無人機造型發展演變與設計方法研究

董美玲　陳烈勝　徐江華

中圖分類號：V279 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）08-0094-03

引言

無人機造型特征與其功能用途、技術革新密切相關。同時，功能美的設計原則也要求無人機形態需要合乎無人機的規律性與目的性。無人機造型在不斷演變過程中所體現的美感，是其功能價值逐步向審美價值轉化的結果，體現出一種理性美、機械美與技術美。工業設計對無人機造型發展演變產生了重要的影響。

一、無人機造型發展演變

無人機的誕生源于戰爭的需求，現今在民用領域也得到了廣泛應用。無人機造型發展演變是一個進化的過程，其特征受到不同時期的功能需求、技術條件、人類認知水平和藝術審美等因素影響。

（一）功能主義導向期

任何一種工業產品，在其產生初期，其造型往往是直接的、簡陋的。在無人機的萌芽時期，滿足戰爭中盡可能地減少傷亡又能給敵人以襲擊功能，在飛行裝置上攜帶炸彈是最簡單且實用的方式，即形式追隨功能。此時的無人機采用傳統飛機造型，采用可拆卸結構的雙層機翼造型，從而獲得足夠的升力以克服自身的重力。1918年，成功飛空的凱特靈飛蟲無人機，也被認為是導彈的簡易始祖。雙翼造型的無人機容易獲得更大的升力，其阻力大、耗材多、速度低等劣勢逐漸顯現出來，與更輕、更快的需求相悖，在動力系統與材料科學發展之后，雙翼造型的無人機逐漸被單翼造型的無人機所取代。20世紀30年代，美國設計師雷吉納德·丹尼發明了一款小型遙控無人機，造型上簡化機體結構，縮小機身體積，機翼形態由扁平狀雙層機翼變為單層機翼，機頭安裝起落架，尾翼依舊為垂直尾翼，此輕便、快速的單翼無人機也被用于作為靶機使用。

（二）空氣動力學發展期

空氣動力學的發展，滿足了人們對速度的追求，也對無人機造型的突破產生了重大的影響。二戰期間，無人機造型的設計功能主義的基礎上增加了流線型設計風格，表達TA們對工業時代中“速度感”的追求。空氣動力學的應用，為無人機“流線型”造型風格提供強大的支撐;采用較大曲率半徑有利于脫模成形的模壓成形方法，為無人機“流線型”造型風格提供了材料與技術上的保障。為了形成大的升力面，減少飛行過程中的阻力，摒棄了之前無人機扁平狀的機翼造型設計，傳統的圓形管狀機身和扁平狀雙層機翼，被具有流線型空氣動力學形式的結構所取代，多采用較大曲率半徑的光滑柔和的曲面，使得無人機的機身的線條靈活流暢，整體機體形成一個比較大的升力面，很大程度上減少了飛行阻力，速度感在機身的設計上得到了充分的體現，從而提高了無人機的機動性能。無人機流線型的設計風格是一種“速度感”的造型語言，是當時技術條件、無人機對高速飛行的功能需求與設計師的審美認知的綜合體現，包含了技術美、功能美、機械美、理性美、藝術美，極富表現力。但是尾翼垂直突起還是沒有去除。此時的無人機由于受技術的限制，使用的各類系統和機械結構組件體積還是比較大，導致其外觀造型無法進行微型化。

（三）工業設計融入期

工業設計學科的發展，藝術與航空科學、創意與工程技術的交叉融合理念也在無人機造型設計中體現出來。工業設計融入期的無人機造型設計，仍沿用了二戰時期的流線型風格，計算機輔助設計的應用，實現了無人機造型從概念數字模型到實體的一體化，對空氣動力學研究結果的不斷優化加之工業設計理念的融入，完全拋開了原始無人機笨重的管狀機身，并且去掉垂直尾翼等外形突起，極大程度上減小了飛行阻力和升阻比，逐漸出現了無人機造型的多樣化、微型化、模塊化、多旋翼等發展趨勢。

