仿生学在家电创新中的应用思考

张若晨

关键词：仿生学 家电创新 仿生设计 工业设计 设计流程

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2022）08-0113-03

引言

仿生学是近年来发展起来的一门将科学技术与生物自然相结合的交叉性学科。人类通过对自然长时间的研究和总结形成了仿生学成果，其表明大自然为人类面临的问题提供了特定参照和解决方案。基于科学理论，这些解决方案是基于自然进化的长期优化过程，不断发现原理并解决人类技术问题。

美国斯蒂尔博士于1960年提出的“仿生学”这一概念，将生态系统结构与生物生命活动过程作为技术创新设计的标准，它使人类社会由向自然万物获取过渡为与自然界相互依存，并从中学习去创造世界的新纪元[1]。仿生学可以分为两个独立的开发过程。第一是自上而下的过程，它从技术或者问题定义开始，然后是寻找生物类比及其技术解释。第二是自下而上的过程，先是对自然的分析，然后是对生物学原理的抽象和对技术应用的探索[2]。

从工程应用上，仿生学是一种从生命自然中汲取灵感，为问题寻找技术解决方案的重要手段。基于仿生学相关理论和成果而衍生出的仿生设计，通过在自然界中发现的生态功能、形态和结构等生物样本，进而科学指导工业设计过程。设计师通过理解自然元素的功能本体，将它们应用到具体产品中，会产生极其精美，叹为观止的优秀设计。仿生设计具体表现可分为形态仿生、功能仿生、结构与肌理仿生。

一、仿生设计的基本流程

仿生设计是现代工业设计中的一个分支，是重要的创新设计方法之一。基本流程是基于清晰的产品定位，在对自然界生态模仿基础之上，结合仿生学思维与设计定位，进一步的分析、对比、设计、验证与评价，最终输出设计方案。仿生设计与单一的仿生学具体应用不同，它是以自然界所涵盖的生态中的“形态”“颜色”“声音”“功能”“结构”等作为研究对象，根据科学规律结合需求在设计过程中应用这些因素进行设计。仿生学思维在产品设计中能从科学与理性的角度促进激发设计灵感，产品仿生设计过程可以表示如下图1所示。

在流程中可发现，仿生设计不仅仅是采集、模仿、复制，而是对仿生学的延伸与发展，是人类生活中对于仿生学研究的另一种成果展示。通过对自然生态的探索，结合人文因素，给予设计更多的启发与思考，从而丰富社会生活需求，构成了人与自然共生，生态系统化的设计思维。

二、仿生设计与家电创新

（一）发展概况与沿革

自工艺美术运动时期，“以人为本”的设计思想诞生并沿用至今，设计围绕着人的主体随时代与生活的发展而不断发展，在人们日常行为的每一个环节都需要设计，另一方面设计也是源自于生活的，因而设计与生活是相辅相成的。随着科技研究手段的丰富化，不同形式的新生命物种不断涌现出来，人们在反复的探索与实践中获得启发与创新趋向。基于物质与精神方面的创新，围绕仿生学进行工业设计逐渐演化而成仿生设计。

随着科技的进步和经济的发展，人们对于生活品质要求的指数呈上升趋势，其中家电产品作为日常生活中的一个重要的器具，将人们的生活品质提高到一个新的台阶。一件设计精良，形态优美的家电产品会让消费者获得生活的满足感。中国家用电器行业经过三十多年的快速发展，推出了大量的家电产品，从基础款小家电到洗碗机、蒸烤箱、大型冰箱和洗衣机，成为国民经济支柱产业。美好的家电创新一直改善着人们的生活，仿生学新理念的融入更是进一步改变着人们对生活方式和个性态度的风格选择。工业设计的目的是创造更加美好的生活，随着人们对自然生态的深入考察探索，仿生学获得了迅速的发展[3]。人们利用仿生学原理来进行工业设计，从而使得仿生设计成为了工业设计中的一个重要研究方向。

