工業設計仿生管理論文

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前言

自然界到處充滿活生生的“優良設計”實例，對設計師而言，是個取之不盡、用之不竭的“設計資料庫”。諸如無生命的山川河流，有生命的飛禽走獸，還有多姿多彩的花草樹木，除有豐富的造型之外，絢麗的顏色也給人以視覺上的無比享受。這些動植物經歷了幾百萬年的適者生存法則的自然進化后，不僅完全適應自然,而且其進化程度也接近完美。這些自然的“優良設計”，有的機能完備，讓人嘆服；有的結構精巧，用材合理，符合自然的經濟原則；也有的美不勝收，讓人愛不釋手；有的甚至是根據某種數理法則形成，它合乎“以最少材料”構成“最大合理空間”的要求。這些生物形形色色的奇特本領耐人尋味，使人浮想連翩。我們在贊賞之余，是否能從這些精妙的設計中，獲取一些靈感呢？回答是肯定的。

一、歷史上的仿生

人類在遙遠的歲月似乎就認識到能從自然生態系統中領悟到自身生存、發展、進步的真諦。人類從蒙昧時代進入文明時代就是在模仿和適應自然規律的基礎上發展起來的。回顧中國的古文明史，不難看到人們較早就留下了模仿自然生態的痕跡。從遠古原始人構筑的人首龍身、人面鳥身等“人心營構之象”，到現實生活中以各種動物形態為原型的實用器皿，如牛形燈、豬、鷹形壺等。從神話傳說中人的羽化飛升，到春秋戰國時期的魯班從草葉的齒形邊緣中“悟”到了鋸的原理等，大量的事例記述了人們對自然生命的外在形態和功能創造性地模仿。

國外亦然，古時人們看到鳥兒在天上自由自在地飛翔，就向往人也能象鳥一樣飛上天，于是便用各種方法模仿鳥。經過漫長歲月，從最初的木制飛人發展到今天的超音速飛機，終于實現了人類在藍天上自由飛翔的夢想。達芬奇被認為是現代仿生學之父。在大約公元1500年，他完成鳥翅模型之后，又畫了一系列的無法實現的飛行設備草圖。大約400年之后，奧托成功了，他根據鸛的翅膀制造的滑翔機成功地飛行了250米，而且他也取得了"滑翔機之父"的稱號。而我們小時侯玩的竹蜻蜓，便是現代直升飛機的趨形。一直以來，許多研究者都在不斷嘗試把自然界的形態和功能類比的應用于科學。

由此可見人類師法自然思維由來已久，這便促成了仿生學的誕生，仿生學是在生物科學與技術科學之間發展起來的，模仿生物系統的原理來建造技術系統的一門新興邊緣學科。仿生學恰似“橋梁”和“紐帶”，連接著生物科學與技術科學。仿生設計則是在仿生學的基礎上發展起來的。它以仿生學為基礎，通過研究自然界生物系統的優異功能、形態、結構、色彩等特征，并有選擇性的在設計過程中應用這些原理和特征進行設計。

著名的德國工業設計師路易吉.科拉尼是仿生設計理論的大力倡導者和實踐者，他那蘊藏著人類責任感的設計哲學思想，以及呼吁人類社會與大自然和諧統一的設計觀念，都具有極其深刻的劃時代意義。他鮮明的仿生設計原理與方法、強烈的造型意念和極具旺盛生命力的設計，成功地影響了后代設計師。

運用仿生性思維進行設計，可作為人類社會生產活動與自然界的鍥合點，使人類社會與自然達到高度的和諧統一，仿生設計正逐漸成為工業設計發展的大趨勢。

二、現代工業設計中的仿生

現代社會文明的主體是人與機器。人類在這種文明所導致的生態失調狀況下開始反思并力求尋找新的出路，建立人與自然、機器的對話平臺，共生哲學觀強烈地呼吁人與機器、生態自然與人造自然之間合理的建構，創造人類社會與自然高度的和諧。那么，師法自然的仿生設計就是一種良策和新理念。

