“威武感”語義下的軍用有源外骨骼形態設計

曾雅楓 干靜 李晨

關鍵詞：語義研究 形態抽象 形態設計 現代軍事風格 有源外骨骼

引言

在現代高科技戰爭背景下，單兵作戰需攜帶的裝備種類與數量越來越多，士兵的行軍速度、機動性與持續作戰能力受到嚴重影響，同時士兵的運動健康與安全愈受關注。[1] 因此，能夠增強人體生理機能、提供運動防護的軍用可穿戴外骨骼機器人應運而生，其中有源外骨骼機器人的潛力最受關注。

有源外骨骼機器人是一種模仿人體骨骼運動，穿戴在人體表面的新型機電一體化裝置，集成了信息感知、智能控制和便攜能源等技術，能夠為穿戴者提供額外力量支撐、運動輔助等功能。在軍事領域，有源外骨骼在單兵作戰、助力搬運、負重行軍、運動防護等領域發揮出獨特優勢。有源外骨骼根據作用部位主要分為上肢外骨骼、下肢外骨骼、膝關節外骨骼、全身外骨骼套裝，用戶可根據不同的應用場景選擇合適的外骨骼。

一、國內外軍用外骨骼形態發展概述與問題描述

有源外骨骼機器人作為單兵裝備領域的新發展點，各軍事大國相繼開發出多款軍用外骨骼。美國在軍用外骨骼方面的發展最快，法國、俄國也積極開展外骨骼技術研究。最具有代表性的是俄國開發的“未來士兵”套裝，在2018年莫斯科國際軍事技術論壇上展出。從圖1中可以看到多款國外軍用外骨骼產品，其開發時間長，技術應用較為成熟，產品外觀整體性與風格一致性良好，且個性化特點明顯。

我國在有源外骨骼領域的研究起步較晚，部分科研機構制作出了較完整樣機。2015年由我國研制的國產單兵外骨骼首次亮相;2019年舉行的“超能勇士-單兵外骨骼系統挑戰賽”中，各機構研制的多款外骨骼參賽，見圖1。目前我國主要進行技術領域的突破與應用，多款軍用外骨骼尚處于測試中，在外觀造型方面的研究處于初步探索階段。其外觀遵循功能至上原則，不夠重視產品外觀的風格一致性，很多電器結構暴露在外，缺乏整體感;對人機舒適性的關注少、產品缺乏情感表達;造型多用盒型外殼在原機械結構件上進行簡單包覆，與人體曲線格格不入，顯得笨重呆板，無法適應外骨骼向輕量化方向發展的新趨勢。

縱觀有源外骨骼機器人領域，其外觀造型的發展受到機器人技術、應用場景、審美變化等多種因素的影響。對于軍用外骨骼現階段較為可行的外觀優化方案之一，是在原型機基礎上增加覆蓋件，作為保護性外結構件或純粹的外觀件，遮擋包覆繁瑣的內部結構，減少零碎無序的零部件形象，整合產品造型并統一設計語言，以達到優化產品總體形象并形成明確的造型風格的目的。

二、威武感語義研究過程

（一）產品語義學理論

產品語義是產品的語言，是設計師與用戶溝通的橋梁。產品語義表現主要分兩個層次，功能層面與精神層面。功能層面語義通過明示或暗示的方式告訴用戶產品如何使用，傳遞信息;精神層面語義通過視覺聯想或使用體驗的方式與用戶產生情感連接，傳遞信念。

產品語義研究產品的形態在使用環境中的象征意義。產品在語義上可以通過關聯來實現它的象征意義，主要的關聯要素包括以下幾點：1.同功能物品;2.同領域物品;3.使用環境;4.文化習俗;5.時期或風格;6.產品不同位置;7.產品運動過程;8.產品操作與反饋。在這些關聯中，只有6、7、8三點與產品如何使用相關，其余都與產品象征意義相關[3] 。

如調節旋鈕，造型基本形態為圓柱體，圓柱體在三維空間中由矩形旋轉運動產生，在使用過程中按鈕發生旋轉運動，同時外圈的指示燈帶隨著按鈕旋轉亮起，其形態語義與產品運動過程及操作反饋產生關聯，讓用戶非常容易理解并記憶其使用方式，因而成為一種廣受推崇的調節器設計。又如電子大提琴，造型特意保留了傳統大提琴優美的特征曲線，其形態語義與同功能的大提琴產品產生關聯;這樣的設計對產品功能沒有貢獻，但其象征意義對于提升用戶的對產品的認同感與親切感是必要的，如圖2。

