DNA双螺旋结构的曲线形态与仿生设计分析

陈晓燕

摘 要：本论文首先从DNA基因结构符合形式美法则入手，将该结构融入仿生造型设计，并对曲线结构与现代设计的关联性进行了分析，以期将微观结构与仿生造型设计有效的结合。

关键词：DNA;曲线;仿生设计

随着生物学的不断深入，作为所有自然生物形态的基础结构——DNA基因结构，越来越受到人们的关注，如何运用DNA结构形态来创造设计，改良生活，是人们追本溯源，回归自然的梦想。

1 DNA基因结构的形式美

1.1 比例

在设计中，图形比例是部分与部分或部分与全体之间的数量关系。古希腊发现的黄金分割比1：1.618，是世界公认的产生协调美感的基准，也是形式美法则的重要内容。美的比例是平面设计中一切视觉单位的大小，以及各单位间编排组合的重要因素。

DNA是基因的载体，也是生物最初的形态之一。人类以及很多生命的奥妙都来源于DNA的神秘代码。人们印象中的DNA或许只是盘延上升的螺旋、各种不同的拓扑异构态等，但DNA双螺旋结构富于数学之美，更符合平面设计的形式美法则，最有趣的是DNA基因链的比例还包含着“黄金分割比”，这或许是很多人所不知道的。因为DNA的每个双螺旋结构中都是由长 34个埃与宽21个埃之比组成的，当然34和21是斐波那契系列中的数字，它们的比率为1.6190476，非常接近黄金分割的1.6180339。

1.2 和谐与对称

对称的形态往往会给人以和谐的感觉，这是一个自然的规律。而一对DNA基因恰好具有反向的对称性。DNA的复制是按照基因配对原则来进行的，利用细胞中游离的四种脱氧核苷酸为原料A（腺嘌呤）T（胸腺嘧啶）G（鸟嘌呤）C（胞嘧啶），各自合成与母链互补的一段子链，随着母链解旋过程得进行，新合成得子链延伸，同时与每条配对得母链绕成双螺旋结构。[3]例如：

某一段母链基因为：ATGCATGA

则合成的子链为：TACGTACT

图1 DNA双螺旋结构图

这样的对称形态称为反转对称，虽同形、同量，但方向相反，例如中国的太极八卦，对称均衡的形态两相逆转，均衡互移产生的图形，这种对称对比强烈，有静中含动之势，富有张力，完美的将人的审美心理与DNA基因结构规律统一，无论从生物学，还是美学角度，这都是一种美态法则。

1.3 节奏与韵律

节奏在设计中是指以基本型要素连续重复时产生的运动感。然而基本型的单元组合重复比较单调，因此，我们将基本型进行有规则的数比、等比处理排列，使之产生音符般的旋律感，称为韵律。

仔细观察我们会发现，DNA基因结构随着对称基本型组合以不断连续的方式向上下或左右重复延伸时，变化的结构连贯而有序。基因结构产生的节奏和韵律的构成好像一股蓬勃向上的动力，在时空中汇聚能量，穿针引线。

因此，DNA结构可以说是生物最初的美好事物之一，作为工业设计人，应尊重并懂得如何运用DNA结构来创造更加美好的生活。

2 仿生设计与DNA曲线美学形态的结合

2.1 科技发展对微观形态设计的影响

随着生物科学技术的迅猛发展，数学和科技提供了精密的方法论，物理学家在不断探究物质微观结构的同时，还欲竭力揭示宇宙起源的奥秘，人们对生物形态的认识也逐步由宏观发展到微观，这也引起了设计师们的强烈好奇心。

加之设计行业与一些相关边缘学科的相互渗透，又紧密关联，设计师们逐渐学会将各学科综合开发利用，使得设计视野、思维能力、想象力和创造力有了广阔的发展空间，设计灵感角度也从大到宇宙范围的无限领域，小到和人类活动密不可分的微观世界领域。

2.2 DNA基因结构的曲线美学形态特征

曲线形态已逐渐成为现代设计的时尚潮流。DNA作为最神秘的基因结构，最显著的特点就是呈现一种曲线之态，富于变化，符合人们对曲线美的向往，无疑受到了设计师们的追捧。DNA的曲线美随之被设计师的各类创新型作品展现得淋漓尽致，曲线形态的特色与各行业相结合，以达到独特的视觉冲击力。它的神秘与另类科技之美也逐渐被大众接受。

