生物結構仿生鞋類設計理念研究

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摘要:從外觀和功能2方面入手，結合設計學、仿生學、生物學及運動工程學等知識，在對具體實例的分析中，系統(tǒng)地總結了生物結構應用在仿生鞋類設計上的設計理念，即多元化設計與形式美法則的結合，以及專業(yè)化設計與人機工程學的結合，并從動態(tài)性、生命性、平衡性和環(huán)保性等角度出發(fā)，對其在鞋類設計上的應用前景進行了展望。通過探索生物結構的奇巧精致，由表及里，為鞋類設計找到一種新方法和新原理，并以生物學理念為指導，使鞋類設計與自然達到高度的和諧統(tǒng)一。

關鍵詞:仿生設計;生物結構;鞋類設計;外觀;功能

隨著鞋類設計的發(fā)展和設計理念的進步，越來越多的設計師不僅僅滿足于外觀仿生，而是把眼光轉(zhuǎn)向生物內(nèi)部，尋求更深更內(nèi)在層次的發(fā)展，通過探索生物細胞、組織、器官等的形態(tài)、色彩、肌理、結構和功能，把它們應用于鞋類設計當中，為鞋子的觀感和功能邏輯創(chuàng)造了新的可能。生物結構是自然選擇與進化的重要內(nèi)容，是決定生命形式與種類的因素，具有鮮明的生命特征和意義［1］。仿生設計可分為:仿生藝術造型設計和仿生工程設計［2］。仿生藝術造型設計以表現(xiàn)鞋子的造型美為目的，仿生工程設計的主要目的則是開發(fā)鞋子的功能。從造型設計角度看，生物結構仿生鞋類設計的理念應為多元化設計與形式美法則的結合;從功能角度講，則應是專業(yè)化設計與人機工程學的結合。

1多元化設計與形式美法則的結合

生物物種、遺傳、生物系統(tǒng)有一個很重要的特性，那就是多樣性。從鞋類設計來講，不管是從設計取材、設計手法還是實現(xiàn)工藝等角度來看，都是朝著豐富多元的方向發(fā)展。

1.1設計取材多元化

生物結構鞋類仿生設計取材可來自于任何一種生物的任何一種結構，設計角度也不僅僅是這些結構的外形，也可以是各種功能機制。植物體的組織與功能、能量與物質(zhì)轉(zhuǎn)化、遺傳、復制、發(fā)育、調(diào)控、修復、代償、環(huán)境適應機制等，都是鞋類設計和技術創(chuàng)新取之不竭的知識寶庫。鞋類設計的取材可以來源于植物的肌理結構、疏水防粘結構、動力結構等，如葉脈交叉網(wǎng)狀的支撐組織肌理，可用于鞋后跟的支撐結構，竹葉的疏水性防粘性肌理，可以用作防水、防粘功能鞋的表面肌理或涂層等。植物可以感知外界環(huán)境發(fā)生感應運動，周期性運動如花的開閉運動、葉的氣孔運動等，通過研究這些運動的機理，也許可以制造出可以隨外界氣流和溫度變化而開合的鞋面或大底材料，使得鞋子有一種感應活動的智能性，透氣性和散熱性可以得到很好的提升。

1.2設計手法多元化

多樣的設計手法，比如概括法、夸張法等，可以使生物結構鞋類仿生設計展現(xiàn)出十分豐富多變的設計效果，對仿生原型進行升華和藝術性加工，結合鞋的構造特點，將會設計出很多極富創(chuàng)新性又符合鞋子結構特點的鞋款。生物機體的完整性以及機體各部分之間相互聯(lián)系的統(tǒng)一性，是構成美的形態(tài)特征之一［3］。因此，在設計過程中，也應遵循這種“完整性”和“統(tǒng)一性”。不能為了仿生去刻意拼湊和嫁接，在幫部件和跟底部件的設計中，盡量將仿生特征巧妙的融合起來，呈現(xiàn)出具有完整性和統(tǒng)一性的作品。

