产品设计中的仿生设计

科技前沿丁启明韩春明产品设计中的仿生设计合肥工业大学建筑与艺术学院安徽合肥230009[摘要]文章从仿生学的概念出发,介绍了 仿生设计的概念,起源和发展,指出了仿生设计在产品造型设计中的地位和作用。从设计的本质、设计的观念和情感表达、以及仿生设计是创新设计思维的源泉,是现代产品造型设计的大趋势的观点来说明为什么在产品设计中要运用仿生设计。形成产晶仿生设计系统观,为产品设计提供了新的思路和借鉴手法。.[关键词]仿生学;仿生设计;产品造型设计;创新设计思维;产品设计引盲是精神需求(外观)。仿生设计源于仿生学,仿生学是以模仿生物系统的原理来构遣就仿生设计的设计形态语意来讲是一一种 人性化的设计，在设计技术系统或使人造系统具有类似生物系统特征的一一门科学。它作为中全面考虑到了人的物质以及精神需求，将生态观念巧妙地导人到一门独立的学科是在本世纪60年代后期。仿生设计是设计创造的方法与枝巧中最为直观的方法之一，仿生设计创作的源泉来自自然界使人们从心理上接受它。而且通过仿生特别是对人体本身的仿造进的各种生物体。行设计，可以达到产品形态与人亲和的效果，能吏准确地表达产品仿生设计由来已久，模仿是仿生学的基础，人类创造活动的第的功能，便于产品与人之间良好的沟通。如图1所示:-步就是从模仿自然界的生物体开始的，这种模仿是人类为生存而表现出来的仿生意识与行为，虽然这些活动直接而朴素，但却是仿生慨念与思想发展的基础，是现代仿生学与仿生设计的起源锥形。如今，人们设计了更多模仿生物形态的产品。那么，为什么人们在产品设计中会常用到仿生设计呢?满足畜求物质功觉1产品设计的本质说明在产品设计中，我们设计的对象是产品，设计的目的却是人。也就是说，无论我们设计什么样的产品最终都是为了满足人们的需结构(物爱)伤生设计求:设计是人为的设计，设计也是为人而设计的。产晶设计的出发点和归宿都是为了不断满足人们日益增长的物质和文化精神的需要。圈1产品设计本质示意产品设计的全过程都有人的因素存在。人的需求在产品设计中具有2工业产品的仿生设计是-种观念和情感的表达重要的作用:“需求是发明之母。” 人类的造物行为是在人的需求基长期以来，人们生活在复杂的自然环境当中，接触到各种各样.础上产生的必然的行为。在历史长河中，人类从猿进化而来,其和的事物后，人们自然就会对事物的形态、色彩、质感等产生一种先动物的最大区别就在于人类能够有目的地造物，这种目的就是人类人为主的认识，久而久之，某些事物的特点就会具有广泛的意义，的需求。- -个能够最大限度地满足人类需求的产品就是一个好的产成为约定的符号。品。而人类的需求大体有两个大的方向:一个是物质需求(功能); 一个美国学者赫伯特.西蒙提出:设计是人工物的内部环境(人工物综上所述，“一体化” 技术与非“一体化”技术相比，首先是:计与择优的结果，也是在实际应用中不断改进、调整并最终成熟而釺焊质量大幅度提高、热处理技术指标符合工况需求，从技术上消获得的结果。所以该技术硬件无论是大到中频电源、专用感应设备,除了传统工艺所固有的缺陷，保证了工业化生产中截齿产品钎焊质小到截齿安装座、挂钩等相互衔接匹配浑为一体，设备技术完善，量的各项技术指杯大幅度提病。以抗剪强度为例，按照国家截齿标运行平稳，维护量极小。由于其节省直接生产成本，根据巳采用该准规定，钎焊缝抗剪强度合格指标为≥180MPa,优质品指标为≥技术企业计算与未采用相比，一般在生产5- 7万只产品过程中所节230MPa。一般上艺技术紫握控制好的可达到合格品指标但达不到优省的成本即可达到技术设备投资额。质品指标的较少。而采用“-体化"技术后，批量生产的产品抗剪9、 “-体化”技术指标:，强度一般均能达到优质品指标，很多均大大超过230 MPa，达到1、生产能力:加工各种类型截齿以10--17秒速度完成硬质合280MPa以上的也不少见，进口产品一般稳定在240 MPa左右，特好金钎焊与热处理两工序。的也有超过280MPa的。2、以35CrMnSiA材质批量生产的截齿硬度、冲击切性、合金焊第二是生产率提高、生产成本下降。