从19世纪末以来，世界产业与技术经历了机械化、电气化、数字化、智能化的连续技术發展，面临许多挑战和新课题。同时，随着全球化语境下，绿色双碳循环经济，无人化工业制造，高性能无处不在的计算，万物互联与融合[4]，创新与变革成为新时代产业发展的动力与风向标。由于仿生设计是通过研究生物生态系统的相关原理来思考产品解决方案，因此不仅是生物层面的技术研究与设计方式，更是推进人类新的生活方式的设计手段，它为科学技术与工业设计的发展提供了探索性的途径、方法与思路。

（二）仿生设计在家电创新中的应用机会

为了提升用户对于家电使用过程中的体验性以及市场发展的需求，设计师和用户之间的策略互动以产品为媒介引入了仿生设计的设计方式。在这种情景下，仿生学是设计者的另一种替代工具，是一门多学科交叉科学，主要对自然系统（结构、过程、功能、组织和相互关系）的原理、特性和机制进行研究，将它们应用于新产品的研发并解决相关问题。仿生设计的应用涉及了多个领域，在智能信息化的时代下，仿生设计以不同方式融入到家电创新中，为人们提供了更加智能、环保、舒适的生活体验。

1.形态仿生：形态仿生设计可分为具象仿生与抽象仿生，在借鉴提取生态万物的形态基础之上以视觉切入点进行设计创新。抽象与具象的区别在于前者将提取的形态赋予夸张、简化、变形等手法，更充满探索与趣味。例如Dongs Liu所设计的Baby M儿童监视器，该设计以鸟儿的形态作为仿生对象，将形态仿生与技术融合，使得用户、产品、环境之间的互动相对于传统的儿童监视器更加多样化。

2.功能仿生：自然界中动植物的某些方面的功能获得的成果远远超越了人类自身[5]。功能仿生不仅能够满足人类的基本需求，同时借助仿生学相关原理，注重人类精神、心理方面的需求。通过捕捉与学习生物本身的独特功能，并从中有效提炼这些功能的设计机会点，以满足切实需求。例如HIZERO采用仿生黏附清洁技术的一体式仿生洗地机，将自然界的物理现象“黏附”作为设计出发点，在仿生功能层面上以生态原性能为核心，基于自然系统生态学，包括自然元素的功能机制以及触发其生物力学的原理，针对性地进行设计，有效地将科学与设计相结合。

3.结构与肌理仿生：自然界中除形態功能仿生研究之外，生态物种的结构与肌理也对设计提供了诸多研究方向，通过对自然元素的组织、组成部分，以及生长方式进行探索，总结归纳物种表面肌理和材料组织结构，实现仿生设计的价值意义。例如卡萨帝嵌入式冰箱，将仿生设计自然地融入橱柜。采用原石肌理并模拟了原石的手感与质感，融入了水墨山水的设计意境，加上波纹效果的面板，构成了一种光影相交融的效果，给予用户优越的感官体验。

三、家电创新中的仿生设计基本理念

在社会发展历史长河中，人类利用自然界中的仿生原理创造出了多种改变人类社会进程的家用器具，现如今通过对生态的不断深入研究，新的仿生技术出现并应用到了不同类型的家电产品中。为了更好地设计出颠覆性、高差异化家电产品，应当基于以下几个方面思考：

（一）艺术性与严谨性的动态平衡

对于仿生家电产品，其设计出发点均来自于生活中的自然灵感，通过探究不同仿生对象而创造营造出独特的感官体验，为人类生活充满自然气息。在进行仿生设计之前，针对设计目标了解并确立仿生的对象是重中之重的，并且造型是设计的核心要点之一，对于形态、形态、结构、颜色等方面往往需要研究者更加准确地对数据进行把控。一是为了保证设计与仿生之间的严谨性，二是出于一种对大自然的敬畏，无论是整体的外观还是形态结构比例，再到每一处细节肌理都需要非常细致的观察与记录。

