基于感性匹配的参数化仿生肌理设计方法研究

文／殷晓晨，吴世蔚（合肥工业大学 建筑与艺术学院）

在工业设计领域， “仿生”是一种常用的设计与研究手法，同时也是很多产品的创新来源，通过锯齿草的启发发明锯子、借鉴鸟类的特征发明飞机、以苍蝇翅膀为来源而制成的震动陀螺仪等不计其数的案例，都是人类对自然界生物的功能、结构、形态特征等进行模仿与再创造，进而造福人类社会。恰当的“仿生”可以为个体用户或者品牌带来多样化的福利，相反若是以一种不合适的方法进行仿生设计，结果则会不尽人意。如何去系统、科学地师法自然，将仿生的作用尽可能发挥出来，是值得设计师们深入研究的课题[1-3]。本文引入感性匹配和Grasshopper平台的参数化设计方法，运用于产品仿生肌理的研发中，探究完善仿生设计的新方法。

一、仿生设计

仿生设计是一个比较广泛的领域，仿生本体大致可以分为自然界万物的形态、功能、结构、肌理、色彩以及它们的抽象意向。在仿生设计的方法上，学者罗仕鉴提出了本体层、行为层和价值层3个层次的概念。仿生的目标是做出好的产品，满足人们的用户体验，这一过程中，输入生物的形态、功能、结构等，输出具备上述3个层次的方案。其中，本体层是指产品自身形态特征，行为层是指生物的诸多特征融入产品的具体过程，价值层则侧重的是最终产品给用户带来的情感价值。在这一过程中，仿生目标的外形特征提炼、产品的外形设计与表达、生物特征与产品特点的融合以及设计方案给用户带来的情感价值评估是几个关键性步骤[4-6]。

不管是哪个层次的仿生设计，都避不开仿生对象与输出产品的特征匹配与映射关系。在这一过程中，现有很多设计案例中的仿生对象与输出产品之间的特征匹配并不理想。造成这一现象的原因有以下几点：首先，本体生物的特征提取与产品的映射策略很多时候还局限于设计师的主观判断，而从消费者角度出发，确定其对仿生对象的心理认知和感性评价是十分重要的，准确掌握消费者心理认知，才能准确定位仿生方向[7]；在提取生物形态之后，现有很多数字模型的建模方法会在模型形态与生物形态之间造成一定的差异，降低了仿生设计的有效性；在生成产品方案之后，生物本体特征与产品特征要素之间的契合性缺乏合适的评价方法[8]。正是这些问题的存在，让仿生过程出现了一定的模糊性与不适应性，一定程度上影响了设计方案的效果。针对这些问题，本文将采用感性匹配与参数化建模相结合的方式，来优化仿生设计过程。

二、研究方法

2.1 参数化设计

参数化设计方法越来越受到设计师的重视，在很多建筑学、工业产品设计案例中都可以看到参数化设计的作用与魅力。参数化建模方式是几何建模的一个重要方向，它具备提高建模速度、便捷模型修改的特点，可以大大提升设计人员在建模、方案修改等阶段的效率。参数化建模的本质就是在建立一系列约束的前提下，进行产品造型表达。在众多参数化软件中，Rhino及Grasshopper建模平台让使用者能够利用可视化电池运算器进行编程，大大降低编程的复杂过程，让更多使用者能够使用编程式的方法进行建模，配合上多个方向的专业插件，让Grasshopper参数化设计的领域更加宽泛，给设计方案带来了更多的可能性。Grasshopper以其可视化建模特征，输出结果可调的优势，受到许多设计师的青睐[9-11]。

在仿生设计中，Rhino及Grasshopper建模平台的优势特征能得到充分发挥，进一步帮助设计师进行几何建模的工作，实时反馈的模型形态与可视化算法建模能够让设计师及时修改建模过程中出现的错误，保障设计方案的仿生还原程度[12]。

2.2 感性匹配

在本文的仿生设计研究中，可以通过感性匹配的方式，来确定设计目标与仿生对象的关联，也能够利用这种方法，验证仿生结果的有效性。感性匹配属于心理学范畴，用于描述某些具体现象与对应的人的反应之间的关联性。感性匹配可以将匹配内容的相关性进行量化评估：通过语义差异法测量人的感知水平，在进行相关分析后，得到匹配质量较高的目标。刘征宏等人曾运用基于语义分析和感性工学的用户需求匹配方法，进行机床造型设计。该研究团队获取的用户需求感性值后，利用感性工学和语义分析匹配用户需求与设计目标，获得感性词汇与设计元素的对应关系，并与最后的匹配结果进行比对，获得很高的用户匹配精度[13]。

