工可控性強、切割時較齊整、砂紙打磨后較精細的特點。陀螺短柄下的部分近似圓錐體，制作前可借鑒“洋蔥”的構成形式，將陀螺的大體形狀進行分層、分段處理，將切割好的PVC板粘貼后，依照實際尺寸進行統一打磨。為了增強制作時的自主性，允許學生對陀螺局部加以改造。經過模型測試后發現，轉動時間超過1分鐘的陀螺在接近底部的位置都夾有圓狀薄片金屬物，這樣可以壓低重心，增加轉動的慣性；另外，陀螺橫截面越接近圓形、體積越小、接觸地面的支點越細，即模型做工和尺寸控制也會延長轉動時間。

2.竹蜻蜓

在竹蜻蜓制作示意圖中，與陀螺的相似點在于螺旋槳葉片的中心點與軸桿整體的中心軸在一條直線上，既可以保證葉片與軸桿方向的垂直關系，也能在其升空過程中呈現垂直姿態。網上搜索的相關圖片雖然直觀，但在模型制作前需要確定螺旋槳曲線轉折變化，也要考慮如何做到從升空到落地保持平穩，在無風的環境中不會發生飛行軌跡偏移的問題。從測試結果看，穩定性較好的竹蜻蜓從比例上看，螺旋槳葉片的跨度與軸桿的長度接近等比，螺旋槳兩側的葉片曲線呈軸對稱且葉面的阻力面積適中，即阻力面積、旋轉力越大，升得越高。

3.橡筋動力飛機

飛機模型相當于將此前的陀螺與竹蜻蜓的結構特點集于一身，除了滿足機身與橡筋拉力線保持水平、螺旋槳軸對稱要求和足夠的轉動時間，還需要通過觀察鳥類滑翔中的羽翼狀態，以及現有民航客機或戰斗機機翼、尾翼的橫截面，飛機所需的升力在模型制作中如何實現。在測試前會經過3次試驗：

（1）如圖3所示，在橡筋動力飛機機翼自由落體軌跡示意圖中，將整體打磨完成的機翼沿前端方向進行垂直俯沖試驗，如果在半空中劃出拋物線并能夠平穩落向地面，可判斷機翼基本具備升力條件；

（2）在橡筋動力飛機制作示意圖中，長木條作為機身骨架，另外木條裁成小塊作為墊片，前端墊片粘貼上油筆芯銜接螺旋槳，并纏繞尼龍線加以固定，而后將大頭釘或鐵絲用尖嘴鉗加工成一對掛鉤，一個用來連接螺旋槳，另一個在機身尾部用來連接橡筋。當逆時針旋轉螺旋槳帶動橡筋為其進行蓄力，釋放時螺旋槳后部有風力，可判斷模型飛機已達到動力要求；

（3）在粘貼機翼前要確定其在機身骨架上部的位置以找到平衡的重心，如果過于靠前會使飛機重心前移，容易造成“頭重腳輕”的問題；如果過于靠后會使飛機重心后移，則會造成升力不足、機身尾部提前著地的問題；另外需要注意機翼與尾翼的位置關系，大部分飛機的機翼和尾翼不會在一條直線上，否則會互相干擾氣流分布、影響飛行效率，畢竟兩者要“各司其職”。最終飛機的測試結果顯示成功率可達到百分之80%以上，如圖4所示，學生制作的飛機樣式各有特點，已達到產品仿生設計的實踐要求。

五、結語

近年來耦合仿生學成為仿生學的生力軍，生物耦合現象和相似性為仿生模本、仿生模擬的多元性提出了更高要求，也有利于藝術院校的產品仿生設計由藝術走向文理融合，既能促進設計思維不斷走向現實，又能在模型制作過程中激發學生的學習熱情。當然，本次仿生設計課程仍有較大的提升空間，隨著對耦合仿生學研究的不斷深入，也需要與該領域的國內外學者進行交流，讓學生對耦合仿生學有更深層的了解，后期將繼續擴大仿生相似性的應用范圍以及對生物耦合潛力的發掘，以保證后續課程設計的持續性。

注釋：

①任露泉，梁云虹.耦合仿生學[M].北京：科學出版社，2018.