家电仿生设计以基于仿生设计学理论的研究，最终产出产品为落脚点的研究成果，为用户带来积极的用户体验。鲁汶大学研究团队表示近些年，制造业中的生物转化通过利用仿生原理、功能和结构来开发更多的可使用的制造系统，突破以往的基本原理，将其转化为生物学到工程学的思维来创造创新的思想[6]。该研究团队通过各种研究已经验证了在概念设计阶段以生物作为灵感来源以输出解决方案。克什瓦尼、范德韦恩、艾哈迈德·克里斯滕森等学者观察到在设计前通过对自然的探索以获取灵感与基本的头脑风暴和随机图像相比，设计产出的新颖性与创新程度有所增加。并通过案例分析发现，大部分现有的仿生设计没有通过具体的设计方法进行产出，而是通过偶然观察到相关的生物现象而创造的。

基于与科学技术相结合对家电仿生进行创新研究的背景下，家电仿生设计的过程往往需要更系统的设计方法，以支撑整个设计过程中不同阶段的工作流程，如设计问题的提出、生物学策略的引入、设计研究与分析、技术选择与设计产出等。在前期调研阶段，通过检索相关的生物学策略，在分析阶段从中提取有趣的原理。最后，这些生物学原理在知识转移阶段为家电创新提供了灵感。

仿生设计从某种层面上来说是现代主义设计的一个分支，同时也是一种延续性补充。与其他设计学科相比，仿生设计也具有艺术性的共同特点。基于一定的设计原理、仿生理论与研究成果，仿生学能够站在更为科学、理性的角度为家电创新提供外观形态创想与依据支撑，通过仿生思维将设计理念融入到家电产品中，赋予仿生家电产品科学与严谨的特征。

（二）包容性与独特性的动态均衡

在互联网发展时代，通过互联与兼容不断推动现代技术的迭代发展。仿生学作为一门新兴学科是解决问题的有力工具，为不同背景学科提供理论与技术支撑，生态自然可以激发多领域的技术解决方案，它可以让人们学习并从大自然卓越而高效的结构系统中获得启发。同时，仿生设计也具备开放兼容的特点，家电仿生设计是仿生设计的进一步细分研究种类，其综合了多门学科种类。

仿生学对于设计而言不仅仅是对生态的借鉴或者模仿，更多的是围绕理论与设计需求，通过自然本身所传递给人类的现象去研究其背后的影响机制。同时，多学科的研究在整个人类历史上产生了许多重大的发明和突破，创造了更大的创新研究领域。根据美国专利商标局的调查显示，仿生相关专利占美国专利总数的百分比急剧增加。Lepora等学者表明，仿生学的在多个领域的研究的现已达到每年近3000篇文献，仿生学的快速发展有力推动了不同学科领域的发展，表明了对新技术产生重大影响的潜力[7]。

通过对自然生物界不同种群的生物进行结构与分子层面的研究，为工业设计的设计创新提供了多方面的原理与技术参考，为进一步的设计构想提供了坚实的理论基础。同时，对于自然界万物的勘探研究也能从另一层面激发设计者的创作灵感，在多学科交叉研究的背景下，设计的推进过程如同生物界的进化过程，本质上结合了不同领域的数据与技术分析。因而仿生设计不仅仅需要设计的概念构思与创想，相关技术的投入也同样重要。

（三）生态性与技术性的动态持衡现

如今，全球在为减少温室气体排放而做出努力。欧洲环境局的相关研究表明，住宅能源消耗的排放量可能与工业排放量相同。住宅能源使用对于其目前的规模和潜在增长将直接影响人类的日常生活。家电是目前住宅能源消耗的核心构成部分，家电消耗占总用电量的很大比例。虽然地球的生存环境受到全球变暖和长期能源供应的不确定性的影响，但通过设计找到一些减少能源消耗的方法和原则是十分重要的。