1.造型多樣化。工業設計始終以用戶需求為核心，工業設計的融入也使無人機的功能與形態必然展現多樣化的發展趨勢，以功能需求劃分可以分為消費級無人機、工業級無人機與軍事無人機三個層級，無人機技術也融入到各個領域。例如雅馬哈無人直升機的問世，是現代農業植保無人機的起點;農用植保無人機造型設計多沿用直升機的外觀形態，整個機身仿生蜻蜓，大的頭部造型用于儲備植保所需的種子、農藥等功能空間;工作狀態，旋翼在上方飛速旋轉，機身細長，尾部有凸起，弧形起落架使落地更穩。

2.造型微型化。隨著微機電系統以及微型傳感器技術的日漸成熟、成本的降低，無人機在造型上迅速向小型化、微型化的方向發展0 J。在滿足基本功能需求的基礎上，無人機在造型上的創新性、技術美也越來越被重視，例如體積逐漸小型化、微型化，曲面設計更加完善，功能更加多樣化等。軍用偵察型無人機的需求不斷提升，必然要求小型化、隱蔽性、輕便性與可攜帶性，麻雀雖小、五臟俱全，設計師將零件集中于無人機的頭部安放，機身細長。“黑蜂3”型無人機的整體造型是由技術發展條件、軍用偵察需求、設計師的認知水平以及靈活簡潔便攜的審美需求綜合決定的，在滿足功能需求的同時體現出人類的審美需求。

3.多旋翼造型。隨著微處理技術的發展和設計水平的提升，多旋翼的無人機造型開始受到人們極大的關注，打破了原有的單旋翼無人機形態，為更多無人機外觀形態的可能奠定了重要的基礎。多旋翼無人機是一種類似于直升飛機、能懸停起降的一種新型飛行器，其中最具代表性的就是四軸無人機，也稱為四旋翼無人機、四軸飛行器;四軸無人機具有四個旋翼，旋翼呈十字形交叉，其旋翼角度固定，體積小，結構簡單，攜帶方便，安全性較高。2010年，法國推出了首架市場小型航拍四旋翼無人機AR.Drone，也意味著正式進入了消費無人機時代。

二、無人機造型設計方法

2l世紀以來，無人機在各個領域的廣泛應用，其造型也越來越多樣化，滿足功能與審美的雙重需求。無人機常用的造型設計方法有形態語義法、結構移植法、部件模塊法、人文關懷法、自然仿生法、藝術審美法等。

（一）形態語義法

隨著無人機時代的來臨，創意不斷涌現。許多無人機研發者將無人機和其他科技結合起來，給無人機的發展提供了無限可能。無人機造型中的形態語義法是通過對無人機形態的設計，使無人機通過形態、色彩、結構等具有代表性的符號，表現出其使用方式與功能作用等。如圖1所示，世界上第一款可穿戴無人機Nixie，造型設計簡潔，便攜性強;通過柔軟的機身、環狀外形，可變成腕帶的形式，展開后則是一架小型四旋翼無人機，使用手機操縱可從手腕上直接起飛，通過形態向用戶傳達其使用方式與功能，是形態語義法在無人機造型設計中很好的體現。形態語義法在無人機形態設計中更多的是直接表現的顯性關系，如表l所示，形態語義法在Nexie無人機中的具體應用體現。

（二）結構移植法

無人機的使用空間已經不僅限于空中，無人機已由最初的無人駕駛飛機，逐漸發展為一種多功能可移動的裝置。為了滿足某種特定功能或安全性的需要，將其他產品的一種或多種功能結構進行解構，移植到無人機造型設計中并重組，既符合無人機的平衡穩定性，也能滿足特有的功能需求。結構移植方法，通常分為功能結構移植法與安全結構移植法。英國設計師設計的b-unstoppable坦克無人機可實現空、陸兩棲作業，其最大的特點就是兩側裝有兩條履帶，如圖3所示，是在b-unstoppable坦克無人機設計過程中采用結構移植方法的具體應用流程，將無人機和坦克結合在一起，對坦克中的履帶結構進行提取，并運用到b-unstoppable坦克無人機的設計中去，履帶結構使得無人機能夠像坦克一樣應對多種復雜地形，最終使得無人機能夠實現陸、空兩棲作業的功能。

