基于硅藻生物形態(tài)仿生的實驗性家具設(shè)計研究

■余香怡，彭金美，田 康.，郭 瓊 Yu Xiangyi & Peng Jinmei & Tian Kang & Guo Qiong

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東廣州 510642；2.東莞市輕工業(yè)學(xué)校，廣東東莞 523900；3.羅馬第一大學(xué)，意大利羅馬 00185）

仿生設(shè)計是基于仿生學(xué)，對自然對象進(jìn)行研究后根據(jù)設(shè)計需求進(jìn)行特征及原理提取并完成方案設(shè)計的目的性設(shè)計行為[1]，對家具的創(chuàng)新設(shè)計實踐具有重要作用[2]。自人類接觸藻類生物以來，其已在食物、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用，但與家具設(shè)計進(jìn)行結(jié)合較少。為尋求家具產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新性突破，在此以仿生形態(tài)設(shè)計理論為依據(jù)進(jìn)行實驗性家具產(chǎn)品設(shè)計，探究藻類生物與家具產(chǎn)品設(shè)計結(jié)合的可能性，也為當(dāng)代家具產(chǎn)品設(shè)計提供一些可供參考的研究方向與設(shè)計思路。

1 形態(tài)仿生設(shè)計概述

形態(tài)仿生設(shè)計在仿生設(shè)計中最常被運用，其設(shè)計重點在于對目標(biāo)研究對象外部特征的識別提取與再創(chuàng)作[3]。在設(shè)計過程中需對仿生對象的“形”與“態(tài)”進(jìn)行把握，“形”是對事物外部特征的客觀描述，“態(tài)”是仿生形態(tài)的象征意義。

1.1 形態(tài)仿生設(shè)計方法

依據(jù)設(shè)計深度的不同，可將形態(tài)仿生分為具象形態(tài)仿生、抽象形態(tài)仿生和意象形態(tài)仿生[4]。

1.1.1 具象形態(tài)仿生

具象形態(tài)仿生作為最基礎(chǔ)直觀的生物形態(tài)仿生設(shè)計方式，追求設(shè)計結(jié)果與被仿生對象之間較強的視覺關(guān)聯(lián)性[5]。在設(shè)計過程中注重對被仿生對象的突出外形特征進(jìn)行抓取并進(jìn)行概括性描摹[6]，因此對應(yīng)產(chǎn)品在視覺上不僅抓人眼球且極具自然趣味，能夠使用戶自然地產(chǎn)生熟悉感[7]。

1.1.2 抽象形態(tài)仿生

抽象形態(tài)仿生也是對仿生對象典型特征的一種反映，但與具象形態(tài)仿生相比具有更高的概括性。抽象形態(tài)仿生是以仿生對象的形態(tài)特征為基礎(chǔ)，在進(jìn)行分析歸納后根據(jù)設(shè)計需要刪繁就簡提取目標(biāo)元素，并進(jìn)行抽象化處理應(yīng)用于產(chǎn)品中[8]，最終實現(xiàn)形態(tài)超越而神態(tài)切合的設(shè)計效果[9-10]。抽象形態(tài)仿生既具有符號化的表現(xiàn)語言又形式感鮮明，能夠誘發(fā)用戶聯(lián)想從而產(chǎn)生更多的情感共鳴[11]。

1.1.3 意向形態(tài)仿生

意象形態(tài)仿生講求“形意結(jié)合”，其根本在于對仿生對象與產(chǎn)品之間潛藏關(guān)聯(lián)的挖掘[12]，要求設(shè)計既具有仿生形態(tài)上的視覺感又意蘊深厚。比之抽象形態(tài)仿生，意向形態(tài)仿生的造型更為生動且意趣分明[13]，可給予用戶更深層次的情感關(guān)懷與滿足[14]。

■圖1 形態(tài)仿生設(shè)計體系

1.2 形態(tài)仿生設(shè)計體系構(gòu)建

形態(tài)仿生設(shè)計有由上及下與由下及上兩種方式，與由上及下的方式相比，由下及上的設(shè)計方式對于仿生對象特征提取更開放多元，利于尋求創(chuàng)新性突破[15-17]，故選用由下及上的設(shè)計方式進(jìn)行設(shè)計體系構(gòu)建，共分為四個階段（圖1）。