仿生設計是人們在長期向大自然學習的過程中，經過積累經驗，選擇和改進其功能、形態，從而來創造更優良的人造物。尤其是當今的信息時代，人們對產品設計的要求和過去不同，既注意功能的優良特性，又追求形態的清新、淳樸，同時注重產品的返樸歸真和個性。提倡仿生設計，不但創造功能完備、結構精巧、用材合理、美妙絕倫的產品，同時賦予產品形態以生命的象征，讓設計回歸自然，增進人類與自然統一。

德國著名設計大師路易吉·科拉尼曾說：“設計的基礎應來自誕生于大自然的生命所呈現的真理之中”。這話道出了自然界是蘊含著無盡設計寶藏的天機。歸納現代工業設計中的仿生，其主要表現在以下幾個方面：

1、形態的仿生

形態從其再現事物的逼真程度和特征來看，可分為具象形態和抽象形態。

1）具象形態的仿生

具象形態是透過眼睛構造以生理的自然反應，誠實地把外界之形映入眼睛膜刺激神經后感覺到存在的形態。它比較逼真的再現事物的形態。由于具象形態具有很好的情趣性、可愛性、有機性、親和性、自然性，人們普遍樂于接受，在玩具、工藝品、日用品應用比較多。但由于其形態的復雜性，很多工業產品不宜采用具象形態。

2）抽象形態的仿生

抽象形態是用簡單的形體反映事物獨特的本質特征。此形態作用于人時，會產生“心理”形態，這種“心理”形態必需生活經驗的積累，經過聯想和相象把形浮現在腦海中，那是一種虛幻的，不實的形，但是這個形經過個人主觀的喜怒哀樂聯想所產生的形變化多端、色彩豐富，這與生理上感覺到的形大異起趣。

歸納起來抽象的仿生形態具有以下特征：

1）形態高度的簡化性和概括性

形態高度的簡化性和概括性，指的是形態本質的抽象表現。通過對生物形態或非生物形態的科學分析，結合的我們的生活經驗，均可證明一切形態的本質都是一種內力的運動變化。這種內力運動變化是產生形態的根據。在研究形態時，設計者從知覺和心理角度有意無意地都把形態的內力運動變化感受為生命活力，再通過形態抽象變化，用點、線、面的運動組合來表現生命活力。因此，形式上表現為簡化性，而在傳達本質特征上表現為高度的概括性。

這種形式的簡化性和特征的概括性，正好吻合現代工業產品對外觀形態的簡潔性，幾何性以及產品的語意性的要求，因此，它大量的應用于現代產品設計。

2）形態豐富的聯想性和想象性

抽象仿生形態作用于人時，產生的“心理”形態必需生活經驗的積累，經過聯想和想象才浮現在腦海中。因此，它充分地釋放了人無限想象力。同時因人的生活經驗不同，因此經過個人主觀喜好聯想產生的“心形”也不盡相同，產生形態生命活力的感受自然豐富多彩。

3）同一具象形態的抽象形態的多樣性

設計者在對同一具象形態進行抽象化的過程中，由于生活經驗、抽象方式方法以及表現手法不同，因此抽象化所得形態有多種。

抽象仿生形態應用于產品開發時，在生產和銷售中有以下優點：

1）生產便捷

抽象形態的形式簡潔，這吻合了現代工業產品提倡的簡練幾何外觀的特征，因此，對生產設備并沒有特殊的要求，開發商可以方便快捷的進行生產，這為各種工業產品的仿生生產提供了無限可能。

2）產品形態多樣化

具象形態不勝枚舉，抽象后的形態更是不計其數，這為仿生的工業產品形態的多樣化提供了選擇的可能。

3）滿足不同層次的顧客

抽象形態的聯想性和想象性充分地釋放了顧客的自由想象力，人們不但可以感受到產品形態的有機、可愛、情趣、親和、運動等特點，同時因聯想和想象不同，有的想起自己可愛的小寵物，有的想起一段美好的愛情，有的想起一個老朋友，有的想起一次愉快的旅行等，正所謂仁者見仁，智者見智。顧客從不同的角度感受到仿生形態賦予產品的藝術美感和想象空間，這就更容易滿足不同層次的顧客，從而激起他們共同的購買欲望。