同时，从系统的视角来看，仿生设计本身便是以生态自然为设计出发点，仿生设计与参数化逐渐在产品设计中得以应用。参数化是一种全新的设计范式，东地中海大学的研究团队通过对仿生LAVA摩天大楼为案例进行研究[8]，最终得出仿生立面参数化设计减少能量计算的逻辑，也进一步得出了参数化模式应用于仿生学可以实现可观的节能。如今在家电仿生设计中，也逐渐引入了参数化设计。将参数化模式应用于仿生家电，将传统的过程设计框架扩展到绿色过程设计和生态仿生设计学，可以实现更可观的节能可持续。

在仿生设计中，生态与技术呈一种平衡的关系。因而家电的可持续性、能源消耗程度以及减少能源消耗的方式成为设计中要考虑的重点问题之一。家电产品随用户与自然本体的需求进行不断迭代，促进其适应性与可持续性发展，一方面延长了产品的使用寿命，另一方面有效减少了生态危害，绿色生态的概念和技术已经诞生了作为可持续发展的理念不断发展，环境保护的概念也被考虑在仿生设计的方方面面，对仿生家电创新的发展产生着积极的意义。

四、 家电创新中的仿生设计手段

从远古时期开始，人类便从自然中学到了很多东西，在当今快速变化的时代，人类将更深程度地对自然进行研究。这提供给设计师更多来进行新的探索人与自然之间的关系的机会。家电创新依托于仿生设计通过合理运用智能创新技术，探索新的发展趋势，其方法主要分布于以下三个方面。

（一）生态共生的系统论

自工业革命开始以来，技术已经极大地改变了人与环境的关系。技术创新使人们能够在地球环境中生存，并普遍过上更舒适的生活。设计除了满足人类的基本需求，更多的是通过设计的产物去改变人类对于生活的态度，让世界更美好。

仿生设计一般是基于野生自然生物的形式和现象。这种风格的设计者主要关注自然存在的物理方面以及它们的进化形式。因此，可以认为，仿生设计的主要目的是鼓励和扩大自然与人之间的和谐联系。在设计过程中，以自然环境、用户行为、资源技术作为仿生设计导向，形成了生态化的设计创新，共同构成了生态共生的最终目标（图2）。因而，设计师可以通过自己的方式从自然界中存在的普通事物中获得灵感，结合家电的基本需求与拓展需求进行设计研发。

生态、家电产品、用户构成了人类生活的生态圈，是家电仿生设计的系统组成部分。如海尔品牌一直秉承着生态可持续的创新方针，从环境角度其所推出的“场景生态”方法论，为用户定义了“新居住”的生活方式。从产品角度，海尔通过捕捉自然风，并通过仿生研究将其应用到智能空调上，为了得到更真实的实验数据，海尔研发人员行走2万余公里测试了300多个自然场景，从凉爽，到寒冷再到各种环境下对自然风的风速及风量进行了数据采集，最后通过对比自然风与机械风的差异性，运用大数据分析推导出自然风模拟方程式进行设计产出，营造了人与自然共生的创新理念。

（二）学科交叉的方法论

在仿生学中，通过模仿进化创造的结构与过程，基于科学家、工程师、建筑师、哲学家和设计师等多学科领域的研究，将更为系统地去分析大自然是如何成功解决问题的，同时以一种脱离自然的方式复制或重新设计研究的过程或对象。仿生家电创新的学科交叉性通过设计人文与其他学科技术的相融合，一方面是将技术与设计结合，使得产出更加具备实用性，另一方面是通过技术与生态传递出人文关怀的设计宗旨。