1.2.1 設(shè)計概念及仿生對象確定

設(shè)計概念及仿生對象的確定作為整個設(shè)計過程中的方向性引導(dǎo)，直接影響到設(shè)計結(jié)果的有效性。設(shè)計師需在明確設(shè)計目標(biāo)后，根據(jù)目標(biāo)所要達(dá)到的視覺效果、語義內(nèi)涵及情感展現(xiàn)等對各類對象進(jìn)行分析比較以選取最終仿生目標(biāo)。

1.2.2 仿生對象形態(tài)認(rèn)知與特征提取

準(zhǔn)確的特征提取需以深刻的形態(tài)認(rèn)知為前提，設(shè)計師需明晰產(chǎn)品形態(tài)特征與用戶認(rèn)知之間的影響關(guān)系，并依此對應(yīng)關(guān)系選擇目標(biāo)提取特征。對形態(tài)特征進(jìn)行認(rèn)知應(yīng)先觀察、分析并積累足夠的形態(tài)特征信息量，從而了解個性與共性區(qū)分主次關(guān)系。

1.2.3 設(shè)計轉(zhuǎn)化

設(shè)計轉(zhuǎn)化是實現(xiàn)特征轉(zhuǎn)換并完成方案視覺呈現(xiàn)的過程，在保證目標(biāo)特征信息能夠準(zhǔn)確傳達(dá)的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行簡化處理，此階段可通過直接形態(tài)仿生、抽象形態(tài)仿生及意象形態(tài)仿生設(shè)計方法實現(xiàn)[18]。

1.2.4 有效性評價

有效性評價作為設(shè)計開發(fā)不可或缺的最后階段，需對整個設(shè)計結(jié)果做出把控。有效性評價的評價因子眾多，需根據(jù)設(shè)計目標(biāo)選擇目標(biāo)評價因子。盡管設(shè)計目標(biāo)影響評價因子的選擇，但好的仿生形態(tài)設(shè)計方案是總能與目標(biāo)評價因子形成較好契合的[19]。

2 硅藻的形態(tài)特征

由于藻類品種繁多，細(xì)胞形態(tài)上較為豐富且特殊的大多為硅藻門，因此本文挑選了最具代表性的硅藻細(xì)胞進(jìn)行研究分析[20]。依據(jù)殼面花紋的不同，硅藻可被分為中心藻綱和羽紋藻綱2綱，其中以中心藻綱的小環(huán)藻屬（Cvllotella）、直鏈藻屬（Melosira）和根管藻屬（Rhizosolenia）；羽紋藻綱的脆桿藻屬（Fragillaria）、橋彎藻屬（Cymbella）、雙菱藻屬（Surirella）、舟形藻屬（Navicula）和羽紋藻屬（Pinnularia）最為常見[21]，本次硅藻形態(tài)特征便基于此8個屬進(jìn)行分析。

2.1 常見硅藻成像及外形特征

硅藻是細(xì)胞壁硅化并形成套合殼瓣結(jié)構(gòu)的真核藻類，多為單細(xì)胞生物，有時也會集成細(xì)胞群體[20]，其常見種類顯微細(xì)胞成像及外形特征分析如表1所示。

表1 常見硅藻的成像及外形特征

2.2 常見硅藻細(xì)胞表面紋樣肌理特征

常見硅藻細(xì)胞表面紋樣肌理特征具體分析如表2所示。

3 設(shè)計實踐

3.1 設(shè)計概念及仿生對象確定

以藻類中形態(tài)較為特殊的硅藻為形態(tài)仿生設(shè)計的目標(biāo)提取對象，符合將藻類與家具設(shè)計進(jìn)行結(jié)合，探究此兩者設(shè)計結(jié)合可能性與創(chuàng)新性的實驗?zāi)康摹谋?、表2中對較具代表性的硅藻形態(tài)特征進(jìn)行分析可知，硅藻細(xì)胞形態(tài)各異且獨具特色、辨識度高，故從中選取細(xì)胞外形特征及紋樣肌理都較為特殊的舟形藻作為本次試驗對象代表，進(jìn)行實驗性家具設(shè)計。

表2 微觀視角下常見硅藻的細(xì)胞成像及表面肌理

3.2 仿生形態(tài)認(rèn)知與特征提取

通過顯微成像可清晰探知舟形藻的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征：舟形藻呈兩頭窄中間寬的小舟形，細(xì)胞中央具有中央節(jié)和點紋，中央節(jié)兩端為對稱的肋狀連接結(jié)構(gòu)（圖2）。提取舟形藻的舟形與對稱的肋狀連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行草圖模擬，繪制完成后對其肋狀連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化及彎曲變形，得到結(jié)果如圖3所示。為配合家具的實際使用，以圖3提取得到的對象為基礎(chǔ)，結(jié)合家具中座椅的特征，進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化以及三維轉(zhuǎn)換。在增加了后椅腿及寬闊的座面后不斷對各個結(jié)構(gòu)部件之間的連接方式、整體比例及線條曲度等都進(jìn)行了適度的調(diào)整優(yōu)化，使其高度、靠背曲線等都符合人體曲線，最終形成Navicula Chair的基本框架結(jié)構(gòu)（圖4）。

