工业产品形态仿生设计定性及定量技术的研究与应用

王天星　陈琳

摘 要：目前，国内外基于产品形态的仿生设计的研究内容较少，基本都是基于仿生结构和肌理的研究，大多数形态仿生产品都是设计师根据其直觉进行的，定性而不是定量的对产品形态进行仿生。为了有效地进行形态仿生设计，运用计算机相关原理，对产品形态仿生设计的关键技术进行研究是必须解决的问题。产品仿生设计更应关注“度”的把握，也就是希望对产品形态进行有效的数字化。

关键词：形态仿生；定性；定量

1 工业产品形态仿生设计的意义

随着社会经济和科技的不断进步，很多生产工业产品的企业为了使自己开发的产品在市场竞争中立于不败之地，会在产品功能上做大量的研究与开发工作，使得许多工业产品在功能上有了突飞猛进的发展。但随着人们生活水平的不断提高，在使用产品的过程中，为了满足精神上的审美需求，除了功能，对产品造型也提出了更高的要求。为了使产品有更好的市场竞争力，工业产品的设计就必须解决形态设计的问题。

但如果按照传统的设计思维去开发新产品的形态，就很难在众多的同类产品形态中脱颖而出。因此，必须寻找新的突破点。从社会发展的角度来看，现如今的消费者越来越重视环保，重视人与自然的和谐发展，而自然界的所有生物都是经历了长期的进化过程的结果，从形态上来讲，是在周围环境不断变化的情况下进行不断适应的产物，即人与自然和谐发展的产物。因此，利用形态仿生的设计思维和设计方法，对工业产品的形态进行改良和创新成了一种很好的选择。在对生活品质不断提出更高要求的今天，如果将自然物的形態元素融入产品形态中，就会形成强烈的视觉冲击力，在同类产品中显示出其在造型上的优势。

但是，在前期对大量文献资料进行了查阅后发现，相关产品形态仿生设计的文章不少，但多只是建立在对仿生结构和肌理的研究上，几乎没有利用相关理论及相关的计算机技术对产品形态仿生做定性及定量的分析。鉴于这样的实际情况，笔者将利用该论文提出新的产品形态仿生设计理论及研究方法，为产品形态仿生设计提供更为有效的途径。

2 工业产品形态仿生设计的定性分析

2.1 生物体基本形态构成元素

自然界的任何生物，如果将其形态进行拆分，最终都可以分解成点、线、面、体这几种最基本的形态构成元素。就像在目前大工业化生产的技术条件下，几乎所有的产品都是由很多零部件拼装而成的，每一件零部件都是通过特定的流水线以及不同的工艺方法制造的，这就是我们通常意义上所讲的标准件。标准件通过批量生产，大大降低了工业产品的生产成本。自然物中的这些最基本的形态元素，就可以被看做是生物体中的标准件，这些元素在特定的自然条件下独立生长，最后组合成形态各异的自然物形体，具有代表性的有锯齿状、螺旋线等。

如果从几何学的角度进行分析，从自然物中可以提取许许多多完全符合机械化大工业生产要求的结构理想且有生长规律的几何形态。以螺旋结构为例，DNA分子结构是螺旋状的；蜗牛的壳是螺旋状的；向日葵籽在向日葵花盘上的排列是螺旋状的；车前草叶片的排列形式也是螺旋状的……我们还可以从更多生物体中找到螺旋结构的影子。这种大量存在于自然界中的数理形态，就为我们提供了很好的素材来源，为之后资源库的建设提供很多的有效信息。

2.2 形态仿生的内涵及特点

人们在与自然界的动植物长期共存的环境下，慢慢认识到某些动植物的特殊形态能够在日常生活中被使用，在无意中就对自然物进行了直接或间接的利用，对产品形态进行着仿生设计。很多情况下，这种对自然物形态的使用并不是刻意为之的，而是从人们使用产品的需求出发，在满足产品功能能够得到充分发挥的基础上进行选择的。产品是通过其特定的功能为人类服务的，而造型的合适与否直接决定了产品的功能能否得到更好的发挥，产品的效率能否达到最优化。因此，产品的形态设计不仅要考虑造型的美观性，人们对造型的审美需求，更重要的是造型的功能性和可持续发展性，既要从人们使用产品的舒适性角度出发，利用人机工程学的相关原理进行设计。同时，又要选择少污染或零污染的材料，减轻环境的负担。