1.3實現(xiàn)方式多元化

從外觀上來講，如何實現(xiàn)仿生鞋類設計的某種形態(tài)、肌理或結構?一方面可以利用傳統(tǒng)工藝，例如，赫氏圓石藻是一種包覆著獨特碳酸鈣盤狀外殼的單細胞海洋浮游植物，它們的外殼像是鑲著花邊的棋子，精致美麗，可以用編織手法來實現(xiàn)這種圓環(huán)周圍鑲邊的形態(tài)。

1.4仿生設計與形式美法則

在設計靈感的捕捉多元化的同時，設計師應在材質(zhì)肌理、幫部件造型、大底造型及配色方面，盡可能合理運用變化與統(tǒng)一、對稱與均衡、對比與調(diào)和、節(jié)奏與韻律等形式美構成法則，以使仿生鞋達到形式與內(nèi)容的高度統(tǒng)一。例如在確定某種仿生花紋在鞋面或大底上的比例時，應考慮使用黃金比例，給人美的感受;再比如在模仿有機形態(tài)時，應注重主次輕重、韻律起伏等。

2專業(yè)化設計與人機工程學的結合

生物界在進化的自然選擇中，整體功能漸趨完美，自然界生物高效低耗，其機體完整的保障系統(tǒng)使自身的結構和功能變得科學、合理、經(jīng)濟、高效，是人類設計創(chuàng)新的原型［4］。把生物結構的工程學原理及功能邏輯運用在鞋類設計中，可以設計出更加符合人體需求的產(chǎn)品。同時，鞋子的功用越來越專業(yè)化、功能化，根據(jù)穿著環(huán)境、場合的需要，鞋應具備某種特定的功能，而實現(xiàn)這種功能的最大效能，正是鞋類仿生設計的目標之一。

2.1符合特定功能的專業(yè)化仿生設計

專業(yè)化功能設計主要體現(xiàn)在運動鞋和功能鞋上，隨著現(xiàn)代競技體育、戶外體育等的細分，不同的項目和場合分別需要配備相應功能的鞋子。例如，登山鞋的大底需要有超耐磨性能及卓越的抓地防滑性，這點可以借鑒山地上擅長爬山的動物，比如山羊。山羊有著驚人的攀爬能力，在險峻的山峰上比猴子還靈活。山羊能攀巖的原因主要有以下3點:(1)山羊的腳趾非常奇特，趾與趾之間的縫隙寬度超過其他任何分蹄動物，適合插進巖壁縫隙;(2)山羊蹄子上長有一層堅固的外壁，可以抓住陡峭山石;(3)山羊蹄內(nèi)部結構柔軟而富有彈性，在身體前傾時可充當一個“緩沖制動器”。受此啟發(fā)，可以模仿山羊蹄，在登山鞋的外緣增加一圈堅固的凸起，以抓住山石，并在大底上增加柔軟的內(nèi)墊，產(chǎn)生足夠彈性，使身體前傾時不會滑倒，甚至可以模仿山羊的分蹄結構，將鞋頭分開，使攀爬時腳可以插進巖壁縫隙。

2.2仿生鞋類設計和人機工程學的結合

現(xiàn)代化鞋類設計更加注重與人機工程學的結合，仿生鞋類設計也不例外。楦型和幫面設計多注重舒適性、抱腳性、防扭傷性等，大底的設計上則更多的關注穩(wěn)定性、防滑性、耐磨性及為穿著者提供運動助能的效用［5］。彪馬品牌2013年推出的MobiumElite跑鞋引入了一整套“動態(tài)適足科技”，其中最讓人眼前一亮的設計就是MobiumBand彈力繩，它模仿人腳肌腱的工作原理，當鞋底受到壓力時，大底就會在彈力帶的壓力下，先擴張再收縮，先擴張產(chǎn)生更好的緩沖效果，緊隨其后的收縮就產(chǎn)生反饋的動力，給穿著者下一步的助力。因此，仿生設計與人機工程學的緊密結合，可以使專業(yè)化鞋設計的功能性實現(xiàn)質(zhì)的飛躍，上升到一個全新的位置。

