基于形態仿生的游艇外觀設計

王瑤 周立師

（1、山東交通學院船舶與港口工程學院，山東威海 264200 2、招商局金陵船舶（威海）有限公司，山東威海 264200）

當今游艇業被人們稱為“漂浮在黃金水道上的巨大商機”，可謂是新時代的朝陽產業。與西歐國家相比，我國的游艇行業尚處于初級階段，卻具有極為廣闊的發展前景。一方面，從地理條件來說，我國的水域資源十分豐富，是世界上河流最多的國家之一，且其中流域面積超過1000 平方千米的河流就有1500 多條。此外，我國的海岸線長達1.8 萬多公里，如果加上5000 多座大小島嶼的海岸線，總長3.2 萬多公里。另一方面，國家對于游艇業的發展有很多利好政策。例如，《國務院關于印發全國海洋經濟發展“十二五”規劃的通知》中明確提出“建設游艇基地，規范游艇市場秩序，發展以游艇和帆船為主體的海上運動休閑旅游”。

目前，我國游艇業在沿海發達地區蓬勃發展，但在設計能力、制造工藝、總裝調試等方面與先進的國際游艇產業都有一定的距離。其中，游艇外觀造型設計和內裝設計的差距尤其明顯。國內有不少游艇企業都存在模仿國外游艇設計的現象，也有很多企業在做貼牌或者代理，具有自主知識產權的游艇企業很少。即使是自主品牌，在國際市場上，國內游艇企業也缺乏核心競爭力[1]。

1 游艇仿生設計的研究意義

游艇是一種由功能、形態、結構、色彩、材質、工藝等要素構成的工業產品，其設計涉及到科技、文化、藝術等多個層面。在游艇設計方面，國內游艇相較于國外游艇的不足之一是造型單一、乏味、缺少美感和創意，造成這種結果的原因是多方面的。首先，為了降低生產成本，國內很多游艇企業都是使用單一重復的模具，而不主動研發新的造型。其次，國內的游艇設計人員基本大部分都是工科專業畢業，美學素養不高。此外，國內游艇設計人員也存在缺乏創新意識、不了解創新方法的問題。

在這種研發環境下，國內批量化、缺乏辨識度、缺乏創意的產品，在被歸為奢侈品的高端游艇市場中顯然不具備競爭力。想要改變這種現狀，游艇的創新設計必須得到重視。而仿生設計作為現代創新設計方法之一，綜合了“生態學”、“仿生學”等相關學科的概念和研究成果，已經發展成為創建人與自然的和諧關系、改進人類生活方式的一個重要途徑和研究方向。人們已經認識到自然生物蘊涵的各種啟示是人類科學技術前進與創新的源泉。雖然不同的學科和領域對自然生物的研究和利用的角度不同，研究、應用的方法和內容也各有側重，但仿生設計的基本核心有其相通性，仿生設計也成為了工業設計創新的重要手段，是重要而有效的設計發想的方法之一[2]。

將仿生設計與游艇外觀設計相結合，通過對自然生物的模仿，可以激發設計師的設計靈感，設計出創造性的獨特產品。在另一方面，經過漫長進化檢驗、優勝劣汰后的各種生物體的曲面形態，在某些方面具有遠勝于人工產品的效能。同時，生物在其進化過程中逐漸形成了符合形式美法則的形態、結構和色彩。對自然生物的模擬、分析、研究，有利于獲得性能優良且形態優美的艇型。

2 基于形態仿生的游艇外觀設計方法和流程

仿生設計是建立在模擬生物系統的功能、形態、結構、色彩等特征的基礎上，進行的創造性的設計。其研究及應用領域非常廣泛，其研究內容可以從不同的角度產生不同的方向。基于生物特征認知與產品的相關性，大體可以總結歸納為仿生物形態的設計、仿生物表面肌理的設計、仿生物功能的設計、仿生物結構的設計、仿生物色彩的設計等等。在以上研究方向中，仿生物形態的設計，即形態仿生設計，是目前使用較多的設計方法。

形態仿生設計是以自然生物體為參照來進行創造，在對自然生物體，包括動物、植物、微生物等所具有的典型外部形態的認知基礎上，尋求對產品形態的突破與創新的設計方法。簡而言之，形態仿生設計主要是針對生物外部形態的產品設計方法。在游艇形態仿生設計中，設計師需要對仿生對象的外部形態進行識別、研究并提取特征，建立仿生對象和游艇之間的對應和聯系。在設計過程中要把握仿生對象和游艇之間的相關性，運用相似、對比、推理等多種方法的聯想從而得到游艇形態設計方案。游艇形態仿生設計絕不是毫無目的的進行復制，而是有選擇性的進行特征提取，且提取出來的特征通常是抽象的、簡化的、概括的，往往需要經過一個較為復雜的分析過程，其設計流程可以概括如圖1 所示[3]。