總結來說，產品語義通常以符號的形式給人以提示與聯想。以用戶為中心是現代產品設計的核心設計理念之一，現代人們精神物質生活豐富多樣，產品在某種程度上也受時尚、個性化、文化、經濟等因素影響。信息技術、智能機等高科技讓各類信息能夠在短時間內高速傳播，用戶在常年累月中接觸并積累了多種的信息，在接觸到產品傳遞的視覺信息或心理感受時，人們往往通過聯想在自己的符號儲備中尋找共鳴，挖掘具有象征意義的元素。

（二）現代軍事風格與“威武感”詞匯選定

產品的設計風格是一種藝術形式，是高度概括大眾審美經驗的基礎上將其外化的表現，它包含著深刻的能引起觀眾共鳴的一種視覺形式[4] 。隨著時代變遷與技術進步，現代軍事裝備及設備設施也逐漸形成了具有鮮明特色與廣泛認可度的現代軍事風格。軍用外骨骼作為一種新型軍事裝備，其造型也應當契合現代軍事環境，融入現代軍事風格。如何準確使用設計語言闡述現代軍事風格特點，并應用于軍用外骨骼造型設計上，成為工業設計師需要研究的問題。

風格的形成過程與大眾的認可過程兩者是相輔相成的。風格形成需要大眾的認知與普遍認可，大眾的認知又能鞏固與強化風格特征。具體來說，某種風格產品的外在形態包括造型、材質、色彩、質感等視覺層面的要素向大眾傳遞風格特征;大眾通過與該風格的產品直接或間接接觸產生對風格的感性認知后，常常用形容詞匯來描述對該風格的心理感受，如科技感、現代感、簡約感等，這些詞匯又將風格具體化。人們使用詞匯來描述對風格的認知時，腦海中呈現的形象是多方面的，設計師研究這些形象，能夠更準確地把握風格特征，從而將該風格應用到其他產品設計上[5] 。因此，要研究現代軍事風格，可以選擇一個具有代表性的形容詞，探索背后的含義與包含的意象。

為選定一個合適的形容詞用于研究現代軍事風格，首先從幾個大眾容易接觸到的領域進行意象的搜集：（1）大眾媒體展現的現代軍事風格軍事裝備;（2）古今文娛作品中的軍事英雄形象。

根據大眾傳媒中搜集到的資料，軍事裝備主要分軍事載具與單兵裝備，根據其功能的不同，造型也各具特色。軍事載具主要造型分類有坦克類、裝甲車類、戰艦類、戰機類;單兵裝備主要有槍械類、火炮類、鎧甲類。受到大眾青睞的軍事英雄形象主要從歷史架空小說如《三國演義》《水滸傳》等，以及近代軍事英雄如抗日英雄中獲得。廣泛搜集并篩選出具有代表性的圖片與影視資料備用。

通過頭腦風暴的方式，在觀看這些軍事裝備與軍事英雄形象的同時，各設計人員分別寫下多個腦海中出現的形容詞。然后，評估與篩選出最具有概況意義與代表性的形容詞。該形容詞含義需滿足幾點要求：（1）符合軍事背景;（2）代表正面的軍事形象;這是由于一些描述軍事形象的形容詞容易讓人聯想到暴力而具有負面意義，對本研究無利;

（3）其描繪的象征與形象豐富，具有較好的研究價值。

最終，篩選出的“威武感”形容詞，符合軍人的職業形象與應用場景;普遍認為其描述的正面形象;表達的形象涵蓋視覺層面與精神文化層面，具有積極的象征意義;描繪的風格兼具科技感、力量感、機械感的部分含義，具有高度概括性。

（三）“威武感”語義研究流程

參考產品語義的關聯要素，本文從兩方面研究大眾認可的“威武感”語義：能夠表現威武感的形容詞，和表現威武感的視覺形象，包括人物、動物、軍事裝備形象，以及幾何元素及構成方式、色彩、材質等。

運用感性工學及統計學的方法，廣泛搜集、聯想能體現威武感的詞匯以及人物、動物、裝備形象等，進行初步篩選與整理;同時根據搜集到的代表性圖片，歸納軍事風格分類;最后制作實驗樣本圖片。以問卷調查的方式對眾多形容詞和形象分別進行比較，選出最符合人們對威武感認知的詞匯和形象。對實驗結果進行分析總結，將“威武感”語義解碼為設計元素，用于設計實踐。語義研究流程如圖3。