如今，将设计、生物科学、技术相结合的设计研发项目得到了社会更多的关注。仿生设计被提出以寻找一种更好地将自然和人类活动联系起来的方法与理论，例如通过分析一些特殊的动物的身体和骨骼，模拟它们的敏感性和活动性，最终形成了更有效、更舒适的创新型结构，通过前后的数据比对，可以得出这些设计的结构类型更加节能和环保。另如海尔基于智能仿生人，将智能联动应用于空调迭代设计中，实现了省电、杀菌率高的功能特性。

（三）材料结构的空间论

回顾古往今来，在人类材料文明发展史中，从早期使用的石器、木材到目前使用的高分子、光电、半导体等先进材料，新材料技术的创新一直是社会发展的强大推动力。例如通过研究生物结构来解决工程问题，国内外相关学者专注研究自然微结构转化为仿生轻量级设计方案，受多尺度结构生物的启发，研制出多功能轻质材料，将材料应用于具体的适用产品中。

同时，将尺度极小的纳米材料通过化学和材料的手段来合成出宏观尺度的产品，是未来创新路上的挑战。例如贝壳虽然主要由碳酸钙这种非常脆的无机材料构成，但是通过结构合成的贝壳却拥有极高的力学强度。因此，自然界中的不同生物体的形成展现出了多尺度、多层次的精细结构。

自然生态的多种结构给予仿生家电创新材料创新的探索性启发。通过微结构与宏观结构的仿生研究，将推动更加系统化的仿生家电创新。

五、仿生设计在家电创新中的应用前景

基于设计学科背景下，国内外的相关领域学者围绕仿生学具体应用进行了新的方法开发研究，南里奥格兰德联邦大学的材料与设计专业研究团队通过开发新方法以应用于仿生学研究，去帮助设计师搜集提炼基本信息，并进一步应用于产品设计规划，从而更加高效地提出解决方案。仿生学作为一种多学科科学，促进多学科中的思维互相融合、互为补充，在一定程度上使得科学与设计形成了更加系统化的设计理念与方法。

对于家电创新，仿生学与工业设计两个学科之间具有相对的共性特点，如德国设计师卢吉·科拉尼所说，“设计应该以大自然生命所呈现的真理为基础”。仿生设计在一定程度上拉近了人类与自然的关系，成为了人类生活中的重要部分，在科学技术发展的推动下，家电仿生产品具有广阔的发展前景，其创新研究具有非常大的优化空间。同时，仿生设计在理论研究与实际应用两个方面都对家电创新具有一定的意义。从理论研究层面而言，仿生设计学可以通过产品语义研究解决仿生设计中的感性问题[9]，赋予产品多样化的语言特征，凸显出不同仿生产品的个性化视觉体验，提供了更加理性、量化的设计方法。从实际应用层面而言，仿生家电产品所带给用户的自然元素符号将促使用户产生功能与生态之间的联动，增强用户对于产品功能属性的理解度，也提升了用户对于功能属性的认同感。

历经多年的发展，我国的家电产业已经逐步走向成熟化阶段。随着家电行业的相关政策调整、科技进步、消费结构升级以及用戶需求的双重推动下，我国家电行业也一直呈高速增长状态，用户作为消费主体对于家电产品的需求方向也越来越多样化。而仿生设计是真正实现仿生学与工业设计充分结合，实现、满足用户的精神与物质的需求。

结语

在现代设计中，仿生设计中个性化的设计方式、生态化的设计理念，将自然灵感用于产品设计，不仅满足了社会的需求，同时也秉承着可持续设计思维、回归自然的理念，利用生命自然作为设计能源和资源节约型技术，有效地实现了设计目标并完成了创造过程。站在人性化角度，仿生设计作为一种新兴设计方法，其通过不同学科间的融合与创新，推动生态、人与社会的和谐共生，给予人类更多关于自然的启发与思考，其设计思维会推动工业设计的高质量发展。在未来，随人们创新意识的提高、创新资源的丰富化、新技术的研发等因素的出现，有力地推动了仿生家电的更新换代，促进了仿生家电创新的发展。因而，在未来仿生家电产品将成为市场中的一个重要地位。