在仿生设计的研究中，感性匹配过程可大致分为3个阶段（见图1）。

图1 生物与产品风格意向匹配流程

（1）建立形容词汇评价尺度量表：搜集产品、建筑、肌理等设计目标的样品图片，进行风格意向词汇表达，再通过聚类分析进行感性词汇提取，最后确定多对反义评价词汇对[4]。

（2）建立生物风格意向评价指标：搜集常用到的仿生生物图片，邀请合适数量的消费者进行测试，对生物感性意向进行打分，统计后可得出生物的不同风格定位。

（3）确定特定风格的仿生生物：在明确用户需求与设计目标后，确定设计目标的感性意向词汇，从阶段2里获得的不同风格生物库中进行筛选，最后选出匹配的仿生对象。

在完成生物外形匹配后，设计人员可以对生物进行分析与特征提取，进而展开与之匹配的概念方案设计。

三、设计实现

3.1 设计对象

在设计实践过程阶段，本研究以产品肌理为对象，展开利用感性匹配的参数化仿生设计。产品肌理是工业设计中一个重要元素，是用户通过多种感官获取产品的感性特征的直接影响要素，产品肌理的效果会直接影响用户对于产品的评价[14]。在产品设计的研发过程中，研究人员可以通过产品肌理的设计来满足用户的相关感性需求。因此，以产品肌理为设计目标，可以探索感性匹配与参数化仿生设计方法相结合的可行性。

3.2 意向感性匹配

3.2.1 建立形容词汇评价尺度量表 首先，针对工业产品，通过多种网站资料、电商平台等渠道搜集产品肌理图片160张，进行对比分析后，排除相似风格特征的样品图片，留下特征不同的样本16个。针对选出的样品，邀请20名普通消费者对展示出的样品图片进行感性评价，获取被试者的口语感性报告，共收集不同的感性词汇102个。由于被试者个体的文化背景、成长环境等因素影响，每个人对相似感受的描述可能会用不同的词汇进行表达，在测试过程中，需记录被试者一些标志性的表达，明确被试者传达的意思。在收集到这些感性词汇之后，需要成立专家小组，对词汇进行选择、筛查，排除重复和近义词汇。

本研究中，组建4人构成的专家小组针对所获口语报告进行感性词汇提取，排除重复和近义词汇，从得到的词汇中组成多对反义词汇对，为之后展开语义差异法的感性评价测试做好铺垫。在这一阶段中，最后筛选配对出12组形容词词汇对，如表1所示。

表1 筛选出的形容词词汇对

3.2.2 建立生物风格意向评价指标 这一阶段，对于肌理设计中常用到的自然界图片进行收集，构建起一个仿生生物对象库，比如 “树叶” “蜂巢”“植物表皮” “蜻蜓翅膀” “向日葵”等。在选取生物对象时，有以下几点参考，满足其中个别或多种条件作为仿生对象的要求：（1）生物表面具有特征性纹理；（2）生物特征排列具有辨识度；（3）生物结构排列方式具有肌理特征。

选用的图片应尽可能全面表现出生物特征，必要时可用多张图片展示同一生物的特点。之后，将3.2.1节中筛选出的形容词词汇对制成7级语义差异量表（见表2）[15]，再邀请22位普通消费者进行评价，让每位被试者在观察各个生物意向图片后针对每组词汇对做出感性评价。之后，将所得评价结果进行统计分析，记录生物名称、图片、主要风格意向评价平均分，从而建立起生物风格意向评价指标。如此一来，当确定设计目标的感性意向时，可以用形容词检索的方式找出对应的仿生生物。本研究中，按照上述选取仿生对象的标准，选取了蜻蜓翅膀、豹纹、四叶草、向日葵花盘、龟壳以及蜂巢6种意向（见图2）。对图片进行去色处理后，展开消费者的感性收集，进而建立一个拥有6种生物风格小型意向的评价库。

