融合仿生学与可拓学的自清洁玻璃创新设计

刘晓敏,程广驰,李娇蓉,陈 亮

(福州大学 机械工程及自动化学院,福州 350116)

产品创新需要融合多领域、多学科和多创新方法学知识[1].将多种创新方法集成一起,应用于求解复杂产品创新设计问题,是今后产品创新发展的大趋势[2].

生物体优异结构与功能给仿生设计研究带来灵感和启发.目前,仿生学研究已成为产品创新设计的热点与前沿课题,急需融合一些创新方法来提助产品仿生创新设计[2-3].

可拓学能够帮助设计者易于发现和拓展新的设计思路,便于利用可拓设计过程模型解决复杂产品冲突问题[4].同时,还能定量化地表示产品冲突和对产品创新设计模型进行可拓变换求解.洪筠等[5]将可拓学知识引入到仿生设计中,构造出生物耦元和各耦元之间耦联方式的可拓模型,为生物耦元间的耦合定量化分析提供技术支持.Qian等[6]对生物耦合采用可拓层次分析法(Extension Analytic Hierarchy Process,EAHP)研究每个耦合因素对系统的重要程度.

Bio-TRIZ重新提取与整合了发明问题解决理论(Theory of Inventive Problem Solving,TRIZ)的40条发明原理[7-8].将仿生技术与可拓学结合,能实现创新方法的互补性应用,拓展创新思维空间,提高创新设计效率.为了减少建筑物玻璃清洁对环境的影响,开展自清洁玻璃[9]研发及应用工作格外重要.基于此,构建融合仿生学与可拓学的产品创新设计模型,对企业产品研发尤为必要.

1 融合仿生学与可拓学的产品创新设计模型

借助于生物系统和产品技术系统中类比相似度的计算方法,建立一种融合仿生学与可拓学的产品创新设计模型,如图1所示.利用该模型对产品创新概念方案进行求解.

图1 融合仿生学与可拓学的产品创新设计模型Fig.1 Design model of product innovation integrating bionics with extension

1.1 市场需求分析

为了对现有产品进行改善及优化,先要对市场需求做前期调研和分析,以确定待改进产品的功能.再利用黑箱模型、技术进化分析等方法,确定待改进目标产品功能的改进方向.

1.2 产品仿生原型建模

根据待改进产品功能与其相匹配的映射关系,构建产品仿生原型可拓模型.

(1) 建立目标产品功能的黑箱模型,即直观性地表示产品系统输入流与输出流关系.

(2) 利用功能树对待改进产品总功能进行分解,分解后的子功能具备本功能层最基本的功能,这些各子功能间为正交关系(任意两功能间相互独立).

(3) 确定产品功能后,建立待改进产品的可拓模型,便于定量化地表述设计问题,避免漏掉细节问题而影响最优解.

(4) 利用功能关键词,从已有生物知识库中查找仿生原型,与产品设计目标作功能类比,进行相似度计算分析,并以待改进产品相似度值最大的作为仿生原型,建立其可拓模型.

1.3 产品功能模型求解

对仿生可拓模型分析后,再将产品技术系统问题转换成Bio-TRIZ问题,利用Bio-TRIZ冲突矩阵查找对应的发明原理.若此时仍未能求得原理解或求得的原理解不能转换成工程解时,则利用可拓学中的可拓变换与拓展分析，对问题细化求解,进而获得可行的方案原理解.

1.4 产品方案评价及确定

利用有效价值分析法对产生的多组可行创新方案评价.若满足待改进产品的功能需求,则进行后续设计.若由该模型得到的设计方案不符合市场需求,则需要返回,重新设计.

2 工程实例应用及分析

人工清洗玻璃费时又费力.使用化学清洗剂,会造成环境污染及大量水资源浪费.传统润湿自洁和机械自洁均难以满足玻璃清洁要求[10-11].因此,自清洁玻璃的研发及应用具有重要现实意义.

2.1 自清洁玻璃功能建模

先构建待改进玻璃功能的黑箱模型,如图2所示.

图2 玻璃黑箱模型Fig.2 A black box model of glass

将玻璃总功能(F)分解为挡风功能(F1)、遮雨功能(F2)、透光功能(F3)和待改进玻璃功能(F4),玻璃功能树模型如图3所示.

图3 玻璃功能树分解Fig.3 Decomposition of glass function tree

将设计问题可拓化为

(1)

式中：Om为设计对象；cm为设计对象特征；vm为设计对象特征量值.利用物元表示法,得到玻璃物元可拓模型为

(2)

式中:MⅠ为形态耦元;MⅡ为结构耦元;MⅢ为材料耦元;R为耦联方式.

2.2 建立仿生原型的可拓模型

从仿生原型功能-原理-行为-结构(Function-Principle-Behavior-Structure,FPBS)4个层次出发,利用关键词搜索现有生物知识库,寻找并匹配出自清洁玻璃仿生原型,如表1所示.

表1 生物体自清洁玻璃仿生原型Tab.1 Biological prototypes of self-cleaning glass

从生物知识库中筛选出5个仿生原型.为了提高设计效率,避免设计资料浪费,从表1中筛选最优的仿生原型.这需要计算相似度值,以便定量分析仿生原型与待改进产品功能在各种工况环境层次上的相似性[12].

产品仿生原型相似度计算公式为

(3)

式中:SIM为某生物与设计目标间的相似度值;SB为生物系统;ST为技术系统;i取{f,c},分别为功能、工况环境;|Pi(SB)∩Pi(ST)|为生物与技术系统i层次上相同特征项数;|Pi(SB)|为生物系统i层次上的特征项数;|Pi(ST)|为技术系统i层次上的特征项数.