（三）部件模塊法

工業設計創新技術與服務設計理念被廣泛應用到無人機的研發與制造。模塊化設計是一種標準化的設計方法，就是將無人機有關聯的功能、形態要素進行分解組合重構，以一定的結構形式進行多項式組合，構成新的系統。無人機模塊化造型設計，主要為了更好地解決無人機的散熱、拆裝以及維修等問題，一般采用完全拆卸模塊造型與可折疊式造型模塊，模塊與模塊之間要采用完全的密封與抗腐蝕性處理。如圖5所示，是極飛p系列植保無人機，其模塊化設計使得無人機造型結構更加優化，且實現清潔過程中的人藥分離，具有高防水性能。

極飛采用常見的固定四軸無人機及機翼構造，四個旋翼機臂是不等長的，前臂短后臂長，便于分辨機頭與機尾，具有明顯的方向感，機頭是采用富有動感的曲面設計，工作時可有效減少風阻。利用模塊化的設計方法，既滿足了功能需求，又使得無人機造型達到了整體和諧的設計效果，體現了現代人們對無人機設計的簡潔化、整體性的審美需求。

（四）人文關懷法

無人機造型設計人文關懷法，就是基于安全的需要，造型設計中結合人性化、人情化設計的方法，滿足使用者的心理與生理需求，體現出無人機造型設計的人文關懷。例如無人機通過旋翼高速旋轉起飛，往往人很難靠近，很可能對人造成傷害，如圖6所示，Hover Camera無人機在旋翼的外面增加了一層網狀保護框，且兩側的網狀保護框本身可實現折疊，這樣的保護性設計可有效消除使用者對無人機旋翼飛速旋轉時產生的不安，可折疊的結構性設計提高了使用便捷性。人性化的融入，使無人機造型設計沿著普適化、親民化的方向發展。

如圖7所示，德國企業Festo設計的球形無人機造型獨特，球內氣體為氮氣，球的外部有一個助推器，助推器發生故障時，在氮氣的作用下無人機可以緩緩落到地上，改變了以往無人機動力裝置一旦失靈便會飛速降落，摔得粉身碎骨的結果，有效的保護了用戶的安全，體現出設計中對“人”的尊重與關懷。

（五）自然仿生法

仿生形態使無人機有了生命活力，使整個形態充滿張力，富有情感色彩。格式塔心理學的“似動”原理，為無人機形態仿生的科學性提供了理論依據。人們對仿生形態的認識理解，也可以說是對無人機形態的情感交互，只有做到理想與感性互相依存、相互制約，才能使無人機形態更好地傳遞情感。設計師通過對生物形體所具有的典型外部形態的認知基礎，尋求對無人機形態的突破和創新，在未來的無人機仿生設計中，人們會逐步從以人為本轉化為不斷探索人與自然的關系，以更好地實現人與自然的和諧相處，注重科技和自然并重的思想意識和價值觀。無人機造型設計中仿生設計方法的應用，將大自然中生物獨有的結構原理加以提取應用。

如圖8所示的Skeeter仿蜻蜓微型無人機，鳥類、昆蟲在飛行時，能夠更好的抵擋刮風帶來的空氣變動，并且在續航能力上，仿生機翼也優于旋翼，可增強無人機對極端天氣的抵御能力。無人機造型設計中仿生設計方法的應用，將大自然中生物獨有的結構原理加以提取應用，有效地提高無人機續航能力。

