仿生技術在演藝裝備領域的應用初探*

郭克橋,尹海鵬,王 艷

(甘肅工大舞臺技術工程有限公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

自然界的任何一種生物發展到今天都可能經過上萬年、百萬年、甚至上億年的自然選擇，每一種生物都足以成為人類科技進步的偉大導師[1]。長期以來人類從自然界汲取靈感實現科技的飛躍式發展，如模仿飛禽制造出飛機、模仿蝙蝠制造出雷達，大到某一行業，小到某些零部件，都離不開仿生技術。仿生學興起于20世紀50年代，是一個前沿、新穎、多元化的交叉學科，2005年Collins M W系統介紹了生物學和工程學結合的基本規律[2]，仿生理念拓展到形態與造型仿生、結構與美學、力學與意象、功能與機理、材料與組織及控制與系統等領域[3]。1990年日本模仿翠鳥流線形的頭骨設計出時速超過320 km/h“類翠鳥頭骨”的高鐵，2000年Speedo公司模仿鯊魚的V型褶皺研發了“鯊魚皮”泳衣，德國FESTO公司受大象鼻的啟發，研發出一款仿生機械臂[4]。

社會科學技術的發展在很多方面提升了演藝裝備技術，進而極大地豐富了演藝從業者對現代藝術的表現表達形式，演藝裝備工程領域，形態仿生技術可使演藝裝備擺脫“傻、大、黑、粗”的傳統印象，以生動、直觀和更具表現張力的形式從演藝載體轉變為演藝主體，同時通過給裝備注入生命力和靈魂賦能演藝形式[5]，進而提升藝術的可觀賞性。結合目前演藝裝備現狀和工程應用經驗，筆者從形態仿生、力學仿生、材料仿生、系統仿生四個方面探討仿生技術在演藝裝備工程領域的應用，為仿生技術在演藝裝備行業的深層次應用提供參考。

1 仿生學與工程學

圖1(a)所示為1990年日本研制的時速超過320 km/h的高鐵，“類矩形”的高鐵車頭穿過隧道時容易產生音爆，中津英治團隊注意到高空俯沖捕魚的翠鳥入水時幾乎不產生水花，進而模仿翠鳥流線形的頭骨設計出“類翠鳥頭骨”高鐵，仿生設計有效解決音爆問題的同時，還意外提速10%、降耗15%[6]。圖1(b)所示為2000年Speedo公司研發的“鯊魚皮”泳衣。2000年Speedo公司模仿鯊魚的V型褶皺研發了“鯊魚皮”泳衣，仿生設計大大減小了水流摩擦阻力，穿“鯊魚皮”泳衣的運動員包攬了2008年前92%的游泳獎牌，致使2009年國際泳聯不得不禁用“鯊魚皮”泳衣[7]。圖1(c)所示為德國FESTO公司受大象鼻的啟發制造的仿生機械臂[4]，使機械工廠、家庭助手和農業自動化成為無限可能。2001年White模仿動植物細胞的自愈能力，研發了一種微膠囊自愈新材料，以修復外載荷下引起的微觀裂紋，自愈研究表明該材料初次斷裂后的強度愈合能力達到75%[8]。

圖1 仿生應用案例

仿生的目的是應用生物學特征解決工程學問題，其過程如圖2所示。仿生可以是簡單的形狀結構模仿，這類仿生可以更直觀地從生活周圍找到生物對象，同時仿生也可以是對生物對象的學習和靈感的激發，這類仿生則需要抽象性設計。英國科學家Vincent通過仿生地圖建立了仿生學與工程學的關系，表達了生物特征到工程應用的關系和差異[3]，如圖3所示。

圖2 工程學問題的仿生解決方法

圖3 Vincent仿生地圖

2 仿生與演藝裝備

2.1 形態仿生及應用

形態仿生是在外形結構和生理功能上模仿生物結構，也是目前最廣泛、最直接的仿生應用方式，如多足機器人[9]和北京“鳥巢”[10]。21世紀初，隨著室外秀場和主題樂園等新型演藝形式的興起，朋克(PUNK)風格[11]的仿生演藝形式受到廣泛追捧。圖4(a)所示為“南特島的機器”(Machines of the Isle Nantes)主題樂園蒸汽朋克風格的機械巨象[12]，它是演藝裝備工程領域結構仿生應用的成功工程案例的代表。高12 m、長21 m，近50 t重的機械巨象兩側的露臺式設計可搭載50名乘客，最高行走速度可達3 km/h，漫步在街頭的機械巨象通過眨眼、噴水、嚎叫等特效與觀眾互動，給觀眾帶來的朋克式壓迫與震撼無可匹敵。為紀念中法建交50周年，2014年弗朗索瓦·德拉豪茲葉赫團隊針對中國傳統文化，量身打造了奇幻大型演藝裝備——機械龍馬[13],如圖4(b)所示，高12 m、重達47 t的機械龍馬可行走、騰躍，還能噴火、噴水，給觀眾帶來震撼的視覺體驗。在國內演藝裝備領域，江蘇無錫靈山小鎮的拈花灣微笑廣場人形雕塑由8套開合立柱和平移機構組成，如圖4(c)所示，立柱上有45件可升降旋轉的花瓣，通過智能控制聚合為高達20多米的巨人，讓觀眾體驗到人誕生于自然、終又回歸于自然的韻味[5]。