4)產品回歸自然

抽象仿生形態的本質特征是由內力運動變化而產生的生命活力。這種特征賦予仿生產品以生命的象征，讓產品回歸自然，建立了人、機器、自然對話的平臺，這種共生的哲學觀合理地構建人造自然和生態自然之間的和諧，增進了人類和自然的統一。仿生型家具是模仿動物、植物等生物形體制作的家具，其形象十分逼真，以寄托對大自然的依戀之情，此種家具給人以大自然的感覺。

總之，具象仿生停留在模仿生物表層，思想性和藝術性的含量相對低一些；抽象仿生集中于提煉物體的內在本質屬性，是一種特殊的心理加工活動，屬于高層次思維創造活動，它側重揭示物體的理念內涵。在現代仿生設計中，高、新、精、尖的工業產品，更適合用抽象仿生。

2、功能的仿生

人們發現，動植物的某些方面的功能，實際上遠遠超越了人類自身在此方面的科技成果。生存在自然界中的各種各樣的動植物能在各種惡劣復雜的環境中生存與運動，這是因為其運動器官和形體與惡劣復雜環境斗爭進化的結果。植物和動物在幾百萬年的自然進化中，不僅完全適應自然，而且其進化程度接近完美。今天，我們生活在科學技術飛快發展的時代，學習和利用生物系統的優異結構和奇妙的功能，已經成為技術革新和技術革命的一個新方向。許多事實說明，仿生學是發展新技術的金鑰匙。

仿生學的思想是建立在自然進化和共同進化的基礎上的。仿生學試圖在技術方面模仿動物和植物在自然中的功能。這個思想在生物學和技術之間架起了一座橋梁，并且對解決技術難題提供了幫助。通過再現生物學的原理，人類不僅找到了技術上的解決方案，而且同時該方案也完全適應了自然的需要。其目的就是分析生物過程和結構，并將此分析用于未來的設計。

在創造物質文明的過程中，人類常常將生物的某些特性運用到創造發明之中。例如科學家根據蜻蜒的飛行原理研制成功了直升飛機；根據加重的翅痣蜻蜒在高速飛行時安然無恙，人們仿效其在飛機的兩翼加上了平衡重錘，解決了因高速飛行而引起振動的棘手問題；又如根據蛙眼原理，科學家利用電子技術制成了雷達系統，能準確快速地識別目標；根據螢火蟲100%的光能轉化效率原理，人類制成的冷光源，將其發光效率提高十幾倍，大大節約了能量。再如仿昆蟲單復眼的構造特點，人類造出了大屏幕模塊化彩電和復眼照相機；仿狗鼻子嗅覺功能，人類造出了電子鼻可以檢測出極其微量的有毒氣體等等諸多令人驚嘆的創造。

盡管如此，自然界的動植物千千萬萬，其許多高超的技能與奧秘人們尚未完全掌握，但可以相信，隨著仿生技術的發展，各種仿生發明會源源不斷地被應用到人類的生活中來。

在創造物質文明過程中，工業設計師該怎樣更好利用仿生發明來創造產品呢？首先，要明確科學家或工程師與工業設計師職責的不同，前者解決物與物之間或物體本身整體與部分之間的關系；后者解決物與人之間的關系，即構建人機對話的平臺。因此，工業設計師實現產品創造的基礎是仿生技術發明的實現。這樣，工業設計師就有兩種方式來更好地利用仿生發明開發產品：

1）科學家先實現成果，工業設計師結合人類的需求轉化為仿生設計

科學家先實現了仿生發明，但由于知識結構的差異，科學家不可能對市場和人的需求有一個全面而準確的定位，就不可能成功將其成果轉化為市場所需求的產品，更不可能創造人性化的人機界面。而工業設計師正好能準確地捕捉到市場需求，結合優秀的仿生發明創造出人們所需求的產品，同時構建友好的人機對話平臺，從而創造更多有價值的產品。

2）工業設計師先提出設想，科學家擇優實現的互動仿生設計

科學家還沒有實現某種仿生發明，工業設計師通過對自然現象的細心觀察和經驗總結，結合對市場需求全面而準確的認識，提出某種產品的構想或概念。科學家擇優實現這種仿生技術，這使得工業設計師創造這種仿生產品成為可能。通過工業設計師和科學家的互動，從而創造有價值的產品。