图2 用于测试的生物意向

表2 生物风格意向评价收集测量

3.2.3 确定特定风格的仿生生物 在建立了形容词汇评价尺度量表与生物意向评价指标后，可以获得消费者对于各个生物意向的感性评价特点。此时，当设计目标确定时，可以通过目标任务的感性词汇来寻找合适的仿生对象。例如，若需要设计具有 “规律” “严谨”特征的产品肌理，则将“规律的” “严谨的”对应至3.2.2小节中确立的意向评价库，按照感性意向评价分数的绝对值高低排序，寻找合适的仿生对象。因此，这种方法匹配出的结果，能够将用户的感性需求与具体的生物形容词汇对应起来，进而解决仿生设计中设计方案与感性意向匹配不准确的问题。最终匹配到的仿生对象评分结果如表3所示。

表3 匹配的仿生对象

3.3 参数化仿生设计建模过程

根据3.2中建立的6种生物风格意向的评价库，参考“规律”“严谨”2个形容词，匹配出蜂巢、三叶草以及向日葵3种合适的仿生对象，根据其生物特征，可以在Rhino及Grasshopper平台中开始进行仿生建模。

3.3.1 蜂巢 蜂巢的表面可以视为正六边形的四方连续，以六边形为基础，可以做出多种肌理形式，在Grasshopper中，通过一个基本的六边形四方连续的算法逻辑，做出多种变式。

（1）常规型：在Grasshopper中使用“Hexagonal”组件，生成四方连续的六边形，再利用“Scale”组件进行缩放处理，得到一组六边形框架，如图3所示。将其“BAKE”到Rhino中，能够生成多种常见的蜂巢式肌理（见图4）。

图3 常规型蜂巢肌理生成算法

图4 常规型蜂巢肌理

（2）交错型：在常规型六边形肌理的基础上再加一组四方连续式六边形，2组六边形交错排列，形成一种错落有致的肌理形式。首先，使用“Hexagonal”组件，生成第1组基础六边形；将六边形分段，利用 “List Item”组件提取出其中一个顶点，再利用“Polygon”组件生成第2组六边形，其大小可以通过第1组六边形的边长进行固定比例的控制，并通过缩放，生成第3组六边形，整个纹样的算法逻辑如图5所示，最终生成交错式肌理方案如图6所示。

图5 交错型蜂巢肌理生成算法

图6 交错型蜂巢肌理

（3）缩放型：常规型和交错型蜂巢肌理都保留了蜂巢基本的六边形四方连续特征，在此基础上，还可以做出一些随机形式的变化，营造不同的排列风格。在上述算法的基础上加入点干扰或者线干扰，让四方连续的六边形产生规律性的缩放变化，其建模逻辑如图7所示。提取每个六边形中心点后，随机设置一个点P，利用“Pull Point”运算器获取每一个六边形中心点到点P的距离。将所有的距离值作为一个集合，并用 “Remap Numbers”运算器将这些数值映射到一个新的区间范围，这个新的区间即是缩放比例的范围。如此一来，便形成一种距离点P越近的六边形，缩放比例越小，距离点P越远的六边形，缩放比例越大的效果。此外，点P的干扰亦可换为多点同时干扰的效果（见图7）。另外，若将点P换成曲线C，则能够形成一种线干扰的效果（见图8）。生成规律性缩放纹样后除了可以进行平面肌理处理，还可以进行随机厚度式肌理处理（见图9），赋予其更多变化，以应对不同的设计情境。图10展示了几种缩放型蜂巢肌理。

图7 点干扰下的缩放型蜂巢肌理

图8 线干扰下的缩放型蜂巢肌理

图9 赋予每个六边形单元随机厚度

图10 缩放型蜂巢肌理

3.3.2 四叶草 四叶草的叶片轮廓可以拆解为图11所示的构成形式。其叶片可视为在内外2个同心圆之间的分布，将内外圆进行等分处理，叶片宽度与叶片间隙的长度比大致视为2∶1。因此，按照这种思路，可以得到如下建模算法 （见图12）：首先用“Square”组件确定整个肌理框架，在方格交点处利用“Circle”运算器生成一组同心圆，接着将内部小圆等分为4份，外围大圆等分为12份；在此基础上，用“List Item”运算器提取所需要的等分点，并通过“Interpolate”运算器的处理，将所挑选出的等分点对应串联起来，即可得到模拟出的四叶草肌理形式。将图案“Bake”到Rhino中后，经过处理，可以得到四叶草式的肌理形式（见图13）。

