基于生物原型的产品创新设计

刘晓敏,王建辉,李娇蓉,陈 亮

(福州大学 机械工程及自动化学院,福州 350116)

产品创新设计能大大提高人的创造性思维.仿生学(Bionics)是研究生物系统结构、形状、原理及行为的一门学科,它将生物学与工程学有机融合,通过学习与模仿,应用生物学知识解决人类科技发展面临的诸多问题,为工程设计创新提供新思想和技术支持[1].仿生学在工作机理、行为模式和生存策略等方面的应用可大大激发这种创造性思维[2-3].

获取生物原型是产品仿生设计中关键的一步.贾丽臻等[4]提出基于通用属性、通用操作两种特征集的生物和技术功能的形式化描述方法,利用通用特征集获得生物原型.Shu[5]提出用自然语言描述获取生物原型的方法,该方法借助于功能关键词,利用模糊搜索法找到扩展的功能关键词及其同义词,然后匹配自然文本,最后关联搜索结果,得到相应的生物原型匹配.Vincent等[6]对传统的TRIZ冲突矩阵阶数进行缩减,建立一个基于发明原理与生物效应解相对应的BioTRIZ矩阵,利用该矩阵获取对应的生物原型.

生物功能模型能很好地反映系统功能组成、功能角色及任务目标.Sartori等[7]提出SAPPhIRE生物功能建模方法,开发出IDEA-INSPIRE软件.Vattam等[8]建立SBF(Stucture-Behavior-Function)生物功能模型,开发出基于知识的CAD系统即DANE(Design by Analogy to Nature Engine),能提供生物系统功能模型.刘伟等[9]分析生物信息策略,结合生物耦合机制模式,以工程系统建模为基础,提出一套面向工程应用的符号化生物信息模型,从而有效地对生物原型中功能特性和系统特性进行描述.

在生物-工程转化方面,Cheong等[10]运用一种基于模板的方法,确定相关策略,通过模板来捕获生物现象中的因果关系,使用因果关系模板和一对一映射，实现生物知识与工程间的转化.任露泉等[11]提出生物耦合概念,针对特定生物原型的观察,分析生物原理产生的机理,将其原理应用于产品设计中,实现从生物到工程的转化.

仿生设计系统性具有引领作用.目前,关于系统化仿生设计创新研究尤为不足.本文从生物原型获取入手,建立一个基于生物原型的系统化仿生创新设计过程模型,以方便、快速、高效地实现产品创新.

1 基于生物原型的产品创新设计过程模型

基于生物原型的系统化仿生创新设计过程模型如图1所示.其主要实现步骤如下:

(1) 根据产品市场需求、工程问题及设计目标,确定出产品功能需求及功能关键词,再根据产品功能关键词检索生物知识库,并借助于生物实例库和设计目标,计算出产品功能、结构和环境的综合相似度,并获取匹配的生物原型.

图1 基于生物原型的系统化仿生创新设计过程模型Fig.1 The model of product innovation design process based on biological prototype

(2) 进行相应的生物原型耦合分析,主要包括耦元、耦合方式和功能实现模式的确定.在确定出生物实现功能的影响要素之间的关系及作用机制后,建立基于生物原型的功能求解模型；然后,再利用类比映射策略分析,实现从生物系统向工程系统的转化；最后，获取合理的产品技术系统功能模型.

(3) 产品功能结构模型及原理解方案求解.原理解方案的求解主要包含产品功能分析、产品功能作用特征分析和产品功能模型分析.通过设计知识,确定出合理的原理解方案.

(4) 原理解方案组合、产品设计方案评价与优选.通过对方案的可行性评估,最终确定出理想的原理解设计方案.

2 基于生物原型的系统化仿生创新设计过程

2.1 生物原型的获取

2.1.1设计目标确定

仿生设计思想[12]是从确定工程问题(即设计目标)为出发点,借助于寻找生物模本、原型或实例,实现工程的有效解答.确定产品功能需求及设计约束是产品设计目标实现的关键,也是为了能更好地满足用户需求.需求获取方法主要包括需求提取、需求分析、需求确认、需求转化及功能需求确定.