解构主义大师哈迪德曾经说过“没有曲线就没有未来”。曲线是具有动态和感染力的形态要素，也是充满人性化的视觉元素，曲线造型可以为产品带入灵性，同时也是高科技设计的表象。DNA的分子结构呈现的曲线结构恰恰是生物最初的最美形态。

德国著名设计师科拉尼说：“世界任何东西都是以曲线形态存在的，无论从本质上还是表象来看，都没有直线形态的物体。”曲线的魅力在于它奔放自由，变化万千，具有极强的张力，对人的心理起到一种延续作用。直线型为主的造型刚直、严谨，久之容易形成单板的感受，而多变的曲线柔和、亲切、优雅的美态，能控制人的视线在曲线上做视觉来回的行程，刺激视觉兴奋，产生快感，使产品与人与环境更和谐统一的关系。

一切生物都有着极为精到的功能结构与形态关系法则，这是我们进行物质创造最广阔而丰厚的知识源泉。柯拉尼创立的“生命设计”，结合在DNA基因结构形态放生设计上，也能准确的传达对微观形态的设计才是符合生物结构规律的，设计师必须具有来自生物世界的丰富知识和设计世界特有的洞察力，才能成为优秀的“生命设计”者。

例如，2010年完工的新加坡双螺旋桥就是设计师受DNA结构的启发，将生命与延续、更新与成长作为该桥的设计创意，采用不锈钢钢管建造的两条螺旋曲线相互缠绕，它的双螺旋结构让整座大桥使用的钢材只有传统箱梁桥的1/5;为突出它的DNA双螺旋结构，桥体上还运用了LED照明系统，桥上还装有带颜色的字母灯：“C”，“G”，“A”和“T”，分别代表DNA的胞核嘧啶，鸟嘌呤，腺嘌呤和胸腺嘧啶，毫无疑问，它成为了新加坡的又一地标性建筑。

2.3 DNA基因结构的曲线形态设计的可行性

DNA结构的曲线形态具有感性因素，但要实现曲线的设计又必须依托飞速发展的电子技术为基础。目前，计算机辅助设计和辅助制造（CAD）、（CAM）已经足以使复杂的曲线形成的曲面成为现实。

随着机电技术的进步，大规模集成电路的使用，使产品结构逐渐精密，例如笔记本电脑的体积的日益缩小，功能却逐渐强大，电子产品逐步向小型化、微型化、智能化发展。

新型材料的不断诞生，曲线形态的造型在计算机辅助软件和数控成型技术支持下，更容易实现。

2.4 流线型设计和现代曲线形态设计的区别

流线型设计的成因是飞机诞生时，为了减少飞机机身对空气的阻力，而运用流线型对其机体内部结构进行的简陋的掩饰和包装;它的实现目的主要是在机械工业支持下减少空气阻力，追求质感和速度。

而现代曲线形态设计的成因是数字化时代的消费者对人性化设计的追求更坚定，他们需要的是多变而富有趣味的产品;它实现的目的主要是在高新科技支持下，生产精细化的数字产品和其他高科技产品。

设计师在选择曲线形态时，微观科学的象征图形DNA基因结构就成为了重要的仿生形态之一。因为DNA基因结构的曲线形态，不仅是生命的起源，同时具有生命力和感召力的形态要素，作为一种充满人性化的视觉“语言”，为产品设计注入灵性，使得现代设计文化与自然形态和谐共存。例如DNA造型结构在家具、灯具、公共设施等方面都曾经被巧妙运用。

然而截止目前，对于DNA结构在仿生设计中的运用几乎还局限于对其结构的有限模仿，仅仅创造出了形态美的结构，对于其功能、结构的仿生还很少，这说明人们对于微观结构的仿生设计还探究得比较浅。

有报道称加州大学Santa Barbara分校的科学家通过基因工程和分子进化对一种半导体进行了酶合成，研究人员通过建立含有各种硅蛋白遗传物质组合的硅蛋白基因池，生成了大批硅蛋白，并能从中筛选所需性能。相信在不久的将来，我们可以借助科学家的帮助，了解更多的DNA奥秘，创造出更多的符合DNA基因结构美学的形态、功能、结构仿生设计，为人们生活和工作所用。

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