■圖2 舟形藻細(xì)胞形態(tài)

■圖3 對象特征提取

■圖4 設(shè)計轉(zhuǎn)化草圖

■圖5 Navicula Chair最終效果圖

■圖6 Navicula Chair實物模型

■圖7 Navicula Chair與舟形藻的形態(tài)對比

3.3 方案視覺呈現(xiàn)

根據(jù)舟形藻形態(tài)特征提取后進(jìn)一步演化得到的設(shè)計草圖，運用3ds Max進(jìn)行模型構(gòu)建，并在建模過程中進(jìn)一步撇除多余結(jié)構(gòu)。由于舟形藻本身所具備的顏色較為單一，故根據(jù)Navicula Chair造型所具備的線條感與科幻感，選擇顏色繽紛的金屬質(zhì)感噴漆進(jìn)行配合，得到Navicula Chair的最終設(shè)計效果，呈現(xiàn)如圖5所示。為更好地對本次設(shè)計結(jié)果進(jìn)行最終評價，筆者運用3D打印技術(shù)對Navicula Chair進(jìn)行了實物模型的打樣，最終打樣成品如圖6所示。

3.4 有效性評價

產(chǎn)品形態(tài)仿生設(shè)計的有效性評價是基于形態(tài)仿生設(shè)計，對產(chǎn)品的外部表現(xiàn)、功用、規(guī)律等進(jìn)行評估[9]。根據(jù)本次實驗的設(shè)計目標(biāo)，以最終設(shè)計成果與目標(biāo)仿生對象的相似性、視覺呈現(xiàn)的可觀賞性及產(chǎn)品功能需求可用性為評價因子進(jìn)行有效性評價。

（1）與目標(biāo)仿生對象的相似性評價：Navicula Chair在視覺上生物形態(tài)特征明顯，較好地保留了舟形藻兩頭窄中間寬的小舟形、兩端對稱的肋狀連接結(jié)構(gòu)、中央節(jié)和點紋等突出特征又與舟形藻的形態(tài)有所區(qū)別，符合生物形態(tài)仿生設(shè)計的設(shè)計要點（圖7）。

（2）產(chǎn)品功能需求可用性評價：Navicula Chair具備座椅的基本結(jié)構(gòu)，整體線條流暢且能夠較好地貼合人體曲線，在用戶進(jìn)行使用時能夠?qū)Ρ巢坑幸欢ǖ闹巫饔茫献斡糜谧氖褂眯枨蟆?/p>

（3）視覺呈現(xiàn)可觀賞性評價：Navicula Chair選用金屬質(zhì)感噴漆進(jìn)行表面噴涂，不僅固色永久且其整體造型與色彩配合融洽具備一定的視覺觀賞性，與市場現(xiàn)有產(chǎn)品之間形成了一定的差異，與設(shè)計目標(biāo)的差異化、創(chuàng)新性要求契合。

綜上所述，本次以舟形藻作為硅藻細(xì)胞代表，進(jìn)行基于生物形態(tài)仿生的家具設(shè)計實驗具備較好的有效性，證明了將藻類與家具設(shè)計進(jìn)行結(jié)合的可行性。

4 結(jié)語

藻類資源豐富且性狀優(yōu)異具有廣闊的探索與應(yīng)用空間，但與現(xiàn)有家居產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)合仍寥寥。其造型豐富多樣且特征分明，是極好的生物形態(tài)仿生對象[22-23]。通過對硅藻的形態(tài)特征進(jìn)行深入研究后，有針對性地對其微觀細(xì)胞形態(tài)和細(xì)胞表面肌理等進(jìn)行梳理總結(jié)。并以此為切入點，結(jié)合生物形態(tài)仿生設(shè)計的設(shè)計流程及方法，進(jìn)行實驗性的設(shè)計實踐，證明藻類與現(xiàn)代家具產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行結(jié)合的可能性。設(shè)計師在進(jìn)行家具設(shè)計的過程中，可以大膽探求不同自然生物與家具之間的聯(lián)系，尋求更多的創(chuàng)新突破。