若生物和技术系统间的相同特征数越多,则其总相似度一般也越高.为此,从待改进玻璃产品功能和工况环境着手,针对仿生原型和设计目标进行模糊相似度计算.玻璃主要有自洁、遮风、挡雨、透光等功能.为此,选取相似度值最大的设计方案作为自清洁玻璃仿生原型.对表2、式(3)计算及分析,得到自清洁玻璃各仿生原型在功能层面的特征项数及其各自相对应的相似度值.

在对应的工况环境层面,对玻璃采用直觉模糊偏好决策法进行评价[13].当仿生原型与待改进玻璃功能极其相似时,相似度值取值为0.9;以此类推,极其不相似时,相似度值取值为0.1.

表2 仿生原型的功能特征项数Tab.2 Number of function feature items for bionic prototype

研究发现:鱼鳃是完全浸没在水中,取适中相似为0.6;鲨鱼皮是完全浸没在水中实现身体自洁,取适中相似为0.6;壁虎脚掌是在干燥物体表面实现自洁,取强烈不相似为0.3;禽类羽毛靠皮肤分泌脂质且在无水情况下也可自洁,取强烈相似为0.7;荷叶自洁是在雨水中使脏污随雨水轻易滑落,取非常强烈相似为0.8.为此,取功能及工况环境所占权重为{0.6,0.4},代入式(3),分别计算出5个仿生原型和待改进玻璃的相似度计算结果,如表3所示.荷叶与待改进产品具有最高的系统相似度为0.440,故选用荷叶作为自清洁玻璃仿生原型.为此,需要建立荷叶可拓模型.荷叶表面与荷叶微观结构如图4所示.

表3 仿生原型相似度匹配结果Tab.3 Similarity matching results of bionic prototype

图4 荷叶表面水珠和荷叶微观结构图Fig.4 Water drop on the lotus leaf surface and its microstructure

建立荷叶各耦元及其耦联方式可拓模型为

(4)

式中:M1,M2,M3分别为荷叶形态耦元、结构耦元和材料耦元.

2.3 可拓模型求解

分析荷叶原型,抽取TRIZ工程技术参数,采用Bio-TRIZ描述,即改善玻璃的物质和结构操作域,查询Bio-TRIZ冲突矩阵,得到发明原理No.17:空间维数变化原理,No.30:柔性壳体或薄膜,No.33:同质性原理,No.40:复合材料.

玻璃设计目标集耦元为:{形态,结构,材料},该符号描述为:{MⅠ,MⅡ,MⅢ}.通过计算形态、结构、材料等耦元对玻璃自清洁功能的重要性,建立如下判断矩阵:

(5)

利用Matlab软件,算出其最大特征值λmax=3.038 5.该特征向量归一化处理后的权向量W=[0.104 7 0.637 0 0.258 3].

对其进行一致性检验,经计算得

式中:CI为一致性指标n为判断矩阵阶数;RI为平均一致性指标,CR为一致性比率.

由式(7)知,该排列顺序通过了一致性检验,其各评价指标权重系数配置均满足要求.因此,待改进产品耦元重要性程度依次是结构、材料、形态.然而,形态耦元重要性最小,在设计中,仅考虑玻璃结构和材料两个较重要的影响因素.由于Bio-TRIZ不能直观地得到待改进玻璃的原理解,需要融合仿生学及可拓学的创新设计模型,再借助于可拓学知识进行可拓表示.建立玻璃结构可拓模型MⅡ、材料可拓模型MⅢ:

利用仿生设计知识,对待改进玻璃结构耦元MⅡ和材料耦元MⅢ进行可拓变换，即

(10)

(11)

(12)

(13)

自清洁玻璃可拓模型G′为

G′=

(14)

综上,利用所构建的产品创新设计模型,得到改进的自清洁玻璃方案,如表4所示.

表4 改进的自清洁玻璃方案Tab.4 Improved schemes of self-cleaning glass

2.4 方案综合评价

针对方案Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,选择主要性能、结构设计、使用性能、制造性能、人机对话和经济性能等6个指标,作为概念设计方案评判标准.各性能指标分别具有相应的评价准则如表5所示.

由表5得(Gwj)max=GwⅠ=64,(Gwgj)max=GwgⅠ=6.90.证明方案Ⅰ总评价值最高,10项评价均符合要求.因此,利用融合仿生学与可拓学的产品创新设计模型,使得原理解方案在系统综合性能方面得到极大提高.通过普通玻璃表面与改进的自清洁玻璃表面清洗过程及原理对比,能直观地看出改进的自清洁玻璃去污能力更好,如图5所示.由创新设计得到自清洁玻璃三维结构示意如图6所示.

图5 玻璃清洁过程对比Fig.5 Comparison of glass cleaning process

表5 设计方案加权评估表Tab.5 Weighted assessment table of design plan

注:序号中1～5为技术价值;6～10为经济价值.

图6 自清洁玻璃模型三维结构示意图Fig.6 Schematic of three-dimensional structure for self-cleaning glass model

3 结论

(1) 构建出一种融合仿生学与可拓学的产品概念创新设计模型,集成了多学科、跨领域、多创新方法的优势,得到可行的产品创新设计原理解方案.利用有效价值评价法对得到的原理解方案进行筛选,最终获得最优的原理解.

(2) 通过查找仿生原型,计算产品综合相似度值,从而优选出相似程度最高的仿生原型.这在一定程度上避免了传统仿生设计在选择生物原型时单纯靠经验和知识进行试凑式处理的弊端.

(3) 将集成生物体仿生技术与可拓学的创新设计思想应用到自清洁玻璃工程设计中.通过改变玻璃表面结构,提高了其疏水能力,使附着在表面的污垢随雨水快速滑落,实现自清洁.