因此，工業設計師要關注最新的仿生成果，同時也要細心的觀察自然。

3、結構和材料的仿生

隨著仿生學的深入開展，人們不但從外形、功能去模仿生物，而且從生物奇特的結構和肌理中也得到不少啟發。人們在“仿生制造”中不僅是師法大自然，而且是學習與借鑒他們自身內秉的組織方式與運行模式。有的結構精巧，用材合理，符合自然的經濟原則；有些甚至是根據某種數理法則形成的，合乎“以最少材料”構成“最大合理空間”的要求。這些為人類提供了“優良設計”的典范。

例如蜂巢由一個個排列整齊的六棱柱形小蜂房組成，每個小蜂房的底部由3個相同的菱形組成，這些結構與近代數學家精確計算出來的菱形鈍角109°28’和銳角70°32’完全相同，是最節省材料的結構，且容量大、極堅固，令許多專家贊嘆不止。人們仿其構造用各種材料制成蜂巢式夾層結構板，強度大、重量輕、不易傳導聲和熱，是建筑及制造航天飛機、宇宙飛船、人造衛星等的理想材料。

最新科學研究指出，生物體都是由少數很簡單的物質構成的，諸如糖、蛋白質和水之類。生物體的不同部分，從柔韌的皮膚到堅硬的骨骼，性能如此多樣，關鍵在于從原子排列成分子，及從分子組合成纖維,晶體等半成品，在結構上的千差萬別，就是由于結構的奇巧精致，形成了各種優越奇特的性能。

解生物體構造的這些奧秘，最直接的目的就是研制新型的“仿生材料”。研究人員模仿鮑魚殼的微觀結構，將鋁分子充滿在碳化硼分子之間，已初步研制成功新型的陶瓷材料，除了既堅硬又柔軟以外，還可以感測并適應周圍環境的變化，如果飛機機翼材料具有這種性能，那么遭到損害時能夠感知并自行修復。具有和生物機體相同彈性的材料，伸縮自如，能成功地用來制作人工動脈。

因此，工業設計師也要積極的關注仿生發明中精巧的結構和奇特的材料，并且巧妙地應用這些結構和材料，結合市場的需求創造出人們需求的產品，同時也要細心的觀察自然，提煉自然的精妙，提出更多的構想，為科學家的探索提供更多的思路，從而創造更有價值的仿生成果，為人類創造更加精美更加豐富的產品。

總之，破解生物體結構之謎，研制仿生材料的路還很漫長，目前人類只不過剛剛起步前行，但是仿生材料的應用前途無量，卻是絕無疑義的。

4、界面仿生

在現代工業產品設計中，單純地從形態、功能、結構或材料的某一個方面來仿生是很少見的，更多的是綜合形態、功能、結構和材料的多個方面來進行仿生設計，而且還從大自然的生存哲學即和諧與共生的角度進行仿生設計，諸如綠色仿生設計，可持續仿生設計等。這種既從自然界的個體表現形式，又從自然界的總體生存理念的仿生設計，與界面設計的功能性設計和情感性設計是相吻合的，因此，我把這歸結為界面仿生設計。

要理解界面仿生設計，首先要知道界面。所謂界面，即人機界面，是人與機器進行交互的操作方式，即用戶與機器互相傳遞信息的媒介，其中包括信息的輸入和輸出。好的人機界面美觀易懂、操作簡單且具有引導功能，使用戶感覺愉快、興趣增強，從而提高使用效率。

美國學者赫伯特．西蒙提出：設計是人工物的內部環境(人工物自身的物質和組織)和外部環境(人工物的工作或使用環境)的接合。所以設計是把握人工物內部環境與外部環境接合的學科，這種接合是圍繞人來進行的。“人”是設計界面的一個方面，是認識的主體和設計服務的對象，而作為對象的“物”則是設計界面的另一個方面。它是包含著對象實體、環境及信息的綜合體，就如我們看見一件產品、一棟建筑，它帶給人的不僅有使用的功能、材料的質地，也包含著對傳統思考、文化理喻、科學觀念等的認知。“任何一件作品的內容，都必須超出作品中所包含的那些個別物體的表象。”分析“物”也就分析了設計界面存在的多樣性。

