基于仿生學的產品設計應用研究及語意學評價

摘 "要：仿生設計是產品設計的重要應用手法。本論文闡述的仿生設計以滿足產品本身需要為前提，分別從生物原型和設計問題兩大方面出發進行產品仿生設計研究，提出生物形態簡化仿生和設計問題中產品仿生適配方法。產品適配仿生方法是對仿生設計步驟和程序的優化，從設計問題出發分析產品設計價值層次，進行功能、外形、結構等分析，再對應選擇仿生特征屬性適宜匹配到產品設計方案當中，實現設計最優化。文章最后還通過語意學對產品仿生設計進行外延與內涵評價，進一步驗證仿生設計適配方法的可行性。

關鍵詞：仿生學；產品設計；應用研究；語意學評價

仿生學參考生物形態、動作結構等因素，融合多學科知識進行產品的設計創新[1]。美國空軍軍官J.E.斯蒂爾少校1958年首創仿生學。1988年德國舉行首屆國際仿生設計研討會以生命與形態，功能與形態的思索為主題展開了全面的討論，是仿生設計全面興起的標致，會議在設計界產生了深遠的影響[2]。家喻戶曉的甲殼蟲汽車和克爾維特“灰鯖鯊”（Corvette Mako Shark）跑車都是仿生設計產品，顯示著仿生設計的無限魅力[3]。

一、產品仿生設計

（一）產品仿生設計價值

仿生設計對設計界有著重要影響，仿生設計具有極高的設計價值。仿生對象具有獨特的自然親和力，使工業產品有著人性化特征，具有人文關懷性。產品仿生設計是當代設計的一種策略和重要設計手法。第220屆香山會議上路甬祥院士作出“仿生學的意義與發展”的主題報告，他表示自然和社會是我們認知和創新服務的對象，也是我們學習的最好老師[4]。可以看出仿生學在工業設計中的應用研究值得我們深入研究。

（二）產品仿生設計手法

仿生設計在大眾認知里，普遍被分為功能仿生、外形仿生、結構仿生、肌理仿生、色彩仿生、意象仿生等設計方法。可仿生設計手法應用沒有統一規范準則，設計界從而也涌現出許多優秀的仿生設計作品。而本文針對兩大方面考慮仿生設計應用手法，為仿生設計提供一種新思路和方法借鑒：一是從生物原型出發進行仿生設計，提出生物線條簡化方法；二是從設計問題出發切實實際問題，進行選擇，提煉選取對應的仿生特征，再進行仿生設計應用。不同產品解決問題不同，不同產品就具有不同的價值層次，提取出的仿生設計特征也就不同。比如，裝備機械產品、工具類產品偏重實用價值層次，則傾向于功能仿生和結構仿生來實現；家電、電子產品偏重于其認知價值，則傾向于結構仿生、外形仿生、肌理仿生和色彩仿生來實現；裝飾品、服飾等產品偏重于美學價值，則傾向于外形仿生、肌理仿生、色彩仿生可以實現產品的美學價值；文創產品、旅游紀念品偏重于文化價值，則傾向于意象仿生實現。

1.生物原型之生物形態簡化

原型是指生物具有的形態構造特征，而人從自然界選取仿生對象研究借鑒[5]。原型是工業世界中最重要的一個環節，原型影響著產品的性能特點。生物原型富有形態美感，如對稱的蝴蝶、連續的花瓣等。對生物原型進行形態特征提煉后，可通過簡化、變形、夸張等手法可結合到產品設計當中。其中，簡化手法更多被設計師所使用，簡約的作品層次更為清晰。極簡藝術起源于20世紀60年代的美國，簡化形式應用于設計活動中。20世紀80年代，極簡主義的理念獲得廣泛認可。簡約的產品能減少生產材料成本，通常也更易于生產。簡化的事物更具有規律性、秩序性，更容易被人們理解掌握，從而提高行為活動效率。愈加簡化概括的事物表現人類感情就愈加深刻[6]。《佐藤大的設計減法》一書中提到適可而止的美學，也就是簡化的設計美學。簡化的設計形態是恰到好處的設計，不過多裝飾、浮夸設計。Neodo設計工作室傾向于“不過分的設計”，以其仿生設計作品為例——“oppoet”無線鼠標（如圖1），就是簡化的仿生設計產品。“oppoet”無線鼠標外觀是帶尾巴的動物，可以拔下的“尾巴”就是USB接收器。將“尾巴”插在電腦上后，鼠標就成為更簡潔的樣子，看上去就像有只小動物正在潛入電腦內部。“oppoet”無線鼠標設計簡潔而詼諧有趣，使人印象深刻[7]。經過研究發現，許多優秀的仿生作品大多采納了簡化仿生設計手法，經過簡化提煉后的仿生設計產品在工業生產中節省了大量的生產材料，利于生產發展。從用戶層面來說，簡約的設計拉近了和顧客 的距離。簡約的產品使用起來會格外舒適便利，產品調性顯得十分清爽。《工業設計360°完全解讀》一書中提到少即是多，沒有實際意義設計元素通常沒有存在的價值，不必要的事情會分散大腦注意力。簡而言之，極簡主義乃上上之策[8]12。為此，本文圍繞生物形態線條簡化方面進行仿生設計應用研究，研究生物線條簡化方法以更好進行產品仿生。生物形態簡化是依據生物原型自身特點，對生物外觀造型進行簡化設計。自然界的生物形態多種多樣，自然形態具有美感。產品借鑒自然界生物形態，產品外觀造型會更富美感。自然界中，花是中心對稱杰出案例。模仿花瓣進行線條簡化設計出春暖花開香氛機（bloomy），香氛機形狀似花苞（如圖2），簡約平滑造型線條使產品看起來十分協調。