由于用户需求是模糊量,不能直接用于产品设计中.首先,将其转换成工程技术参数;其次,借助于领域专家系统、质量功能配置(Quality Function Deployment)、需求进化定律等,确定产品潜在或新需求;最后,根据设计需求,确定设计目标.

2.1.2确定功能基与生物实例

功能是概念设计的关键要素,其主观性较强.对于相同的行为或物理现象,不同的人或相同的人在不同时刻,从不同侧面,会得到不同的表示.功能基[13]是用功能+流的形式(即主动动词+名词)描述.功能结构描述具有可重复性.

生物功能[14]是指生物体和生物群落(植物、动物、微生物等)所呈现的某些有利于其生存与发展的能力.生物功能特性(如心脏功能是向机体供血,汗腺功能是散发热量)共存于生物和工程系统中,为此,将其作为联系生物和工程领域的桥梁.

Stroble等[15]提出生物-工程词典,主要通过识别生物术语,将生物学原理、现象等与功能基中的功能、流相关联.功能与生物存在密切的相关性.利用生物知识库,建立功能基动词与生物实例的对应联系,为将生物实例引入至工程设计提供方便.

2.1.3相似度计算及生物原型获取

针对设计目标,从生物知识库中选取多个生物实例.为了提高设计效率,要筛选出1～2个生物原型.通过定量分析该生物原型与设计目标间的相似性,最后选取相似度较高的生物实例作为仿生设计生物原型.

相似度是度量系统间相似指标的数值表示,记为SIM(similarity).相似度大小是由2个以上系统之间相似现象的多少及相似程度的大小所决定.

按照由下至上逐级计算的方法，对相似元进行多级综合评判,确定总体相似度大小[16].生物体功能目标[11]主要包括功能、结构、环境之间的关系,三者相互依存,结构是功能实现的载体,功能是结构实现的目的.本文从功能、环境角度对生物原型与设计目标进行相似度分析.

由于精确度量生物与设计目标间的相似性比较困难,故采用如下综合模糊评价法:

评价指标集I={功能,环境};权重向量集W={w1,w2};隶属度集R={R1,R2};相似目标隶属度B=W·R.相似度计算公式为

(1)

式中:SIM为某一生物与设计目标在某一层次的相似性;BS为生物系统;TS为技术系统;i取{1,2},分别为功能、环境;|BSi∩TSi|为生物系统与技术系统某层次上相同特征项数;|BSi|为生物系统某层次上的特征项数;|TSi|为技术系统某层次上特征项数.

由此可见,若相同特征越多,则总相似度也越高.选取相似度最高的作为生物原型.

2.2 生物原型的功能建模过程

模拟是人类认识和改造客观世界的主要方法之一[17].功能模型是要求在模型和原型之间,取得功能和行为上的相似.由模型实现原型的某些功能,再由什么样的模型来实现原型的某些功能,从而为人类创造出有用的技术系统.生物功能模型表达生物体实现其功能的工作机理以及生物体组织结构特征,即包含功能转化、结构组织以及与环境的交互作用等信息.生物体功能模型大致分3个阶段,如图2所示.

图2 生物体功能模型Fig.2 The biological modeling process

2.2.1生物-产品的相似性

仿生学是研究生物体功能(结构、材料、过程、特性等)与技术系统之间的相似性,最终目的是使技术系统获得与生物体相似的优异功能.相似性是仿生学研究基础.生物体与工程对象在仿生设计中的对接往往是通过相似性理论进行科学的定性、定量评价,才能确保仿生设计的可信度及说服力.产品技术系统与生物系统相似性特征主要包括物质属性、系统性、组成及工作特性等4个方面,如表1所示.

表1 生物系统与产品技术系统相似特性Tab.1 The similarity characteristics table between biology and products

将生物与产品的相似性用于产品开发具有重要研究价值.仿生设计是从整体、全局的观点来研究生物体的优异性能,以相似原理保证仿生成果的合理性和有效性.