除了模仿昆蟲的無人機，還有一些模仿鳥類的仿生無人機，如圖9所示，仿生“信鴿”無人機，在造型上，不僅模擬了鳥類的形態，且有鳥類的羽毛做掩飾。可以和真正的鴿子群一起飛行也不會被發現。既達到隱蔽作業效果，又保證無人機在正常工作時大自然中的鳥類不會產生驚嚇等負面影響，在功能上，有良好的減震性能與穩定性，在工作時，可有效抵御其他鳥類侵擾以及空氣亂流等問題，提高了無人機工作的安全性。符合人與自然和諧相處的可持續設計觀，科技和自然并重的思想意識和價值觀。

（六）藝術審美法

無人機造型設計是藝術審美規律的合理運用，通過對無人機美學關系的梳理，可幫助設計師更準確地確定無人機造型元素。無人機造型設計藝術審美法主要體現以下三種形式：

1.變化與統一。無人機外觀造型要體現變化與統一。首先，無人機外觀造型設計要使得整體形態有條理感、安定感與穩定感，應做到各個部件造型元素之間的統一，這種統一可以是同一個造型元素在不同的部件中重復使用，也可以指同一無人機中的不同元素均趨向于某一特定元素。其次，無人機外觀造型設計也要避免出現沉悶、呆板等問題，為使無人機造型能更具自身品牌的特點，變化是必不可少的;無人機的造型元素之間應存在適當的變化，使其與其他品牌的無人機有一定的差異性與識別性。

2.對稱與均衡。無人機造型設計中的對稱指的是處于中軸線兩側的各部分，如旋翼、電機、指示燈、起落架等，在大小、形狀和排列均存在一一對應關系。這種關系是絕對的，在視覺的感受是絕對整齊感與平衡。無人機造型設計中的均衡是指各部件之間相對的體量關系。形態上，均衡既是對稱的破壞，又是對稱的保持，是一種為了保持整體形態的協調的相對對稱。對稱與均衡均能使無人機的造型具有和諧感與穩定性，對稱是絕對的、理性的、安靜的，均衡則是相對的、感性的、活力的。

3.比例與尺度。在無人機造型設計中，比例可表示無人機的部件與部件、部件與整體的勻稱關系，即用一種用數理關系來反映無人機的形態特點。而尺度則是以人體尺寸作為度量標準，對無人機進行相應的衡量，表示無人機形態的大小，以及同它自身用途相適應的程度。無人造型的比例與尺度還受到人機工程學的影響，盡可能符合用戶的行為習慣以及使用特征。

如圖10所示的大疆御Mavic Air2無人機造型設計，其整體色調以淺灰色為主，造型規則，線條平直，旋翼機臂等部件以機身的中軸線呈左右對稱，其造型更具整體性、穩定與和諧感;四個旋翼和攝像頭為黑色，旋翼邊緣與LOGO為白色，既做到了部件之間的區分，也避免沉悶與呆板的問題;機身造型采用曲率較大的曲線，曲線的使用起到了調和的作用，避免了硬朗直線造型而產生的生硬感。這款口袋里的攝影師，主打安全便攜與攝影清晰。使用者的攜帶與使用方式也決定了這款無人機的造型應趨于小型化、便攜化，結構設計采用了可折疊設計，折疊后的大小剛好一個手掌大，符合用戶的行為習慣以及使用特征。

結論

無人機造型是在滿足各個時期動力、材料等科技水平前提下，根據當時人類的認知水平與審美需求，賦予其功能需求的一種合乎目的性與規律性的體現形式，這種形式是理性的、嚴肅的、美的綜合體現。無人機造型經歷了功能主義導向期、空氣動力學發展期、工業設計融入期的三個階段，其造型演變過程中所體現的是功能價值逐步向審美價值轉化，也是功能主義逐步向人文主義轉變。通過無人機造型演變與設計方法的研究，使無人機創新設計更加符合時代特征，提升用戶的使用體驗，體現無人機造型的可持續設計內涵。