生物形態簡化可分為兩大類：心理簡化和物理簡化。心理簡化依據人的主觀意識對客觀存在的實體進行刺激反饋將其簡化，形成主觀意識圖像。例如，真實存在的實體是圓柱形的，有些人主觀意識認為是長方形的；而在兒童繪畫大象時，兒童畫中的大象多種多樣、線條走勢不一致等。人在獲取客觀存在實體印象后對其進行心理主觀簡化處理，得到的簡化信息就不一致[9]227。美國藝術心理學教授魯道夫·阿恩海姆（Rudolf Arnheim，1904-1994）認為，在絕對意義上，一個物體僅有很少的結構特征是簡化的[9]320。在相對意義上，一個物體用很少的結構特征組織成有秩序的復雜整體是簡化的。物理簡化依據客觀存在實物的結構特征進行簡化，使結構、形態線條等特征減少。物理簡化和心理簡化不同，物理簡化是依據客觀實體進行特征數目減少。物理簡化不受人主觀意識影響，具有物理特性，強調客觀存在實體 物理特征簡化。

自然界生物形態具有多樣性、獨特性、流暢性、連續性、對稱性等顯著特點。例如，蜂窩形狀具有連續性、對稱性；鯊魚流線型外形具有流暢性；蝴蝶翅膀造型具有多樣性、對稱性。生物形態簡化仿生可對生物形態特征進行提煉，比如將具有連續性特征的生物形態進行拆解，提煉出連續性形狀中的單個形狀進行設計；將復雜的外形線條進行簡化，只保留少數線條；將具有對稱性的生物形態進行拆分，只保留對稱中的其一；將具有獨特性的生物形態進行簡化，應保留最為顯著特征，獨特而精簡的設計形式會使人產生豐富的聯想，使仿生產品更有內涵。生物形態簡化要突出生物形態顯著特征，減少多余形態的產生。簡化后的造型形態仍可辨別原始的自然事物特征，沒有被過多無謂的細節糾纏。過多的細節、繁雜的形狀會使人對產品讀取的第一印象變得困難。觀察對象越簡約和諧，人看著就越愉悅。適宜的設計取悅的不是眼睛，而是人的大腦，大腦容易接受越輕松掌握的事物[8]12。另外，簡化過程以及簡化設計結果要以滿足產品本身需要為前提。

2.設計問題之仿生選取

產品仿生設計從設計問題出發時，要深入分析該產品所應解決的問題并對應采取設計策略，盡量減少廢棄方案的產生。廢棄方案的減少不但使設計找到兩全其美的方法解決問題，也可以減少生產材料的消耗，節約資源。優秀設計作品誕生之初要經過深思熟慮，設計師要肩負很大的責任，要察覺問題存在，衡量產品價值層次，對應剖析仿生價值層次找出適配的生物再設計仿生方案。如一件設計作品要解決結構方面問題應選取適配的生物適宜結構進行模仿仿生；一件設計作品要解決功能方面問題應選取適配的生物適宜功能方面體現進行模仿仿生；一件設計作品要解決造型肌理方面問題應選取適配的生物肌理表面進行模仿仿生；一件設計作品要解決色彩問題應選取適配的生物色彩進行模仿仿生；一件設計作品要進行意象表達應選取適配的生物進行意象提煉，使人有意象共鳴。舉仿生設計作品為例：弗勞恩霍夫協會集成電路研究所的代表設計的Higgs微型攝影機（如圖3）的三腳架結構[8]12模仿了生物“腿部”結構進行仿生設計，目的是使攝影機擁有靈活收縮、折疊的結構。能量之花（Power Flower）（如圖4）模仿了向日葵從早到晚向陽的功能特性，將臺座進行校準，太陽能板會自動轉向日照最充足的位置，即“向日葵向陽開花”，實現微型太陽能發電功能。另外，太陽能板也仿生花瓣形狀，簡化花瓣形態提升造型美感。綜上所述，產品仿生設計從設計問題出發時，優化的設計方案流程如圖5所示。

