基于实例推理方法的仿生设计研究

张家祺　孙惠东

摘要：通过优化基于实例推理的设计方法中实例库，来提高仿生设计的设计速度与质量。通过对基于实例推理方法中实例表达的分析，得到仿生设计仿生源的实例库建立的方法，深度发掘仿生设计中生物学和形态学内容，探讨仿生设计中基于实例推理的方法中关于实例表达的形式创新。得到新的设计结果。将基于实例推理方法运用到仿生设计上，制订出符合仿生设计的实例库中每个实例的表达方法及形式。

关键词：仿生设计 实例推理 实例表达 实例库 检索框架

中图分类号：J0 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2021）04-0053-03

引言

仿生创造是人类向自然界不断学习，不断探索的本能力量的表现，从古至今，自然界都是人类各种发明创造的思想来源，也是技术革命的重要启蒙老师，随着科学技术的发展，仿生学的外延也在不断延伸，Janine Benyus和她的合作者提出从生物学到设计的螺旋模型和从挑战到生物学的设计模型两种仿生设计方法;蔡江宇、王金铃对仿生设计与自然观、生命哲学、符号学、语言学、心理学等不同学科进行理论研究，将仿生设计分为物质现象层和精神内核层的仿生，其中物质上的仿生中形态的仿生更具亲和力，把仿生设计具体到造型仿生、色彩仿生、肌理仿生、功能仿生、结构仿生、情感仿生、趣味仿生、直觉仿生等具体仿生设计方法，近年来生物效应的多重利用的出现致使仿生设计的复杂程度日益增加，完备的仿生设计方法开发则不失为一种解决手段。

CBR（case-based reasoning）——基于实例推理的设计方法是通过对已有实例库进行搜索匹配，找出与解决当前问题相似的实例，再通过对以往相似实例的解决办法的修改、应用，解决当前问题的方法。基于实例推理的历史可以追溯到20世纪80年代初耶鲁大学Roger Schank及其学生的工作，Schank于1982年提出的动态记忆模型是最早关于CBR的理论，在进行问题求解时借助先前求解类似问题的经验进行推理，基于实例推理的本质内涵是一种自学习过程，常婷等针对自动制孔设备窝深工艺参数较难控制的问题，提出了一种基于CBR的装配制孔窝深工艺参数优化方法;蔡玫等基于本体理论将CBR基于实例推理应用到突发事件的应急决策方法中;刘志峰等将CBR基于实例推理与TRIZ发明问题解决原理结合，提出了绿色设计的创新方法;胡良明针对CBR基于实例推理在自动武器设计系统中实例库庞大，检索复杂的问题，改进了最邻近相似度算法，避免盲目搜索;在经过近四十年的发展，基于实例推理已被深化为基于计算机逻辑推理的四个过程：实例检索、实例重用、实例修订、实例存储㈣。经过实践验证已经运用到教育、旅游、机械、医疗、法律、规划等各个领域。

一、仿生设计实例表达的构建与分析

复制自然生物元素（实践仿生学）的设计师也将自然视为问题解决方案的实例库。根据自然界生物的在面对问题的解决方案映射到产品设计上，对于这种解决手段，基于案例的推理是一种突出的类比解决方案，因此重点即构建仿生学的实例库的方法。图1其计算机逻辑推理过程。

（一）仿生设计实例描述

仿生设计实例库的建立方法分层次、分类型进行建立，将不同种类的设计形式聚类，进而避免检索时盲目搜索，具体可分三个层级，分别是第一层级仿生设计物质现象层和仿生设计情感内核层，物质现象层面的设计属于直观层面的功能应用，情感内核层重在通过不同生物所激发的不同情感体验来进行设计。第二层级内容是物质层和情感层分门别类进行归纳，这层次的主要工作是将仿生设计细化，将不同形式、不同方法的仿生设计将实例库中的内容进一步丰富，第三层是具体到实践应用的各种实际仿生设计的内容。

仿生设计的实例表达方法分为三个程序，每个程序中又有不同的类目，通过构建类目合理、内容丰富的仿生设计形式最终达到完整的实例。具体的三个程序分别是仿生设计的对象，仿生设计的形式和仿生设计的各个设计要素的具体参数，通过三个程序的综合构建达到整个仿生设计实例库中每个实例的表达方式的设计。图2是针对仿生设计对象而归纳的设计内容，图3是根据仿生设计形式归纳的设计内容。

（二）仿生设计实例检索框架

按照CBR实例检索的典型方法，通过最显著的特征相似性去寻找最适合实例，这样可以快速高效地寻找到那些与当前需求相似程度较高的实例集。由于仿生设计仿生地对象千差万别，即使是同一种生物其仿生部分可能也是完全不同的，考虑到不同项目类型所产生的不同效果，例如，从动物出发进行仿生与从植物出发进行仿生，其最终仿生得到的实际产品中所利用的自然元素、仿生内容是截然不同的，不同仿生设计方法具有不同的侧重，体现在实例库中的仿生特征表达方式也是不同的。因此，仿生实例框架构建的第一步需要确定由目标需求所指引的仿生对象所属的类型。

第二步是从实际设计的设计需求描述：设计需求的不同决定了不同的设计方式，即从设计需求和生物特征这两个维度对目标设计实例进行分解，目前，仿生設计一般采用语言描述，而语言描述并无语义。因此，知识提取的首选方法是本体论，在与仿生有关的无语义的实例文档中，获取实际需要的仿生内容。按照生物实体、属性、仿生方式的思路提取出实例中的仿生源、生物特征、仿生设计形式、最终设计成果。该过程涉及实例、设计需求、生物特征、仿生策略四个基本概念。