因为采用“一体化”技术.缝抗剪强度、焊缝充满度质量指标同时达到或超过M1246--1996标将两次加热缩短为一次加热，就钎焊热处理两道C序而言，最少节准规定的优质品指标。能50%，每只产品两道工序所耗时间(扣除存放转运、准备时间)3、 在保证综合指标达到优质品的同时，可根据工况需求调整工从平均2分30秒下降到915秒。没有高温盐消耗，同时没有高、艺参数，使截齿头部硬度达到HRC49以上(合格为40.优质为44)低温盐混合造成的低温盐失效的可能，低温盐消耗同比下降90%。或者使冲击韧性达到100]/cm2以上(合格为49、优质为60)。第三是改善S工作环境，大幅度降低了环境污染。由于取消了五、绪论高温盐炉，杜绝了工作环境中的烟气污染，同时低温盐废物排放减总之，通过以上分析可以看出，硬质合金钎焊~热处理一体化少了95%以上。技术是我国目朐截齿生产行业一项较为成熟的新技术，它将截齿生第四、便于自动化生产,大大降低生产过程中影响质量人为因产工艺中硬质合金钎焊、热处理两道工序合二为一，有效地利用了素,产品一致性好，质量稳定。硬质合金钎焊加热过程中的热能，提高了生产效率，降低了生产成第五、便于生产计划、调度，对市场订货响应速度快。与一般本，减轻了环境污染,并且使产品质量大大提高，解决了长期闲扰生产技术比，采用“一体化”技术后,批次响应时间可从2天下降我国截齿生产的关键技术难题，该项技术具有很好的推广和应用价到1小时。对同品种大批量、不同品种小批量均有相同的适应性与值。生产效率。从生产指令下发始各种变化都可在1个小时内获得产品。中国煤化工第六、设备整体配套性好，日常维护量小，投资回收快。由于“一体化”技术在研究开发伊始就比较重视可操作性，所以就目前2潘大I:MHCNMHCGu“一体化"技术而言，无论是中频电源频率的选择、功率的大小、专3.黑文林的著:《感应加热装0)。 机械工业出版社19812用加热设备、传动设备、等溢淬火槽、设备供应厂家等均是优化设科技前沿自身的物质和组织)和外部环境(人工物的工作或使用环境)的相互的特征，而且较为简法。接合。这种接合是围绕人来进行的。“人” 是设计的一个方面，是(3)仿生形态直接模仿生物的局部优异机能。如模仿海豚皮制作设计的主体和设计服务的对象，而作为“产品”则是设计的直接对的鱼雷外壳减少了前进阻力,船舶采用鱼尾型推进器可在低速下取象。我们设计一个产品不能单- -地考虑产品本身，当我们看见一件得较大推力。但是，在仿生形态的研究和应用中很少模仿细节，面产品时它带给我们的不仅仅是使用功能、所用材料以及形态外观，是通过对生命系统的构造和工作原理研究，总结出仿生形态的科学也包含者对传统思考、文化理喻.科学观念等的感觉和认知。任何规律。如图3所示:一件产品的内容，都必须超出产品中所包含的那些表象。观念和情感是-一个产品在设计时就要考虑的，如何传递给人，取得与人的感尸购饰晚功楚设计产的e1情丹节情共鸣。这种感受的传达存在着确定性与不确定性的统-。情感把物”[广品赠台中咖新产品投H抛在于深人目标对象的使用者的感情，而不是个人的情感抒发。仿外联设计严的生设计侧重于用自然物的形态、色彩、肌理等引发心理情感，体现大自然和谐与共生的精神哲学，它反映着设计与人的关系。图3产品设计思维来源尤其在当今的信息化时代，人们对产品的要求越来越高，他们不再满足于过去简单的单一的功能设计领先，而转向了追求产品外4仿生性设计是现代化产品设计的大趋势观的清新、自然、淳朴，注重返璞归真以及情趣化的设计。仿生设现实社会的主体是人与机器构成。机器是为人服务的，人类发计恰好叮以做到让设计回归自然并赋予设计形态以生命的象征，体明机器是为了让其代替人，从而解放人类于强的压力之中，面机器现人类特定的观念和情感。这正如图2:对人类的解放程度取决于人们对之使用的舒适度。如图4所示:随着生活的进步，工业化的发展，工业产品的形态也越来越多自热物一-特定符号形树”(的生设计产品了。