為更好進行仿生產品價值適配，本課題歸納分析常見產品類別的價值層次偏向（如圖6）。與此同時，在進行仿生產品設計時，不應盲目嘩眾取寵，“為仿生而仿生，照抄照搬”。產品設計在進行仿生設計時，不應該使仿生設計成品置于無用之地。仿生設計要展現出其價值，具有社會屬性。要以產品本身需要為前提，深入分析生物原型屬性特征進行仿生設計。以功能層次仿生設計為例，要深入分析生物原型功能和生物構造關系，適宜匹配產品功能和構造進行仿生設計。如毛蟲機器人（Robo Worm）（如圖7）模仿毛蟲環形肌的動作、構造，毛蟲及機器人不用反轉便可實現向后移動，在狹窄的管道中也可自由靈活倒退。該仿生構造賦予了毛蟲機器人在管道和隧道等粗糙不平的表面自由通行的能力。而結構仿生設計是對生物原型進行結構、主體構造等仿生，而生物原型構造可分為宏觀構造和微觀構造兩大類。從宏觀或微觀構造中提煉適宜匹配產品特征屬性的構造，再進行結構仿生設計活動。產品結構影響著產品實現的可能性，關乎產品的操作性和安全性。產品結構影響著產品本身的力學結構，也是考量產品是否符合人機工程學的指標之一，影響著產品形式與功能的平衡關系。在結構仿生設計時，要考慮該仿生結構是否穩定、強度高低、重量等問題。被廣泛應用于航空、航天等高科技領域的蜂巢式夾層結構就具有結構穩定、強度高等特點，而蜂巢式結構還可以大大節省材料消耗[10]。自然界的色彩極其豐富，色彩仿生可從自然界提取出各種顏色。自然生物是天然的色彩庫，色彩影響著人的感知。某種特定的顏色使人產生不同的感知影響，奠定產品特質基調。比如銀色產品使人覺得具有科技感，為此，銀色也被廣泛應用于商業產品設計當中。在進行色彩仿生設計活動時，設計師要善于觀察大自然顏色，積累色彩搭配經驗。色彩仿生要符合產品特質基調，顏色要搭配和諧。即使是一系列的產品也一定要注意系列搭配，同一個產品系列顏色變化也要和諧，令人身心愉悅。基于仿生學，人類創意思維更加具有創造性，產品形式被賦予更多有趣、靈活的可能。

二、產品語意學與產品仿生語意評價

（一）產品語意學概述

語意學這一概念最早出現在1980年[11]，語意學原本是指研究語言的學科，應用到產品中就形成了產品語意學。產品語意學是指產品和意義的關系[12]，分為能指和所指。語意學的能指是顯性語意，指真實存在的物質形態，如產品表面的色彩、肌理、結構等；而所指是隱 性語意，是人隱性的主觀精神意識形態，如文創產品的文化內涵、情感象征等。

（二）產品仿生設計語意學評價

設計評價是在一定的原則和依據上對設計過程和結果進行評價判斷，設計評價有助于產品設計的優化改良。根據語意學能指和所指符號功能，產品語意學可作為評價仿生產品外延和隱性內涵的定性方法[13]。以著名設計師菲利普·斯塔克（Philippe Starck）在1989年設計的仿生作品外星人榨汁機（Juicy Salif）（如圖8）為例進行語意學評價。從語意學的能指功能和外延方面進行評價：外星人榨汁機在外形上仿生了蜘蛛的長腿造型、檸檬造型。榨汁機如同一個雕塑擺設，而不是一個簡單的日用品。從語意學所指功能和內涵方面進行評價：外星人榨汁機造型獨特，簡約精練并具有美感，使用者由外觀造型可知道其產品的使用方式。使用者將水果按壓在外星人榨汁機“檸檬頭”上，果汁就順著流下來。三只“蜘蛛腿”形成最穩定的結構，不用充電就可實現榨汁。外星人榨汁機的是一種功能占主導地位的實用生活用品，其主要功能是實現榨汁。而自然界的蜘蛛和檸檬生物原型構造可實現這一主要功能，這兩者價值層次屬性進行了適宜的匹配使其仿生設計取得了較大的成功。據記錄顯示，1990年到2001之間就售出了55萬個“外星人”榨汁機。至今看來，收藏者仍認為外星人榨汁機是一件搶手貨，而外星人榨汁機依然是設計專賣店中的經典之作[14]。

在進行仿生設計活動時，可利用評價手法對其方案或結果進行客觀評價，進一步優化改良設計。產品語意學可作為仿生設計產品的一種局部客觀評價手法，評價后再進行改良優化產品，可進行“仿生設計-評價-仿生設計”的多次迭代，讓設計實現最優化結果[13]。

三、結語

仿生學在設計領域具有極大的優越性，經歷數千年演變，大自然生物對許多問題都有應對的策略。大自然的應對策略就好比設計方案程序中解決設計問題的這一部分，設計師可留意和借鑒大自然的生物去設計作品。而本文提出生物形態簡化仿生和設計問題中產品仿生適配方法就是借鑒大自然進行設計活動的方法，優化改良了仿生設計步驟和程序，提出一種創新設計思路實現設計最優化，并不斷深化研究，促進仿生設計的發展。

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作者簡介：黃芷林，廣州大學美術與設計學院碩士研究生。

通訊作者：劉昕，廣州大學美術與設計學院副教授。研究方向：人因可靠性和產品設計。