3生物結構仿生鞋類設計方向展望

3.1動態(tài)性和變化性

3.1.1動態(tài)性

基于生物的設計，離不開其力學美和動態(tài)美，每種生物最精巧玄妙之處，在于其能動機理、力與動態(tài)的完美結合。鞋子，也不應僅僅只是具有某種功效的“盒子”，更是一個生命的有機體，其本身也可以具備可動性。例如，基于鳥類原型的仿生童鞋，可以在其幫面上設計翅膀和某種牽引裝置，使得兒童在行走時，羽翅可以跟隨腳的運動而擺動，增加趣味性和互動性。另外在特殊的場合，如秀場、舞臺等，可以讓模特或者舞者穿上類似的鞋，以增加舞臺效果、話題性和情趣性。3.1.2變化性此外，還可以從生命的變化過程進行仿生。基于這種變化過程的啟發(fā)，可以使鞋子在不同的時間段內(nèi)產(chǎn)生某種變化，包括顏色、面料、用途等方面的變化。例如，受蛇蛻皮的啟發(fā)，可以設計出一系列可以逐層剝棄的鞋子，這種鞋的面料由多層天然纖維織物構成，彼此之間用可溶于水的高分子聚合膠粘連，噴上水之后，鞋的最外層便能輕松剝離，而被剝離出來的局部，可以作為新的配件繼續(xù)使用，更深層次的體現(xiàn)了仿生理念。

3.2生命性和融合性

3.2.1生命性

仿生設計的最高境界就是使產(chǎn)品具備生物活性，即具備生化基礎，使產(chǎn)品自身擁有應激能力、新陳代謝能力等。在未來10a，生物與科技的融合將會是最前沿的領域之一，在鞋業(yè)界也是如此。設計者ShameesAden和MartinHanczyc已發(fā)明出一種由3D印刷技術和有機組織生成的運動鞋原型，它可以根據(jù)腳部壓力進行膨脹和收縮，是一個具有適應與再生能力的組織，因此穿起來就像一只腳一樣。但是，這種原型目前也只能保存在保護液中。也許在未來，技術的發(fā)展可以使這種組織走出實驗室，真正走進生活，那么鞋子這種產(chǎn)品就不僅僅是工業(yè)產(chǎn)物，而真正成為了人類身體的一部分。這里所說的“生命性”，不僅是指真正意義上的生命，還可以是看似具有生命一般的“智能性”。如可以模擬某種鱗片結構，在鞋內(nèi)設置氣溫、濕度感應裝置，使得溫、濕度高至某臨界點時，鱗片就像具備生命一般自動張開，排出氣流和水汽，溫、濕度下降到一定程度時，鱗片又會自動閉合，實現(xiàn)保溫作用。

3.2.2融合性

鞋一旦具有了生物活性，便能更好的和腳融為一體，適應腳的形態(tài)和運動，真正意義上達到了“裸足”的效果。人腳的組成除了骨骼就是肌肉，試想，能否用一種類似于肌肉的材料去制鞋，使得鞋成為腿部腳部具有生命機能的一部分?這種人工肌肉由碳纖維束制成，質(zhì)量超級輕，牢固程度堪比鋼鐵，用它來制作鞋子，可以使鞋成為腳部肌肉的一部分，具有真正的動力特性和生命機能。這里的“融合性”還體現(xiàn)在:鞋的各個部分，鞋面、鞋跟、鞋底的界限會越來越模糊，有機的融為一體，生物恰好為人們提供了很多綜合交織的范例，使得鞋的各個結構和功能成為一個綜合的整體。

3.3平衡性和高效性

3.3.1平衡性

不管是樹枝的平衡性生長，還是恒溫動物保持恒溫的機理，或是生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡等，處處都體現(xiàn)著生物結構和生物系統(tǒng)的平衡性。鞋的穩(wěn)定性和緩沖性是一對互相矛盾的性能，好的鞋子和氣墊應該兼?zhèn)湮鹦Ч湍芰炕貧w效果，而生物在漫長進化史中所具備的功能，使得它們的功能結構具有很好的平衡性。因此，可以參考善奔跑的林地動物，例如貓科動物的足底和腿部性能，是什么樣的結構和機制使得它們同時具備良好的緩沖性和穩(wěn)定性，搞清楚這點，或許就得到了平衡這兩者的好辦法。鞋面材料如果過于柔軟，往往不具備很好的保護性能，如果過硬，則易磨腳、易疲勞。如何平衡保護性能和柔軟度這兩者的關系，可以借鑒鱗甲類動物表皮的機理，其鱗片結構往往既具有很好的靈活性，又具有很好的防沖擊性能。可以用硬度較佳的材料，以鱗片形式排布于鞋面，這樣就使得鞋子兼?zhèn)浜芎玫谋Ｗo性和柔韌性。因此，要平衡鞋的各個生物力學性能之間的關系，可以多從仿生設計入手，從生物身上取經(jīng)，將會獲得很大的啟發(fā)和裨益。