因此，為了認識和分析仿生界面設計，可將其分類為：

1）功能性界面仿生

功能性設計界面接受物的功能信息，操縱與控制物，同時也包括與生產的接口，即材料運用、科學技術的應用等等。這一界面的仿生側重于功能、結構和材料的仿生，它反映著設計與人造物的協調作用。

2）情感性界面仿生

情感性設計界面即物要傳遞感受給人，取得與人的感情共鳴。這種感受的信息傳達存在著確定性與不確定性的統一。情感把握在于深入目標對象的使用者的感情，而不是個人的情感抒發。設計師“投入熱情，不投入感情”，避免個人的任何主觀臆斷與個性的自由發揮。這一界面的仿生側重于用形態、色彩、肌理等引發心理情感，體現大自然和諧與共生的精神哲學的仿生設計，它反映著設計與人的關系。

如在計算機的設計中，硬件方面人們逐漸采用多種方式與機器交互，如自然語言接口、計算機支持的協同工作、眼動跟蹤、姿勢識別、三維輸入、表情識別、聽覺界面等，進行著功能性方面的界面仿生設計；軟件方面廣大的軟件研制人員開發計算機用戶愈為迫切需要的符合“簡單、自然、友好、一致”原則的人機界面，即情感性方面的界面仿生設計。

總之，隨著計算機廣泛應用，它已經變成家喻戶曉的商品，可以任意地裝在人們的口袋里，用來幫助人們處理日常的辦公業務和生活事務，自然的人機界面與和諧的人機環境已逐步變成信息世界關心的焦點。其他產品同樣如此。因此，仿生設計使產品有更加完備的功能性界面和更加自然和諧的情感性界面，更好地滿足人的需求。

三、未來工業設計中仿生的前景

今天，我們生活在科學技術飛速發展的時代，學習和利用生物系統的優異結構和奇妙的功能，已經成為技術革新和技術革命的一個新方向。許多事實說明，仿生學是發展新技術的金鑰匙。例如研究顯示，不遠的將來一種仿生電子眼可望誕生。因為科研人員已揭開眼睛是如何看到經大腦“翻譯”的圖像。他們已發明一種稱為“細胞神經網絡”的電腦微型集成電路，據此將發明仿生“電子眼”可以用來進行類似視網膜功能的圖像處理。又如美國賓夕法尼亞大學醫療中心耳鼻喉科的醫生不久將開展“仿生耳”植入手術，讓從前失去聽力的成人重獲聽力。再如科研人員以猴子作為人的替身，正在研究人大腦的思維與記憶的生理活動。他們設想，如果仿照人的神經系統，把它運用到電子計算機上去，就有可能誕生具有高級神經活動的生物計算機，那就是仿生學劃時代的貢獻。所有這些都預示著仿生科技前途似錦，而且仿生科技的探索永無止境。

另一方面，神奇的大自然向人類展示著精妙絕倫的生命形態和絢麗多彩的悅人色彩，同時，大自然還無聲地闡釋了自然界的生存哲學——和諧與共生。這種和諧的設計哲學呼吁人類社會與大自然之間的高度和諧統一；共生的設計哲學則呼吁著人與機器、生態自然與人造自然之間建立合理的建構，搭建人與自然、機器共生的對話平臺。

總結

綜上所述，運用仿生性思維進行設計，不僅創造功能完備、結構精巧、用材合理、美妙絕倫的產品，而且賦予產品以生命的象征，讓設計回歸自然，增進人類與自然統一。因此，工業設計師要學會師法自然的仿生性設計思維，創造人、自然、機器和諧共生的對話平臺。

參考文獻：

〔01〕《視覺和仿生學》倪海曙主編知識出版社1985

〔02〕《仿生學縱橫談》邵海忠編著江西人民出版社1981

〔03〕《世界現代設計史》王受之編著中國青年出版社2002

〔04〕《系統設計》陳汗青主編武漢理工大教材中心2001

〔06〕《工業設計方法學》簡昭全主編北京理工大學出版社2000