因此，就形态仿生而言，首先，产品形态是对自然物形态进行的简化与抽象，是在符合自然进化法则的基础上对自然物进行的选择与模仿，符合了形态语义学的要求。其次，自然界无穷无尽的物种为形态设计提供了取之不尽的设计素材。再次，随着时代的发展和社会的进步，人们对个性化的追求已经成为一种趋势。对不同层次的消费者而言，虽然对产品形态有着不同的要求，但对新颖性的追求是所有消费者的共同目标，而形态仿生恰恰满足了消费者在这方面的心理需求，这就可以引导设计师设计出更多更好的符合产品功能要求的创新造型。另外，在如今科技化越发明显的时代背景下，越来越忙碌的生活使得人们接触自然的机会也来越少，为了让我们找回那种天然的状态和回归自然的感觉，同时也为了迎合生态设计的理念，形态仿生设计自然就成了符合这一要求的第一选择。

2.3 形态仿生的发展方向

在目前的市场背景下，产品形态是要为产品功能服务的，产品形态的设计目的，是要让消费者在看到产品形态的同时就形成认知，从而了解产品的功能。就如今的工业产品消费市场来看，消费者购买产品的首要考虑因素，就是产品的造型，设计师要抓住消费者的这一心理特质，对产品形态进行改良和创新。

从我国的实际情况来看，我国的产品设计发展速度比较缓慢，究其原因，很大程度上是由于缺少创意来源和创意素材。现今，大多产品形态的设计都是通过对已有产品的实物样件表面进行数据采集和数据处理，并利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物的三维CAD模型，并进一步用CAD/CAE/CAM系统实现分析、再设计、数控编程以及数控加工。这样一个逆向设计的过程，就很难在形态上有所突破。而仿生设计恰好可以突破这一瓶颈，在已有原始生物体的基础上，对生物原型进行数据采集及处理，再进行CAD建模、数控编程及数控加工。这样一来，就可以不断发展企业的自主创新能力，使企业在目前激烈的市场竞争中立于不败之地。

目前，我们已经可以在市场上的一些在售商品中找到仿生设计的影子，这些设计可以从自然界中找到相对应的自然物原型。这是一个设计师与自然界双向交流的过程，设计师可以从现有的一些产品形态中找到相应的生物体，同时，去发现更多未被开发过的生物体形态，并运用到新的产品设计中。因此，在今后的仿生设计中，就需要在自然物原型的基础上，提取基本的结构单元，进行有效的数字化，并建立相关的数据资源库，为后续设计提供便利，在注重人与环境可持续发展的基础上，更加注重产品使用者个性化的体现。

2.4 形态仿生的关键点及重要性

任何一件工业产品，一旦进入市场，就具备了商品的属性。为了体现商品的价值，就必须具备物质和精神两方面的功能。就产品形态而言，则更多体现的是产品的精神价值。虽然设计师可以利用形态组合法、形态类比法等多种方法来进行产品形态的设计，但要从人性化、情感化的角度赋予产品生命，不得不说仿生设计是一个极其适合的方法。将自然物的特征形态通过提取、简化等手段，融入产品外观设计中，使人们被产品的外观所吸引，从而产生购买的欲望和消费行为，这样就直接为企业带来了良好的效益。

设计师对产品形态进行仿生设计是符合市场及可持续发展要求的。一方面，每一种生物从出现到与其他物种经过激烈的生存斗争，最后存活下来，都是自然选择的结果。因此，我们在生物界或微生物界找到的生物，其生长形态与结构都是符合自然环境要求的，从工业设计的角度来看，是符合形式美法则的。比如刺猬笔插，不仅形态有趣可爱，能唤起人们对小动物的热爱，同时从使用功能的角度来看，能存放铅笔的数量并不比普通的笔筒少，功能一样强大。另一方面，可以从人性化的要求出发，为形态设计提供创作灵感。随着时代的发展，人们已经厌倦了每天在钢筋水泥的城市森林中穿梭的生活模式，产生了越来越强烈的回归自然的心态，这就渐渐引导了产品形态设计的发展方向向仿生设计倾斜，发展前景一片大好。

2.5 新的研究方法

产品设计师在进行产品形态仿生设计时，首先要对选定的生物体做一个整体的分析，并对生物进行适当的分解，对每一部分的结构进行精确分析，并通过一定的方法保留主要部分，去除次要部分，进行简化，形成简化后的形态模型，确定产品仿生形态特征，形成形态仿生的创意。其次，将简化后的形态模型在特征数据采集的基础上，在计算机中进行三维数据的处理，对产品形态数据进行重构，并结合产品形态理论进行分析，形成符合用户需求的产品形态仿生三维模型，最后形成产品。

3 工业产品形态仿生设计的定量分析

3.1 逆向工程技术的应用

仿生设计并不是一个新的概念，在许许多多的工业产品中，都能找到仿生设计的影子。但传统意义上的仿生设计，基本都是在定性的基础上对产品进行的形态创造。也就是说，是从设计师自身的审美角度出发，对产品形态进行设计。这虽然能在一定程度上满足部分消费者对产品形态的需求，但不能保证该产品在同类产品中的绝对竞争优势。因此，要在产品形态仿生上有所突破，就必须借助新的手段，在计算机的辅助下，对形态进行一定的定量分析与计算，找到形态仿生的新方法。在数字化技术飞快发展的大背景下，利用定量的手段对产品形态进行仿生是一个必然的趋势。