（四）具有“威武感”語義的形容詞和形象的選取

“威武感”語義的涵義可分為兩個部分：一是抽象的形容詞和相關名詞、動詞等，這類詞匯在不同人認知中是不同的，沒有固定的圖像綁定，屬于心理層面;二是具體的形象，如人物，動物、裝備所表現出的威武感，包括線、面、體的構造和組合等，屬于視覺層面。

1.詞匯的搜集與整理：首先，通過接近聯想、類似聯想、對比聯想的方法，考慮到歷史文化對大眾認知潛移默化的影響，也參考我國古代文學中對“威武”一詞的描寫，權威字典、百度百科對“威武”一詞的解釋，以及相關近義詞、同義詞的描述，從不同方面對“威武感”進行解讀。總結來說，“威武感”的詞義包括有威力、有氣勢，強大的形象。近義詞：霸氣、威風、雄壯等。

按照描述事物本質的深層次邏輯關系，按照由表象到內涵的順序將這些詞匯分類，同一分類的形容詞按對比關系再分為兩個形容詞。最后通過與團隊成員的反復討論分析，每個種類篩選出一個具有代表性的詞匯。具體選擇的詞匯可以分為視覺感受、氣質感受、功能性三個維度，篩選出的20個詞匯如下：

視覺感受類：色彩鮮明/色彩樸實;造型夸張/造型理性;線條硬朗/線條優美;結構分塊多/一體感強;尖銳感/堅固感;肌肉感/骨感。

氣質感受類：威懾感、可靠感、聲勢浩大、獨行俠。

功能性：攻擊、防守、格斗搏擊、高科技戰爭。

其中，視覺感受類詞匯配上圖片，輔助被調查者的聯想記憶。

2.形象的搜集、篩選及圖片的選取：生活中常見的可能具有威武感的形象，大致分為三大類，人物、動物、裝備。除此之外，還可以從不同的軍事裝備風格，探索其體現威武感的程度。從經典文學作品、書籍、影視作品等大眾傳媒渠道中廣泛搜集以上四類的各種形象圖片。再按照一定的邏輯進行分類，如動物可按照體格大小、棲息地分布等分類，裝備可按照體量大小、使用場景等分類。搜集分類之后，每個種類篩選出具有代表性的一張圖片作為該種類的代表。注意應選擇展現完整形象的清晰圖片，背景簡單，且任何一張圖片不能表現出強烈的主觀導向意識。最后篩選出的圖片見圖4。

3.問卷調查與結論：設計調查問卷，列出上述按一定邏輯排列的詞匯和形象相關圖片，讓受訪者選出最貼合其認知的具有“威武感”的形容詞和形象。該研究需要被調查者對“威武感”或軍事風格有一定基礎的了解，遂將大量問卷在工業設計專業各個年級發放，少量問卷于化學專業、醫學專業發放。最終回收問卷93份，有效問卷87份。其中男女比例約為1：2。統計問卷并分析后的實驗結果如下：

在風格上，人們普遍認為現代和未來軍事風格更具有威武感。

在表現威武感語義的詞匯方面，“攻擊”相對“防守”更具有威武感;“肌肉感”相對“骨感”更具有威武感;“威懾感”和“可靠感”的威武感語義程度相近;“堅固感”相對“尖銳感”更具有威武感，“高科技戰爭”相對“格斗搏擊”的更具有威武感。 “獨行俠”，“聲勢浩大”“格斗搏擊”的威武感語義很弱，“肌肉感”，“威懾感”的威武感語義最明顯。各種詞匯的語義感強弱根據選擇人數的多少，最具有威武感語義的詞匯前三分別是“肌肉感”、線條硬朗、“威懾感”。

在軍事藝術形象方面，相對色彩鮮明的形象，色彩樸實協調的更具有威武感;相對造型夸張的形象，整體造型理性合理的更具有威武感;相對線條優美的形象，線條硬朗的更具有威武感;結構分塊多的相對一體感強的更具有威武感。將這些形容詞對進行對比，其中，人們最認同圖片中線條所表現的威武感;其次是整體造型所表現的理性或夸張，關于結構分塊的語義最不明顯。

在人體肌肉表現的威武感方面，胸肌和腹肌表現的威武感語義最強，小腿表現的威武感語義最弱。在大型軍事裝備方面，坦克表現的威武感語義最強，戰斗機其次，然后是戰艦和裝甲車。在動物表現的威武感方面，老虎的語義感最強，狼的語義感較強、蛇的語義感最弱。其中，動物富有野性的肌肉曲線最具有威武感。在材質表現的威武感方面，幾乎不反光材質和亞光材質的語義感最強。