3.3.2高效性

在“物競天擇，適者生存”的自然法則中，生物體結構往往符合“以最少材料”構成“最大合理空間”的要求，為人們提供了“優(yōu)良設計”的典范。因此在仿生設計的時候，要去尋找和探索其最高效的結構。黃金分割比例眾所周知，其實還有一個被稱為黃金角的數(shù)值137.5°，植物的莖葉和果實幾乎都是按照137.5°的模式排列的，這樣植物的莖葉和果實就可以占有最大的空間，最有利于植物的生長。這便是生物結構的“高效性”。因此，在設計鞋的大底花紋或者防滑系統(tǒng)的時候，不妨試試137.5°這個黃金角，或許在某種花紋的黃金角度下，鞋的防滑性和抓地力是最好的。“高效”是人類應該從生物身上所學到的理念，尋求高效的仿生功能，對于提高鞋功能研發(fā)效率和推動鞋業(yè)發(fā)展，有著很好的作用。

3.4環(huán)保性和可持續(xù)性

仿生設計最終極的追求是認清生命本質(zhì)，在向自然的學習與追問中，尋找解決客觀問題的最高效低耗的方法。以染料為例，現(xiàn)今鞋用染料絕大多數(shù)是用化學染料和助劑染色，它們直接或間接地對環(huán)境造成污染，那么能否運用一種其本身結構就能通過物理作用顯現(xiàn)色彩的結構生色纖維?可以借鑒南美洲藍閃蝶翅膀鱗片的多層立體柵欄式結構，通過反射、折射、繞射等作用，顯現(xiàn)美麗的色彩(見圖8)。所以，在仿生鞋類設計原材料的選取上，應多從生物體結構入手，來研發(fā)新型環(huán)保材料，多選用天然的、可再生、可降解的材料，同時應加大仿生技術創(chuàng)新，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，實現(xiàn)綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展。

4結束語

在生物結構仿生服裝設計已經(jīng)相當普遍和成熟的時候，鞋尤其是非運動功能鞋的仿生設計，并未深入到一定層次。基于生物結構的仿生鞋類設計，正是由表及里、由淺入深，從生物學出發(fā)，探索生物內(nèi)在結構的奇巧以及生命本質(zhì)的奧秘，從形態(tài)、結構、功能等方面展開設計，為鞋類設計提供一種新原理、新方法和新途徑，豐富了鞋的潮流風范和文化內(nèi)涵，并通過探索腳－鞋－環(huán)境三者間的平衡，從最深層次的生命與自然的和諧關系中，找到仿生設計的本質(zhì)追求，以自生、再生、競生和共生為理念，在為人類帶來功能完備、結構精巧、用材合理、外觀美妙的鞋子的同時，使鞋類設計生產(chǎn)與自然達到高度的和諧統(tǒng)一。

作者:杜昭 姚云鶴 單位:四川大學皮革化學與工程教育部重點實驗室 四川大學制革清潔技術國家工程實驗室

參考文獻:

［1］嚴丹.設計思考———產(chǎn)品設計創(chuàng)新能力開發(fā)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［2］崔榮榮，唐虹，盧陽.服飾設計與仿生學［J］.南通工學院學報(社會科學版)，2003(1):60－62.

［3］徐恒醇.設計美學［M］.北京:清華大學出版社，2006.

［4］李昕，潛鐵宇.和諧與共生———產(chǎn)品仿生設計的生物學原理［C］.2007國際工業(yè)設計研討會暨第12屆全國工業(yè)設計學術年會，南昌，2007.

［5］韓建林.淺析現(xiàn)代競技運動鞋創(chuàng)新設計理念［J］.中國皮革，2012，41(6):166－167.