为了实现仿生设计的技术突破，设计师可以把前文中提到的现有产品设计过程中运用得比较成熟的逆向工程技术，引入到仿生形态设计中作为一种辅助手段，减少形态提取中出现的隨机性，提高设计效率，实现真正意义上的形态仿生。将生物体表面进行数据采集和数据处理，并利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造生物体的三维CAD模型，进一步用CAD/CAE/CAM系统实现分析、再设计、数控编程以及数控加工。

与已有产品的实物样件不同，自然物形态数据的获得，必须通过激光扫描或光学照相等非接触式的测量，接着对获得的数据进行分块并精简，提取主要数据，即提取生物体最主要的特征；然后对生物体的主要形态特征进行CAD建模及相关曲面的重构；最后对CAD模型进行调整，得到所需要的产品模型。通俗来讲，这其实是一个求反的过程。因此，采集生物体表面重要节点的三维坐标信息是其中的关键。这里有一点要注意的是，为了获得准确的节点坐标，得到的图像信息必须是清晰的，这就需要在某些具有特殊属性的表面上，喷涂白色显影剂。

任何一种生物体，若对其形态进行分解，会发现都是由一些基本的几何体所构成的，这些基本单元又按一定的规律进行排列组合，形成互相关联的位置关系。所以，逆向的过程只需要以基本的几何体为最小单位进行曲面生成，同时研究各基本单位之间的拓扑关系就可以了。在这个过程中，还必须考虑到曲面的连续性，使曲面的平滑度在产品使用者可接受的范围之内进行调整。

3.2 遗传算法虚拟技术的应用

在用数字化技术进行仿生形态设计的过程中，可以将遗传算法应用于自然物形态的模拟。遗传算法是计算数学中用于解决最佳化的搜索算法，它借鉴了进化生物学中的一些现象，包括遗传、变异、自然选择以及杂交等，直接对结构对象进行操作，不存在求导和函数连续性的限定；具有内在的隐形性和更好的全局寻优能力；采用概率化的寻优方法，自动获取和指导优化的搜索空间，适应地调整搜索方向，不需要固定的规则。作为一种计算机模拟，最优化问题，就是一定数量的候选解的抽象表示的种群向更好的解进化。传统上，解用二进制表示，进化从完全随机个体的种群开始，之后一代一代发生。在每一代中，整个种群的适应度被评价，从当前种群中随机地选择多个个体，通过自然选择和突变产生新的生命种群，该种群在算法的下一次迭代中成为当前种群。它的主要作用，是可以对产品形态的整体轮廓和关键曲线进行生成，得到所需要的曲面形态和特征曲线。因此，利用遗传算法进行的形态处理，无论是从整体还是从局部上来看，都能使得最终的产品形态进行很好的进化。在选定某一生物的其中一个个体的基础上，提取其DNA，获得与其DNA相匹配的二进制字符串，并使DNA通过遗传算法得到进化，同时运用适应度函数来计算每一次进化后所产生的DNA的好坏，选择适应度值高的DNA，淘汰适应度值低的DNA，来确保形态的最优化。

就产品形态而言，形态仿生遗传算法的实现必须经历几个过程。首先，要分别扫描出产品和与其相对应的自然物的图像，将产品和自然物相对应的面投影到一个被分割成许多小正方形单元的大网格中，提取各自的DNA作为形状代码，作为第一代的DNA链。其次，对第一代的DNA链做一系列的交叉和变异处理，得到下一代DNA，用删选函数对这一代的DNA链作一定的筛选，同时进行插值处理，在输出的所有图像中选定其中两幅，继续进行遗传处理。再次，在消费者中做抽样调查，对利用变异和交叉法则得到的相关系数和适度函数进行调整，同时进行迭代运算，得到最优的图像。最后输出生物体和产品相匹配的适应度函数指标，做上标记，通过遗传算法得出最符合消费者要求的新产品形态。

遗传算法的目的，就是得到新的、最优化的形态，建立形态模型库，以便在进行产品仿生形态设计时随时提取、随时选用。这一数据库的建立，将会对设计带来很多的便利。比如在做一些形态重构、形态置换或形态分割的处理时，可以直接提取库中的原始形态进行叠加和分解，直接在计算机虚拟平台上观察处理后的效果，既节省了重新建模的时间，也大大降低了生产成本，提高了工作效率。

综上所述，为了突破现阶段产品仿生形态设计中出现的瓶颈，在对原始自然物对象进行定性分析的基础上还必须进行一定的定量计算。比如利用逆向工程解决曲面平滑度，形态匹配等问题，进而利用遗传算法建立生物形态模型数据库，对这些关键技术的研究和应用，能为后续设计带来更多的便利。