2.2.2生物耦合分析

仿生设计是通过对生物体耦合分析,提取生物体与产品的相似性.生物体适应环境所呈现的各种功能,不仅仅是单一因素的作用或多个因素作用的简单相加,而是由多种互相依存、互相影响的因素(即耦元,包括形态、结构、材料、特征、行为等)通过一定的机制耦合、协同作用的结果[18].生物耦合目的是得到影响生物功能的耦元、各耦元间的关系、耦元与生物功能间的关系(即功能实现机制).

研究生物耦合系统的主耦元、次主耦元、耦联方式及功能实现机制,为产品仿生设计提供理论基础.耦合分析主要步骤如下:

(1) 明确生物功能目标.同一个生物体或生物群可能同时具有多个工程意义的功能.因此,应该根据研究目的与任务,先确定研究对象的1～2个生物功能.

(2) 确定生物耦元.通过对影响生物功能的各种因素和生物耦元进行逐一分析,判断其对生物功能是否有影响.依此类推,获取生物功能与各耦元间的关系,再按照耦元对生物功能贡献度大小或重要程度排序,确定出主耦元及次主耦元,以提高仿生效率.

(3) 确定耦联模式.针对已确认的主耦元,结合其他耦元,从生物耦合构成、结构运动学、动力学及其生物过程入手,探索并揭示耦元间的关联性,即耦联模式.

(4) 揭示生物耦合功能机制.分析生物耦合类型及其与生物功能、环境因子间的关系,揭示生物体不同层级的形态、结构及材料等耦元相互耦合而发挥功能作用的机理与规律.生物功能实现机制包含多元耦合、耦合体与生存环境的相互作用、耦合时间历程、并行实现等4种.

2.2.3生物功能模型的建立

生物功能就是研究生物体结构、材料、活动以及进化过程中所实现的预期行为[19].仿生技术实质就是模拟其生物功能原理.根据现有技术和设备,对生物体结构、形态、机理、信息反馈通道等建立功能模型,从而定性、定量地分析其功能实现原理.

生物体[20]是通过生理、形态和行为等3种途径来适应不断变化的环境.生理是生物体主要功能及活动总称.形态是生物体结构存在的形式.行为是生物体对内、外界刺激本能的反应.针对不同视角问题,生物体采取途径不同.比如,行为回答的是为什么,生理机能回答的是什么,形态回答的是怎么办.生物体的不同层面[21]均包含众多有趣的生物现象,而每个生物现象背后所隐含的生物学原理都可能产生有效的工程解决方案.

综上,生物功能建模需明确建模语言、模型粒度及模型边界等信息.使用黑箱法与功能分析系统技术(FAST)相结合,利用功能基术语对生物系统进行功能建模,过程如下:

(1) 建立生物体黑箱模型.先根据设计任务及目标,明确生物体功能目标,并用动词+名词形式表示生物总功能.再根据耦合分析结果及相关专业知识确定模型边界,即生物系统输入、输出、作用条件、作用环境.

(2) 建立生物体FAST[22]模型.利用FAST定义、分析和理解生物功能,确定各功能间的逻辑关系,对其进行主次关系排序,检验它们之间的相互依存关系,然后建立生物体FAST模型.分析各子功能实现过程,明确模型的粒度层次.

(3) 建立生物体功能模型.对过程(2)中各子功能用标准术语功能基替代[23],可参考生物-工程知识库.按每个输入流,建立各子功能链,根据流的相容性原则,聚合各功能链,获得生物体的功能模型.

2.3 类比映射策略

生物与工程分属两个不同领域,从生物系统到工程设计的转化需要一定的类比映射策略.类比是借助于生物与工程间的相似性进行各类特征转化[24].基于两系统之间的相似性,提出一种混合类比方法,主要包含直接类比、间接类比.直接类比就是一对一直接模仿;间接类比是通过生物系统激发创新灵感,并不是要模仿生物系统的所有方面.混合类比主要包含一对一、一对多、多对一以及多对多等4种映射机制,其原理如图3所示.

类比推理[19]是从某一对象的知识(或描述)推出有关另一对象的某些知识(或描述)的推理,仿生和材料移植到工程领域.利用生物体解决问题的途径,找到生物问题与工程问题的相似性描述,再借助于解决该工程问题的途径,找到生物领域与工程领域问题解决手段的相似性,最后实现生物体原理、结构、功能与产品技术系统原理、结构、功能所对应的相似性.