虽然如此，在现实生活中，仍有许多设计师有很多很好的发明不能找到良好的合适的外观造型去实现它。此时运用仿生学的原理，赋予产品一个形象的外观造型就是一一个最好的选择，而且生活节奏图2产品设计观念、情感表达的加快导致人们在产品的使用上越来越多地考您到宜人性。这种仿生形态的宜人性可使人与机器形态更加亲近并蕴含着生3仿生设计是设计创新的思维源泉命的活力。产品设计的对象是产品，但设计的目的却不是产品，而.德国著名设计大师路易吉.科拉尼说:“设计的基础来 自诞生是为了满足人们的需求、产品的功能是产品满足人们要求的物质核于大自然的生命所呈现的真理之中。”这是-句至理名言，一语中的心，而产品的外型却是产品满足人们要求的精神核心。所以设计师道破了设计界的真理:设计创新的思维源泉源自于仿生设计。自然不断地在设计中做出适应的调整来满足人类需求的不断变化。生物生物微妙的结构变化始终影响着人类的设计意识。我国古代建筑设机体的构造不断地生长变化着，设计师不断地根据人类的物质和精计大师鲁班因茅草割破了手指，于是仿造叶子的齿状边缘发明了木神需求，利用生物形态中包含的丰腐造型设计语育，不断调整其舒工用的锯子，现代人模仿昆虫单复眼的构造特点，造出了大屏幕模适性和宜人性，从而使得人机对话史加轻松。顺应了现代化产品设块化彩电和复眼照相机，根据蜻蜒的飞行原理研制成功了直升飞机。计的大趋势。1985年瑞士设计师齐尔吉朵麦斯特拉尔发明了“贝尔克洛钩拉在工业产品设计中仿生性设计思维是对基本产品设计能力的洲粘附带"也是因为他在狩猎时看到裤管上粘满了苍耳籽，用放大镜练，但是我们必须正确认识仿生设计的实质是对自然物的再创造过观察发现苍耳耔上布满精倒钩的小刺从而得到的设计灵感程,而不是简单的模仿，注重“神似"而非“形似"。很多的产品设计者都是人类从极为平常的生物现象中领悟出的4结柬语深刻结构原理，从生物功能的进化上对产品进行的有效的设计。、仿生 设计作为产品设计的-种重要设计方法是很重要的。仿生科学研究表明，人类不具备的许多感官特征在生物界的众多动患维是设计师在设计过程中的原创性设计意识，它能将设计师思维;植物身上却存在。如蝙蝠能感受到超声波;鹰眼能从三千米高空敏扩展开，从更多层次深入思考问题，无论人类社会发展到任何时期,锐地发现地面运动着的小动物;蛙眼能迅速判断目标的位置、运动自然生物始终类生存和发展依附的主体环境，生活环境中的“仿生"方向和速度。大自然的奥秘不胜枚举。意义始终左右着人类生存的品质。这种设计思维可以帮助设计师充每当我们发现一种生物奥秘，就产生了一种新的设计可能性,分发挥想象力，对工业设计的产品开发研究有积极作用;它将会为也可能带给我们一种新的生存方式。工业设计的发展带米生机与活力。仿生设计可以从三个方面应用于产品设计中:(1)从功能出发，研究生物的结构形态，在感性认识的基础上,除去无关因素，建立一个生物的模型。对照原型进行定性分析，用模型模拟生物结构原理。(2)从生物形态出发，研究仿生形态、比例、机能。用模型的手法，对生物体进行定量分析，掌握生物机体的结构尺度，从具象的形态和结构中，探索其特殊功能和运动协调的特点。形态仿生有具象仿生和抽象仿生之分:①所谓具象形态是通过人的眼睛真实地反映感觉到的形态。它是通真的再现事物的形态。情趣性、可爱性、有机性、亲和性、自然性，是具象形态具有的特点，所以在玩具、工艺品中应用得比较多。但是在工业产品不宜采用具象形态，因为具象的形态太过于复杂。②所谓抽象形态是抓住事物独特的本质特征后用简单的形体21 |中国煤化工”轻工业出版社。199京:江苏美术出版社，2001把它反映出来的一种形态。此形态必需有一定的生活经验的积累，尔滨工业大学出版社，1998经过联想和想象把形浮现在脑海中，那是一种不实在的形，但是这51YHCN M H G1北京:中国人民大学出版社20.0个形经过个人主观的情感联想所产生的形变化多端、色彩丰富，在(6糖平,路易吉，科拉尼.伤生设计传奇U1 艺术与设计:产品设计, 2004，0 (): 72-产品造型设计中常常会用到这种抽象形态的仿生，他能够体现产晶❺