圖4 形態仿生與演藝裝備

不同于其他工程領域，形態仿生技術在演藝裝備工程領域的應用更直接、更具有優勢，可通過選擇生物對象直接解決工程問題，如圖2所示。同時，形態仿生的演藝裝備還能顯著增強藝術表達效果，使文化和科技的融合更深、更廣。

2.2 力學仿生及應用

力學仿生是抽象出生物結構的合理特性和優勢并融入到產品的整體或局部設計，提升裝備的靜、動力學性能，工業領域中的常用型材就是力學仿生的產物。我們知道植物莖稈主要用于吸收、輸送和儲存營養物質并起支撐葉冠、果實和抗自然災害的作用，圓形莖稈可以從力學角度進行討論。如表1(a)所示，設圓形直徑為D，其周長為L=πD，面積為S=πD2/4，對于相同周長的正方形，其面積可表示為S1=π2D2/16=πS/4，明顯有S>S1，即相同周長條件下圓形截面有更大的面積，進一步的，相同高度的圓柱體則具有更大的體積，也即圓柱形植物莖稈在吸收、輸送和儲存營養物質時更有優勢，這便是植物進化為圓形莖稈的主要原因之一。另一方面，植物暴露在自然界，容易受到風雪等惡劣天氣的影響，如表1(b)所示。根據相關力學知識，風壓為p的風作用于圓形截面的時所受的風力為F=0.8 Pa，而作用于方形截面的時所受的風力為F1=1.5 Pa，顯然圓形莖稈在抗風壓方面也具有顯著優勢，這也是植物進化為圓形莖稈的另一個原因。對于一些草本植物，莖稈通常為空心，如表1(c)所示。同樣根據力學知識，圓形截面的抗彎截面系數W=πd3/32[14]，抗扭截面系數為T=πd3/16[14]，那么對于空心直徑為d的圓形截面抗彎截面系數W1=(1-β4)πd3/32，抗扭截面系數為TV1=(1-β4)πd3/16，其中β=d/D，分析易知，空心植物壁厚降低到實心截面的20%，抗彎截面系數和抗扭截面系數只降低到實心截面59%，但質量卻降低了64%，這便是草本植物進化空心莖稈的原因，為進一步提高抗扭強度，某些植物又進化出莖節，工程師們便以此仿生設計出常見型材。

表1 植物莖稈進化力學分析

目前在演藝裝備領域，建設方對大體量的設備需求越來越多，在大體量設備上合理應用力學仿生技術，可顯著改善結構的靜、動力學性能。根據工程經驗，筆者曾仿王蓮[1]結構設計過水上大型浮動平臺骨架結構，此文以此案例討論演藝裝備領域力學仿生方向。王蓮擁有世界上水生植物中最大的盤狀葉片，最大直徑可達3 m以上，葉脈成肋條狀、似傘架，最大承載力可達60～70 kg，如圖5(a)所示，故而王蓮葉脈結構廣泛應用于承重仿生結構。尤其是室外涉水演藝裝備在結構、功能和使用環境等方面與王蓮構型更具有相似性，甚至可以“無縫銜接”。以最大半徑為100 mm調整王蓮實物葉脈圖，如圖5(b)所示，描繪局部葉脈簡圖，研究了王蓮的結構特點，研究表明：①王蓮葉脈單元結構呈現出良好的對稱性，如圖5(c)所示；②各級葉脈間距比值近似黃金分割數，如圖5(d)所示；③上級葉脈是相鄰下兩級葉脈的空間組合，如圖5(e)所示；④輔葉脈之間呈交錯排列，如圖5(f)所示。通過對王蓮結構特點的研究，經仿生設計，筆者將王蓮結構抽象應用于某大型水上浮動表演舞臺的設計，相較于原結構設計，力學仿生的結構設計在結構自重下降約27%的同時動、靜力學性能更優，節能降耗效果十分顯著。

圖5 力學仿生與演藝裝備

進入21世紀，人們更加注重大型重金屬元素帶來的視覺震撼，力學仿生技術給大體量設備的應用提供了設計思路，上述仿生應用案例使大型水上浮動平臺骨架設計原材料成本降低，考慮后期加工、安裝、人工、運輸等成本，可使一套演藝裝備機電系統的成本降低30%以上，節能降耗明顯。此外作者還仿龜殼結構設計升降臺架體、仿胯骨設計升降臺支撐等，但總體而言，演藝裝備應用仿生設計案例相對較少，仿生對象也有待進一步拓展。