圖1 游艇形態仿生設計流程

2.1 對游艇設計任務進行分析

首先，可以采用問卷、訪談等調研方法進行資料搜集，明確游艇研發的目標，得出初步的游艇設計任務。至少要確定所要設計的目標游艇的功能要求、尺度范圍、設計定位、使用環境等內容。這個階段是整個設計的基礎階段，應該盡可能清晰明確，這樣才能對整個仿生設計過程起到指導作用。

2.2 根據設計目標選擇仿生對象

明確設計任務后，以游艇的設計定位、功能要求等信息為選取仿生對象的參照，從自然生物中選擇符合設計要求的生物形態。需要注意的是，形態仿生設計中可以模仿某一個生物體或者某一類物種的形態，也可以模仿數個或數類生物的共同形態特征。因此，在選擇仿生對象時，可以不局限于一個生物體或者一類生物體。

2.3 分析仿生物特征并進行提取

選定仿生對象后，應該通過仔細觀察、分析來認知生物形態，總結仿生對象的共性規律和個性特征。在此基礎上，根據游艇的設計要求，選擇貼合仿生對象本質特征，同時又符合游艇設計要求的生物形態特征。

2.4 仿生物特征簡化及演變

初步提取的仿生物特征是一種自然形態，通常不能在游艇外觀設計中直接應用，設計師需要在保留仿生物本質特征的前提下進行一定的簡化或抽象處理。之后再將簡化和演變后的形態應用于游艇設計構思之中，得到游艇外觀設計的初步方案。

2.5 基于三維仿真驗證方案可行性

得到游艇造型的初步方案后，應該基于合適的仿真軟件進行進行三維建模仿真，將仿生原型和游艇的造型特征進行對比，對形態仿生設計結果進行檢驗和評價，驗證形態特征模仿的可行性和有效性。

3 從仿生對象到游艇外觀設計——Mobulidae001

下面，筆者將通過對一款概念游艇Mobulidae001 形態仿生設計過程的解析，進一步分析游艇形態仿生設計的具體操作流程，驗證其可行性。首先，需要對目標游艇進行設計任務分析和設計定位。目標游艇的設計任務是研發一款造型新穎、具有較大甲板面積、休閑娛樂用的大型游艇。

基于上述設計要求，筆者選擇了蝠鲼作為仿生原型。蝠鲼是軟骨魚綱、蝠鲼科幾種海產屬魚類的統稱，在海洋中已有1 億年歷史，是原始魚類的代表。其形態特征是身體扁平寬大，體長能夠輕松突破七米。蝠鲼的胸鰭肥厚如翼狀，頭前有胸鰭分化出的兩個突出的頭鰭，位于頭的兩側，尾細長如鞭，有一個小型的背鰭。蝠鲼的口長在頭前部，上額無齒，下顆只有許多小小的牙齒。

蝠鲼算是海洋中體積非常大的一種魚類的，其生物形態特征非常目標游艇的大甲板面積的設計要求。同時，蝠鲼是海洋館中常見的海洋生物，和飼養員互動積極，對人類非常友善。它們在水中游曳的姿態平緩、優雅，如同在水中飛翔一樣，給人一種自由、親切、閑適的心理感受，非常貼合目標游艇的形象。

在特征提取時，以目標游艇的設計要求為指導原則，筆者提取了6 個生物形態特征，經過簡化和抽象后言表為了游艇的造型特征，如圖2 所示。形態特征提取及轉化分析如下：

圖2 游艇Mobulidae001 造型特征與蝠鲼形態特征對比

a. 提取蝠鲼頭鰭的特征形態，轉化為游艇兩側片體的輪廓線；

b. 提取蝠鲼胸鰭的翼狀形態，轉化為游艇甲板邊線輪廓線；

c. 提取蝠鲼細長的尾部形態，轉化為游艇尾部露天觀景區域的甲板輪廓線；

d. 提取蝠鲼眼部形態，轉化為游艇舷側的裝飾圖案；

e. 提取蝠鲼腹部的特征形態，轉化為游艇舷側的裝飾圖案；

f. 提取蝠鲼頭部的口腔形態，轉化為開放式游艇上層建筑首端開口的輪廓線。

明確造型方案后，筆者通過Rhino 軟件完成了游艇Mobulidae001 的三維仿真和渲染，得到了最終的游艇效果圖，如圖2 所示。最終的設計成果還進行了外觀專利的申請（申請號：202130585131.1）。

4 結論

通過游艇Mobulidae001 仿真模型和蝠鲼原型的對比，可以直觀的看到二者之間的關聯性。經過驗證，按照本文提出的設計方法和流程，可以成功的完成游艇的形態仿生設計。從古至今，人類的發展過程就是一個對自然不斷探索和模仿的過程，形態仿生設計必將在未來游艇外觀設計中成為重要的設計方法之一。