仿生理念在設計創(chuàng)新中的應用-科技論文

早期仿生學的應用，主要體現(xiàn)在對生物形態(tài)和功能的模仿。據(jù)《杜陽雜編》記載，唐朝有個韓志和，“善雕木作鸞、鶴、鴉、鵲之狀，飲啄動靜與真無異，以關戾置于腹內，發(fā)之則凌云奮飛，可高達三丈至一二百步外，始卻下。”]這也說明我國古代勞動人民對飛鳥的飛行動作和姿態(tài)，進行了細致的觀察和研究，同時這也是最早的仿生設計活動之一。進入近現(xiàn)代，人們對飛行器的仿生進行了更加深入的研究。十九世紀初期，英國空氣動力學的奠基人之一凱利，在研究了山鷸（圖1）的身體紡錘形態(tài)后，得出了一種阻力更小的流線型結構，同時其根據(jù)鳥類翅膀外形，設計出一種流線型的機翼斷面曲線，對早期航空技術的誕生做出了巨大的貢獻。
進入20世紀，仿生學概念大規(guī)模的出現(xiàn)在了結構，材料，航空航海等領域的研究中。例如，在1936年，英國動物學家JamesGray通過對海豚游速，肌肉，皮膚構造等方面的研究，發(fā)現(xiàn)海豚之所以能在海洋中快速巡游，靈活轉彎，不僅得益于其仿梭狀的流線型體型，更重要的是他的彈性皮膚的特殊構造，這種特殊構造可以在海豚巡游時產生一層“自適應表面”，可有效防止湍流或紊流的產生，幫助海豚降低游動時的阻力[1]。蘇聯(lián)也在20世紀60年代，重點研究了水生動物（如海豚）皮膚形態(tài)，為艦艇設計提供了一條新的仿生思路[2]。燈泡最早出現(xiàn)于19世紀初，早期的燈泡是由電池和各種發(fā)光材料（鉑絲，碳棒，碳絲）構成的，但是在人們使用的過程中，能量中只有很小的一部分轉變成為光，其余大部分的都以熱能的形式浪費掉，而且在一些極端環(huán)境下，傳統(tǒng)的照明光源會帶來極大的危險，例如礦井，排爆現(xiàn)場。科學家發(fā)現(xiàn)自然界中許多發(fā)光生物，如細菌、真菌、蠕蟲、軟體動物、甲殼動物、昆蟲和魚類等，發(fā)光但不產生熱，所以這種光被稱為“生物冷光”（圖2）。通過研究后，科學家利用某些化學方法得到了類似于生物光的冷光，解決了極端環(huán)境下照明的難題。
2.設計元素中的仿生理念
仿生設計學，是基于傳統(tǒng)仿生學和設計學基礎之上新興的一門學科，其主要服務于設計創(chuàng)意，主要研究能夠給設計活動帶來重要啟示或實際意義的生物體，以生物體的“形”、“結構”、“功能”、“行為方式”等為主要研究對象，提取出能夠指導設計活動的元素來進行創(chuàng)新設計。目前，主要設計類型中，如工業(yè)設計，建筑設計，服裝設計中都有仿生元素的體現(xiàn)。
2.1形態(tài)和結構中的仿生
建筑的形態(tài)和結構往往是千變萬化的，如何能夠有機組織各種形態(tài)、結構、功能成為一種綜合的整體，自然界中生物已經給了我們很多啟示與范例。建筑中的形態(tài)仿生是最為常見的，這種設計創(chuàng)新手法不僅僅體現(xiàn)在對建筑造型的創(chuàng)新，更可以借助造型創(chuàng)造出新的結構體系或者反映特殊的文化寓意。西班牙近代建筑大師安東尼奧·高迪(AntonioGaudiiCornet，1852一1926)，在其眾多代表作中，包括米拉公寓，古埃爾公園，圣家族大教堂，都有明顯生物流線型有機形態(tài)。如位于巴塞羅那的米拉公寓，基本造型就是提取了海洋波浪的形態(tài)，同時在一些建筑細節(jié)中，例如陽臺的護欄（圖3）就模仿了海藻的蜿蜒變化形態(tài)，使得整體建筑富有海洋般的動感，充分體現(xiàn)了地中海氣候下,巴塞羅那這座海濱城市獨特的浪漫氣息。
建筑中的有機形態(tài)并不是意味著要犧牲合理的結構，相反，只要運用得當，仿生的有機形態(tài)與合理的結構是互利共生的。紐約環(huán)球航空公司航站樓不僅是外形仿生的著名作品，而且埃羅﹒薩里寧還和威廉﹒加德納（WilliamGardner）在結構上建造四瓣組合式薄殼，中間有縫隙采光，四瓣薄殼則由下部的Y形柱支撐，這與人的頭蓋骨的拼合極為相似。航站樓應用這種結構不僅解決了自由曲線造型的難點，而且在結構與形式上又能達到有機的融合。
2.2肌理與質感中的仿生