2.3 材料仿生及應用

材料仿生是在材料的外形結構、力學性能分析的基礎上，抽象設計出一種新材料，以彌補常規材料的不足或缺陷。人類祖先早已有仿生材料的應用，最早的仿生材料是華夏民族先祖設計的“土坯墻”，即在土中混合植物枝條或秸稈的混合物做房屋墻體，長期實踐也證明這種仿生材料的合理性。仿生材料廣泛應用于各工程領域，如在演藝裝備領域，為取得良好的隔音效果和較小比重，在音樂罩面板上采用鋁蜂窩夾層板，如圖6(a)所示，以此衍生出生活中常見的夾層紙板等，如圖6(b)所示。

圖6 演藝裝備領域的仿生材料

眾所周知，木材因具備良好的可加工性能、小比重、較強的抗振能力被廣泛應用于演藝裝備工程領域。圖7(a)即為國內、外舞臺演出木地板典型裝修方案[15]，包括一層面板、兩層毛板、一層木龍骨、抗振阻尼墊和隔水防潮層。然而木材材料性能也存在諸多的不足，如耐火性能差、隔水性能差、力學性能差(包括抗斷裂能力、抗劈裂能力和抗壓強度等)，并且木材的材料參數也不穩定，如比重、泊松比等，這些材料參數會因木材品種不同、產地不同、使用環境不同、溫度不同產生明顯差異，同時大量使用木材對環境并不友好，不符合國家綠色可持續發展和“碳達峰、碳中和”戰略。近年來室外秀場的興起使水中演藝裝備應用更加廣泛，木材的缺陷限制了其在演藝裝備工程領域的進一步應用。借鑒機床領域的樹脂混凝土[16]，如圖7(b)所示，以石料為主承載料、金屬車削廢料為增強纖維、金屬磨削顆粒為填料、樹脂作為粘接劑，設計一種仿生新材料，滿足水中或潮濕環境下或替代部分演藝裝備中的木材。研究表明：這種新材料具備顯著的防火性能、熱穩定性、抗振能力、隔水防潮能力和力學性能，與傳統的木材相比更有優勢。近年來，室外秀場的興起使水中演藝裝備應用更加廣泛，以綠色發展為設計理念，針對行業特點設計一種新材料代替演藝裝備領域部分木材的應用意義深遠。

圖7 材料仿生與演藝裝備

2.4 控制仿生及應用

控制仿生在故障機理和風險分析的基礎上，賦予裝備系統自愈功能，讓裝備系統像生物一樣實現故障自修復，提高裝備系統壽命和降低報廢或停機維修的概率。目前，現代機電工程領域普遍接受德國Isermann教授提出的“五塊論”體系，北京化工大學高金吉教授認為機電系統組成的“五塊論”是不完整的，應考慮仿生設計，將人和動物的自愈功能賦予機器[17]。演藝裝備領域，臺面尺寸受限的升降臺剛度不足是演藝裝備工程領域常見的缺陷之一，工程中通常通過在升降臺支撐部件處設計拉緊裝置，如圖8(a)所示，通過鋼絲繩產生的張力減小臺面的撓度值，實現剛度修復，有時也可以通過在事前設計同類裝置，使升降臺臺面預先產生反向撓度，如圖8(b)所示，通過產生拱形來提升升降臺的相對剛度。事實上，在演藝裝備工程領域升降臺上的載荷常為隨機載荷，很難實現理想的剛度修復。如何使升降臺機電系統運行中實時分析剛度超過閾值的原因和產生條件，通過智能控制器和執行器適時適量地改變系統的剛度、阻尼和質量矩陣，如圖8(c)所示，施加自愈力實現剛度實時自修復才是最理想的設計。

圖8 系統仿生與演藝裝備

更多情況下，演藝裝備的聯動過程帶來的故障具有很大的不確定性，可通過設計故障自愈調控系統，來減少緊急停車維修概率，進而減少停車損失并降低維修成本，同時減少機器對人的依賴程度以提升演藝裝備的安全性能。

3 總結與展望

仿生技術在提高產品的性能、節能降耗、降低停機維修成本、提高機電系統壽命和提升系統安全性能方面有顯著優勢。相較于其他工程領域，仿生技術在演藝裝備工程領域有更加廣闊的應用前景，文中在形態仿生、力學仿生、材料仿生和控制仿生四個方面上介紹了仿生技術在演藝裝備工程領域的應用方向及簡單案例。未來的演藝裝備可以根據功能需求直接采用仿生設計，也可以通過對生物不同生理結構、運動機理深入研究，充分發揮仿生技術在演藝行業的借鑒與指導作用。同時在工程實踐當中可知，仿生學是生物相關學科，是與工程學、機械學、材料學等眾多學科相互交叉的全新研究領域，科研人員與工程技術人員緊密協作、多學科互補互助，未來仿生技術在促進演藝裝備行業的應用和發展上必定會發揮出更優越的先進性。