總結來說，威武感語義在線條與整體形狀方面表現最強烈。在人們的認知中，要在軍事裝備上體現威武感，從視覺層面看，需要有硬朗的線條、特別要有一定的肌肉感，體量感大者威武感較強，同時色彩協調統一;從表現的功能層面看，造型需要有理性嚴謹、堅固之感以及科技感。

三、軍用膝關節外骨骼機器人形態設計實踐

（一）膝關節外骨骼結構與設計約束分析

首先進行結構分析：膝關節外骨骼機器人主要由人機綁縛系統，傳感與控制系統、能源系統與支撐系統四個部分組成。膝關節外骨骼為了緊貼人體增加傳力效率，需適應不同人體尺寸，必須設計為可調式結構，因而采用外觀件分別包覆各可調部件的形式進行設計，可進行設計的外觀件有：電機及控制器包覆件、長度調節器包覆件、姿態傳感器包覆件。其中，電機及控制器包覆件位于人體外側膝關節至以上15-20cm處，體積最大;長度調節器包覆件位于大腿根部、小腿近膝關節處、近踝關節處三處，單個體積最小;姿態傳感器包覆件位于大腿與小腿中部，單個體積中等。

設計約束主要有兩點，一是外骨骼的傳感與控制系統、能源系統、支撐系統樣機由相關技術人員經過實驗與測試完成功能設計，無法改變其結構及位置，因而外觀件不能與結構件發生干涉;同時為了良好的穩定性與合適的外觀體積，外觀件與結構件部分緊密接觸、部分保留合理造型空間。二是為了信號線與電線的合理整潔排布，需精確預留孔位并結合外觀件設計走線空間。

（二）威武感語義的形態設計元素提取

為了適應野外作戰，軍用外骨骼的色彩與加工方式有相關的設計標準，本文暫不做過多討論，同時為了更好地研究具有威武感語義的形態，主要從形態方面提取設計元素。

通過威武感語義實驗，主要從人體肌肉、坦克兩種形象中抽象出線符號、形狀符號與組合符號作為威武感設計元素。線符號可運用于主要裝飾線設計;形狀符號可運用于形體的主要輪廓線設計;組合符號是指線符號或形狀符號的典型組合方式，適用于綜合設計應用。三類設計符號可根據實際情況合理調整應用。

進行設計元素的抽象時，應注意提取硬朗的線條，具有肌肉感與大體量感的形狀符號。提取結果如圖5。

（三）設計實踐

根據結構設計約束與“威武感”設計規律，分別設計三種外觀件。首先需明確三種外觀件之間的關系，從位置上看三者處于一條直線上，因而三者的形態走勢需沿該直線保持一致;體積最大且結構復雜程度最高的是電機及控制器，因而這部分的包覆件需用多種威武感設計元素綜合應用，讓其成為視覺重心;體積相對較小的是長度調節器于姿態傳感器包覆件，其包覆對象的結構復雜度也相對較低，因而使用較少的設計元素進行包裝;同時三種外觀件的設計語言需統一，并做到相互呼應，以達到較好的整體風格設計效果。

然后對每種外觀件進行具體的設計應用。首先運用威武感形狀符號確定外觀件整體輪廓，注意外觀件整體輪廓能夠合理包覆所有零部件，并增加形態的肌肉感與體量感;然后運用線符號強化外觀件的棱角線條與裝飾線條，讓形態更加硬朗;最后運用組合符號為外觀增加更多細節，讓外觀形態在視覺上更有層次感，增強軍事感與科技感。

接下來從整體形態效果入手，確定各外觀件之間的設計元素是否能夠相互呼應，比如一些威武感設計元素的重復運用、線條走勢的統一等，使得組裝后的完整產品語義一致，風格統一。

不斷在單個外觀件及整體效果兩個層面不斷重復設計，嘗試設計元素的不同組合，直到得到滿意的設計效果。最終產品效果圖如圖6。

結語

本文基于語義學設計方法，研究具有“威武感”語義的形容詞與形象，探索現代軍事風格的設計特征，并將其運用在一款軍用膝關節外骨骼外觀件的形態設計上。為新型軍事裝備的造型設計提供了一種可參考的方法，可有效為實驗樣機設計合適的外觀，讓其符合軍事應用環境，滿足功能需求;同時提升使用者的軍事形象與人們的認可度，滿足精神需求。本膝關節外骨骼外觀設計方案得到甲方采納，并應用于實驗樣機上，證明本文的設計方法具有一定的可行性。