20世紀，科學家通過對海洋生物（海豚和鯊魚）的表皮進行研究，來探索他們能夠在復雜的海洋環(huán)境中自由快速游動的原因。1960年，科學家克萊默（Kramer）通過研究，提出假設:由于海豚皮膚的自適應性,水流可穩(wěn)定流過海豚表面,使發(fā)生紊流的轉折點推后,從而減少了海水在海豚表面的粘附阻力.[4]同樣是以減小阻力為目標，國內外的研究機構對鯊魚進行了一系列研究探索。研究表明，“鯊魚皮效應”可以帶來完美的減阻效應，其優(yōu)異的減阻原理在于其表皮的三維互鎖式盾甲鱗溝槽（即V型肋條結構）(圖4)，美國宇航局也將這種皮膚肌理結構應用于飛行器和船舶的表面，獲得了良好的減阻效果。他們在NACA飛機的表面貼上V型溝槽膜后，阻力減小了6.6%.[5]同時，美國宇航局的這項減阻技術，應用在了泳衣制造商SPEEDO研發(fā)的革命性泳衣產品“鯊魚皮”（圖5）的研發(fā)中，這種FASTSKIN泳衣充分運用了仿生學的原理和技術并在21世紀初的幾屆運動會中創(chuàng)造了奇跡，盡管如今，國際泳聯(lián)甚至禁止運動員再使用鯊魚皮泳衣，因為其擁有較高科技含量，違背了奧運不借助外力的本質。但是對水生動物防阻能力的研究，還在不斷的影響著人類的生活方式。
水生動物普遍具有非光滑表面，能夠保證其在運動時的減阻要求，同樣陸地動物中，也有非常好的抗粘減阻的例子，在松散的土壤環(huán)境中，汽車的輪胎和坦克的履帶就會粘附大量的土壤，降低了工作效率，造成了不必要的能耗。但是蜣螂?yún)s可以在同樣的環(huán)境中來去自如，蜣螂(DungBeetle)，鞘翅目蜣螂科，其周身分布凹坑型非光滑表面（圖6），在凹坑產生有氣，無土和無水的區(qū)域，會限制潮濕土壤的粘附，這樣就可以保證蜣螂在松散的土壤中行動而不粘附，這大大的提高了其工作效率。
2.3功能和意象中的仿生
現(xiàn)代科技中的雷達技術，大大的提高了夜間或可視化程度較低環(huán)境下，飛行器的安全行駛難題，這也得益于蝙蝠帶給我們的啟示，蝙蝠之所以能夠在黑暗環(huán)境中自如的飛行，是因為其探路依靠的不是眼睛，而是嘴和耳朵，在飛行過程中，蝙蝠快速有力的收縮咽喉肌，從而產生超聲波，這種超聲波大多頻率在20000赫茲以上，并且以蝙蝠的嘴或鼻子（取決于發(fā)聲點）為中心點，形成一個層層環(huán)繞的圓環(huán)形，當聲波遇到阻擋后就會返回，傳回到蝙蝠巨大的耳廓中，內耳和大腦再將聲波轉換成信號，從而讓蝙蝠知道前方阻礙物的大小，形狀，遠近等信息，所以，蝙蝠可以在完全黑暗的環(huán)境中來去自如。科學家也根據(jù)蝙蝠可以隨時根據(jù)目標調整修改脈沖參數(shù)和方向的特點，有效的提高了雷達的靈敏度。
在古代中國，“蝙蝠”也是我國傳統(tǒng)民俗文化吉祥如意的意象代表之一，廣泛的應用于建筑裝飾，刺繡藝術，家具造型和紋飾中，通過“蝠”，“福”諧音之借，蝙蝠圖樣逐漸成為一種約定俗成的吉祥意象，如常見的五福捧壽（圖7），五只蝙蝠圍繞在團型壽字紋周圍，呈現(xiàn)出一種眾星捧月之勢，它們又分別代表五種“?！保▔?、富、康寧、攸好德、考終命）。[7]這也正是借由“蝙蝠”這個客體的“象”來表達人們追求的，一種主體上對“福”的“意”，并最終讓人們存留于意識當中，只要看到蝙蝠這種圖像符碼就會自然而然的聯(lián)想起吉祥如意的彩頭。自然界的優(yōu)勝劣汰，造就了不同生物體不同的特點和優(yōu)勢，無論從宏觀視角還是微觀角度研究這些特點和優(yōu)勢，都會給人類設計的發(fā)展帶來了無限的靈感，仿生設計也作為一門新興的邊緣學科，向著一條多學科交叉，智能化，微觀化的方向在不斷發(fā)展。只有不斷加強多學科協(xié)作，建立完善的研究和觀察體系，才能讓設計在仿生的世界中走的更遠。
參考文獻
[1]梁建宏，王田苗，魏宏興，仿生機器魚技術研究進展及關鍵問題探討，《機器人技術與應用》，2003.
[2]岑海堂,汪蘇,陳五一，結構仿生新發(fā)展，《機械設計》，2003.
[3]劉先覺，仿生建筑的新趨向，《世界建筑》，1996
[4]李光吉,蒲俠,雷朝媛,蘇炳煌,魯毅，具有非光滑表面的仿生減阻材料的研究簡介，《材料研究與應用》，2008
[5]LEESJ,JANYG.ControlofflowaroundaNACA0012airfoilwithamicro-riblet
film[J].JFluidsandStructures,2005,20(5):659-672.
[6]RenLQ,TongJ,LiJQ,etal.Soiladhesionandbiomimetcsofsoil-engaging
components:Areview.JAgricultureEngineering,2001,79(3):239)263
[7]陳佳君，論北京恭王府之蝙蝠意象，《畢節(jié)學院學報》，2009
*本文為教育部人文社科項目：“設計社會學：我國社會轉型時期的工業(yè)設計研究”，項目編號：10YJC760021