图11 四叶草构成形式

图13 四叶草型肌理

3.3.3 向日葵 向日葵花籽的排列为著名的斐波那契螺旋线的形式，在做出此排列方式的过程中，可以通过拟合斐波那契螺旋线实现，也可以更加直观地总结向日葵花籽的排列规律，让仿生设计过程更加浅显易懂。如图14可以看出，向日葵花盘可以视为由一组正螺旋线与一组反螺旋线排布而成，2组螺旋线相交产生交点集，而这些交点位置正是向日葵花籽所在之处。

图14 向日葵盘面构成形式

按照上述逻辑，在Grasshopper中，如图15（a）所示方法进行建模。首先，生成2组旋转方向相反的点，以这2组点为基准，分别顺时针/逆时针旋转，进而生成一组正螺旋线和一组反螺旋线。在此案例中，2组螺旋线的数量分别取36与60，选取的数量可根据视觉效果进行调整。在此基础上，通过“Curve/Curve”运算器获得2组螺旋线的交点，在获取交点位置后，以交点为中心画圆，再将各个交点距离坐标原点的距离组成集合，通过“Remap Numbers”运算器将此集合映射出生成圆的半径集合，最终生成如图15（b）所示的半径有序增大的圆点阵； 再通过 “Bake” 指令， 将Grasshopper中的 圆 点阵 “Bake”到Rhino中，转换为Rhino适用的NURBS建模方式，进行进一步的建模处理，这样可以得到多种向日葵花盘式的肌理效果（见图16）。

图15 向日葵盘面参数化生成算法

图16 向日葵盘面式的产品肌理

同时，在Grasshopper的运算逻辑中，适当改变螺旋线数量、生成的圆点的半径等数值，能够得出不同样式的肌理。

可以看出，针对不同的仿生对象，建立相应的建模逻辑，可以生成不同的肌理方案。同时，针对某一建模逻辑，设置不同的参数，又能够生成形式迥异的设计方案，以应对不同的设计情境。这样一来，让设计方案不仅仅停留在对仿生对象本身的还原上，还能够做出一定的变化，让方案更加丰富多彩。

3.4 肌理方案的感性评价

针对3.3中生成的肌理方案，需要进行相应的感性评价以验证这种方法的有效性。选取其中常规型蜂巢肌理、交错型蜂巢肌理、四叶草型肌理以及向日葵盘面肌理4种对仿生对象还原度较高的肌理方案进行测试。将这4种肌理分别布于同一款制氧机模型的正面（见图17），进行用户测试时使用无彩色系配色，以减少色彩倾向对用户评价的干扰；再依据感性匹配阶段所依据的形容词，制作李克特评分量表（见表4）。邀请另外的20名测试者，针对上述4种肌理的制氧机图片，进行感性词汇的量化评分，所得结果如表5所示。

表4 肌理方案评价李克特量表

表5 评价结果统计

图17 同一产品的不同肌理形式

根据感性评价的结果可以看出，使用了这几种仿生肌理产品设计方案的评分均值都高于3.50，可以体现出消费者对方案的肯定，能够给人一种“规律的” “严谨的”感觉，高度匹配了预设的设计需求与仿生对象的生物特征。

纵观本研究中的整个仿生设计过程，在融入了感性匹配与参数化建模方法后，输出的设计方案能够贴近初期的设计目标，满足用户的感性需求。另外，参数化建模的特点能够让设计师用一套算法逻辑做出多种变式方案，丰富设计结果，并根据使用场景进行针对性选择。

四、结 语

针对仿生设计中存在用户感性需求的把握、仿生本体与输出产品特征匹配等难点，将参数化设计方法与感性匹配的方式引入仿生设计，并以产品肌理设计为例，证明了用感性匹配与参数化建模方式进行仿生设计的可行性与有效性。在整个仿生过程中，利用参数化建模算法还原生物本体特征，为仿生提供更加充分的依据；将生成的肌理方案用于具体产品表面，依然能满足相匹配的用户感性需求。因此，在产品研发过程中，可以选择用产品肌理的相关设计来满足用户相应的感性需求，而在产品肌理设计时，可以利用感性匹配和参数化设计方法进行相应的开发与研究。

然而，本研究中涉及的生物意向还不够全面，如能建立一个更加庞大且全面的生物意向评价库，丰富仿生对象的选择，产出的方案也能更加理想。另外，在进行意向评价时，除了生物与产品形态的影响，颜色、材质等也是影响用户感觉的要素，本研究中主要研究了形态对用户的影响，若要建立更加完善的意向评价库，需要在感性匹配阶段进行更加全面的调查与测试。