图3 混合类比原理Fig.3 The principle of compound analogy

2.4 生物系统-产品技术系统的转化

仿生设计的目的是将生物原理应用到工程实际中.生物系统与产品技术系统之间往往需要反复迭代才能实现生物原理的转化.产品设计目标是要获取产品功能求解及方案原理解.在仿生设计中,生物与工程之间的转化是多层次的,基于生物与产品之间的相似性原理,生物体生理机能、策略、行为及形态对应于产品功能、原理、行为及结构.通过混合类比策略、因果关系类比推理实现各层次之间的转化.具体步骤如下:

(1) 首先对产品进行功能分析,建立功能层次关系.

(2) 对比生物功能模型与产品子功能,通过功能作用特征获取生物体实现产品子功能的原理,并将其作为产品相应的功能原理.按同样的方法,对产品各个子功能寻求生物体对应的功能原理,并取而代之,获得初步的产品功能模型.

(3) 分析各流的完整性,依据流的相容性准则,完善产品功能模型.

(4) 原理解求解.完成上述功能原理的转化,具体原理解主要包含某个生物组织、某种生物结构、某种生物形态、某种生物材料等信息.

3 应用实例

3.1 设计问题描述

在野外旅行时,由于路途遥远或道路问题,携带的淡水资源有限,不能满足需求.为此,拟设计一种用于野外自动收集淡水资源的装置.在野外没有河流及雨水情况下,露水或者空气中水蒸气则成为主要水源.可是,收集起来十分困难.该装置将空气中含有的隐性水资源转化为显性的可利用水资源,简单低耗,可应用于海岛、船舶、多雾山区等空气湿度高且淡水资源匮乏地区,有望成为解决水资源危机的重要途径.

3.2 生物原型获取

该款产品主要目标是在淡水缺乏情况下,通过收集空气中的水蒸气作为纯净水饮用.提取关键词后,将其转化为功能基术语——收集.以此为关键词,对生物知识库进行检索,可得到的生物实例有:澳洲刺蜥、沙漠甲虫、狗蜱虫、仙人掌.

从功能、结构及环境方面考虑,按2.1.3节所述方法对设计目标与生物原型进行模糊相似评价.在功能层次方面考察沙漠甲虫,进行相似度计算.沙漠甲虫各子功能主要包含收集水、引导水、饮用水等,其子功能主要包含收集水、引导水、过滤水及储存水等.利用式(1)计算其功能层次相似度.

在环境方面采用层次评价法,分3种情况:完全相同时取相似度为1;基本相同取0.8;其他情形均取0.6.按此标准,沙漠甲虫生物环境为沙漠,缺乏淡水资源,但其环境湿度大;空气集水装置使用环境是针对淡水缺乏地区,环境基本相同,取相似度为0.8.同理,计算出其他3种设计目标相似度,则隶属度集为

通过相关研究,得到功能、环境所占权重分别取{0.6,0.4},则相似目标隶属度为

B=W·R={0.518 0.770 0.540 0.620}

所以,选择沙漠甲虫为生物原型.

3.3 生物体耦合分析

3.3.1生物特性描述

甲虫生活在干旱沙漠中[25],身长只有2 cm左右,身体扁平而坚硬,头小,背上有坚硬的翅膀,叫做鞘翅,可以将整个身体后部盖住,鞘翅主要被用来收集水分.每当夜晚降临时,大批甲虫都会来到沙丘上,将头插进沙子里,然后背朝着来雾方向,雾气就能很快在它们的背上凝成水珠.这得益于其特殊的背部结构,如图4所示.它们背部翅膀上均匀分布有许多峰状的突起物(见图4(a));在甲虫背部突起物的顶部没有覆盖任何物质,表面光滑,这使其具有亲水性(见图4(b));在突起物斜侧面及其周围底面覆盖着一层直径约为1 μm、呈规则六角形排列的平滑半球蜡质外衣(见图4(c)),具有超疏水性.