二、实例推理仿生设计本体模型

根据实例推理进行设计实际上是将仿生设计参数化的过程，通过构建数学模型来提高仿生设计的设计速度与可行性。

（四）仿生方式（S）：典型的仿生设计方式有两个因素：仿生设计方案，专家对于仿生设计结果的评价。由于仿生设计来自于自然界，或功能价值或艺术价值，仿生设计主要是运用工业设计的艺术与科学相结合的思维与方法，从人性化的角度，不仅在物质上，更是在精神上追求传统与现代、自然与人类、艺术与技术、主观与客观、个体与大众等多元化的设计融合与创新，体现辩证、唯物的共生美学观。仿生设计的内容主要为模仿生物的特殊本领，利用生物的结构和功能原理来设计产品机械的设计方式。仿生物形态的设计是在对自然生物体，包括动物、植物、微生物、人类等所具有的典型外部形态的认知基础上，寻求对产品形态的突破与创新。仿生物形态的设计是仿生设计的主要内容，强调对生物外部形态美感特征与人类审美需求的表现。设计中设计师的个人理解是仿生设计的主要设计原动力，专家对于仿生设计结果的评价也更多是艺术角度、功能实现等的分析，很少建立基于数学模式以及理性计算的结果，此次研究针对此问题采用数学计算的方式与设计理解相结合的方式进行设计。

三、模型搭建的结果

（—）相似关系：仿生设计其实就是通过相似性在设计问题与生物原型之间找到连接的桥梁，张光鉴先生总结了相似学的三条定律：相似运动律、相似联系律、相似创造律。仿生设计很大一部分都是通过相似性进行设计的。相似的程度可以分为局部相似与整体相似。局部相似性的设计经常应用于功能设计上，例如高铁列车圆滑、流线的车头设计就是基于鱼类在水中通过流线型的头部造型以减少水中阻力为出发点的，以达到列车运行时减少风阻，整体相似更多运用于艺术设计领域，通过生物界不同生物整体造型引起的情感变化作为设计出发点，例如通过“观象制器”整体运用生物特征进行艺术化加工使其达到触动情感的设计。其基于实例进行推理的时候就是根据不同生物特征的权重进行对比选择最相似的设计实例进行修改再设计。

（二）组合关系：仿生设计很多时候是多种生物学特征进行组合进行设计的，实际设计需求往往也是多种需求，这种形式的设计往往不同功能的复合使用，让设计更具综合性，实例库中的各种实例也是不同生物特征。

（三）函数关系：在实际的设计过程中，通过查找选择出相似的实例合集之后通过对各部分生物特征运用的重要程度赋值，赋值的确定是基于专家系统进行的，通过几个设计专家商讨共同确定设计不同权重的赋值，通过李克特量表进行打分再求取其均值，同时对设计需求各部分重要程度赋值，再进行数学计算：

四、应用

现代社会中，工作强度的加大导致办公人员长时间的保持一个姿势坐在椅子上办公，很容易导致各种疾病，因此以椅子設计为例进行基于实例推理的仿生设计，要进行一款可以提高舒适度并且有利于健康的办公人员座椅的设计C0，设计需求的关键在于提高舒适度，同时设计面向的人群为办公人员，使用场地为办公室，设计的出发点为健康，要求使用具有情感化的色彩和材质。根据本文实例表达方式积累实例，下面是几款优秀的仿生设计的椅子，其表达形式如图4-7所示。

经过对四款仿生设计的座椅相似度的计算可以得出综合相似度最高的是第三款马鞍仿生椅子，接下来便是根据最为相似的实例进行实例修改，设计出满足目标实例C0的新设计。

第三款马鞍座椅是一名脊柱康复师所设计，充分考虑了如何通过坐姿矫正脊柱，在生理甚至医学上是成功的，但是在外观形式的设计以及使用舒适性尚有不足，对此进行了改进，首先是美观性，从造型和色彩上进行设计，原本的马鞍椅由于要对长时间在以坐姿进行办公的工作室人员不正确脊柱弯曲进行矫正，因此让其使用者通过降低腿部平均高度同时提升臀部并减少其受力面积的方式让其使用者不由自主地进行坐姿姿势的矫正，但其在使用过程中需要将腿部分开一个较大的角度，在空间狭小的办公区域这种坐姿很容易导致拥挤，一旦腿部空间有其他杂物，这将导致腿部活动空间变小，所以对此进行使用该座椅时让腿部开角变小的改进方式进行重新设计，臀部坐姿与受力面积不便，缩小前面部分是此次改进在造型上的主要形式;其次是对其色彩进行丰富化，根据使用场景来看，办公室区域的色彩偏理性，因此色彩选择上选用深色调作为此次改进的色彩，座面及靠背部分采用深蓝色，支架及椅腿的部分采用黑色，深蓝色本身充满理性与厚重感，符合办公室人群的心理特征，这种色彩给人一种“重”的心理感受，办公场所本身是一个需要理性办公工作的地方，稳重的色彩可以加强这种情感的提升，而深蓝色与黑色两种色彩都可以增加这种情感。图8是最终的设计。

结论

通过将CBR基于实例推理的方法应用到仿生设计领域，通过对仿生设计实例的建立方式进行创新，形成针对仿生设计实例表达的框架并且运用该框架进行基于实例推理的设计方法进行实际设计，形成仿生设计的一种全新设计方法，并将新的设计实例存入自己的实例库，由于该方法是通过计算相似性进行设计改进，因而在实际设计中，会因为实例库的大小、实例表达的权重定制方式以及实例计算方式的选择受到各种实际情况的影响不同，因此在实际设计过程中还需考虑诸多因素。