图4 甲虫背部结构图Fig.4 Back structure of desert beetle

3.3.2沙漠甲虫工作机理

每天早上,沙漠甲虫背对风向,头朝下呈45°.当空中起雾时,甲虫身体倒立,雾气中小水滴最先聚集在其背部的亲水麻点上,不断积聚增大.当增大到一定程度时,水珠重量随接触面积的比例增大,毛细管张力不足以支持水珠时,水珠下落,顺势流到甲虫鞘翅表面的疏水凹槽中,最后流入甲虫嘴中.沙漠甲虫的高效集水原理在于其背部独特的凸块形状,便于凝结水滴.图5为甲虫工作原理图.

3.3.3耦合特性分析

甲虫翅膀是一种光滑的半球形微米结构,其表面为蜡质材料,可将这些定义为实现集水功能的耦元.于是,建立如下生物耦合耦元模型(见图6).

图5 甲虫集水工作原理Fig.5 The principle of water collecting by desert beetles

图6 生物耦合耦元模型Fig.6 Coupled biological coupling model

建立耦元与功能间的关联表,如表2所示.分析该表发现,各耦元间的耦联方式为固定耦联,通过各耦元的协同作用及其与环境间的相互作用,实现其预定的功能.

3.4 生物体功能建模

按照2.2.3节所述的步骤对沙漠甲虫进行功能建模,首先对沙漠甲虫总功能分析,建立其黑箱模型；然后利用FAST模型表达甲虫的功能实现过程；最后利用功能基术语表达甲虫的功能模型,如图7所示.

表2 耦元与功能对应关系表Tab.2 The correspondence relationship table between coupling element and function union

注:╳为无关;○○○为很重要;○○为重要;○为一般重要.

图7 生物体功能建模流程Fig.7 The biological function modeling process

3.5 生物-工程的映射转化及产品功能模型的建立

产品功能分析是概念设计过程中一个重要环节,起着承上启下、传递并生成设计信息、主导创新原理产生的重要作用.分析淡水收集装置,其主要功能有收集水、过滤水及储存水.产品功能分析过程如图8所示.

图8 产品功能分析过程Fig.8 Product function analysis process

建立产品功能分解树.根据混合类比推理原理,实现生物功能模型与产品功能模型的一对一转化.对于产品子功能过滤与储存,在生物功能模型中没有与之对应项.此时,需根据先验知识对其建模,聚合功能链,最后建立产品功能模型,如图9所示.

图9 集水器功能模型Fig.9 Function model of water collector

3.6 原理解求解

空气取水法分为制冷结露法、吸附法、聚雾取水法等多种[26].沙漠甲虫通过聚雾、吸附及冷凝等方式取水.根据产品功能模型与甲虫耦合分析结果,通过生物组织、结构、形态、材料等实现替代,求解得到各子功能或功能元的原理解,其结果如表3所示.

表3 功能元的生物解与工程解Tab.3 Biological solutions and engineering solutions of functional elements

对各原理解组合,得到如图10所示的产品方案,其工作原理是:通过风机将含有水分的湿空气带到凝水装置上,空气通过凝水装置,水气液化,并吸附在圆锥面上,并越积越多,在重力及风的作用下,顺势流到导流漏斗中,通过过滤净化装置对水净化,最后经柔性导管流到储水容器中,实现了空气集水.

图10 集水器原理方案图Fig.10 Principle diagram of water collector

4 结论

(1) 建立基于标准功能术语功能基的生物实例库,通过功能关键词检索相对应的生物实例,并从功能、结构及作用环境3个角度对生物体与设计目标进行相似度分析计算,最后筛选出相似最高的生物原型,生物原型获取方法切实可行.

(2) 将生物耦合理论与产品功能建模方法相结合,利用功能基术语,对生物系统进行功能建模,进而表达出其生物系统功能原理及结构.基于类比推理、混合类比等映射策略，实现生物功能模型与产品功能模型的转化.求解原理解时,借助耦合分析结果,实现生物形态、材料、特性等属性的替代.

(3) 给出基于生物原型的产品系统化仿生创新设计过程模型,并以空气集水器为例,验证了所建模型的合理性与可行性.

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