基于仿生设计学的交叉探究

摘要：在设计过程中人工智能的辅助作用日趋显著，而人工智能的广泛应用使得设计思维的研究方式得到了极大的拓展和深化。在设计思维的教育、研究和应用方面，AI智导在仿生设计领域将人工智能与设计思维相结合，帮助设计师实现更高效、精准和创新的仿生设计，突破仿生设计的瓶颈并推动该领域的发展。本文首先介绍AI智导在仿生设计中的发展历程，然后重点介绍AI智导在仿生设计中的应用研究，最后，提出AI智导在仿生设计的挑战与未来展望。

关键词：仿生学；产品形态设计；拟态元素；智能化；产品设计

中图分类号：J 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2024）13-0114-03

引言

仿生设计交叉智能AI 的主要目的是将自然界中的生物系统与现代科技相结合，探索不同领域之间的相互作用和影响。随着科学技术的发展和人工智能的兴起，我们不禁想到仿生学和智能化在产品设计中的融合，同时引发了模仿元素和产品形态设计的研究热潮。然而，传统的仿生设计方法，如长音宫灯（图 1）和羽纹铜凤灯（图 2）是中国古代传统创作中仿生设计的产物，往往依靠对自然形态的模仿和抽象来达到设计目的。然而，现代产品设计的需求更加复杂，更系统、更科学的方法来指导仿生设计。

在人工智能的引领下，新一代智能仿生设计的交叉助力人类探索生物系统中的设计原则，使其成为创新设计和智能制造领域的重要突破。人工智能与仿生设计相结合可以形成新的设计思维模式，可以帮助解决更多复杂的设计问题，提升产品体验，推动着产品创新。这种思维方式将人类需求、仿生学和人工智能技术相结合，实现人与自然的和谐发展，将设计带入智能化的新时代。尽管AI 在自然语言处理、计算机视觉和语音识别等诸多领域取得了许多显著成果，但将AI 与仿生设计相结合，以实现人与自然的和谐发展，仍然是一个巨大的挑战。例如，在推动人工智能与仿生设计相结合的过程中，技术挑战（如难以获取复杂数据的技术挑战）、实践应用问题（如设计师与AI 智能交互不够自然的挑战）和伦理问题（如数据安全、隐私保护等伦理问题），都需要认真思考和解决。

针对上述问题，本文将深入探讨人工智能和仿生设计在产品创新中的应用，全面梳理和分析AI 智能引导在仿生设计中的发展、挑战以及未来趋势，为相关领域的研究人员和从业者提供一定参考和启示。希望本文能够为AI 智导在仿生设计中的应用提供更深入的见解，并激发对未来AI 智导在产品创新中的研究与应用。

一、AI智导的发展促进仿生设计的革新

AIGC（AI-Generated Content，生成式人工智能）在仿生设计领域中的应用，将为创新设计和智能制造领域带来更大的突破，如AI 数控算法、 智能传感设备、智能恒温系统等技术的高速发展，为仿生设计提供了强大的技术支撑，也使设计师能够更高效地解决复杂的设计问题，提升产品体验，这是未来设计师需要进一步探索的新思路和新方法。

未来，设计人员需要在探索AI 数控算法、 智能传感设备、智能恒温系统等领域。基于“智导一代”的发展，探究了灭蚊灯的不同概念和应用，从以下几个方面进行了探索：（1）“猪笼草拟态元素”；（2）“软体仿生变色龙机器人”；（3）“蜻蜓微影图像识别技术应用”；（4）“海豚音波通信技术应用”（图 3）；（5）“水母生物光感材料应用”，这些元素不仅为设计提供了创新的思路，也使设计充满未来感和神秘感。首先，让我们来探讨一下这些元素是如何为设计提供创新性的，比如“猪笼草拟态元素”利用人工智能技术对产品形状进行数字化重组，让“猪笼草”“捕蝇草”等生物被数字化解码，呈现出独特的植物形态，增加了设计的自然美感；其次是“水母生物光感材料应用”利用光感材料实现随环境变化而变化的功能，增加了设计的交互性和动态美感；此外还有“蜻蜓微影图像识别技术”（扫视追踪算法），可以准确识别蚊子在不同光环境条件下的飞行轨迹和位置，并结合3.3 智能触控屏应用实现快速的图像处理和反馈，在增加产品精准度和灵敏度的同时，也增加了设计的科技感；最后，我们的灭蚊灯也采用了静音工作模式，考虑到使用场景的特殊性，静音工作模式可以保证在工作过程中不会产生过大的噪音，让用户在使用过程中更加舒适和放松。科技与艺术完美结合的体现，也是对AI 未来人类未来生活方式的重新定义。

综上所述，仿昆虫智能、海豚音波通信技术、水母生物光感材料等生物智能应用，在科技发展过程中推动了仿生设计的创新，为材料科学和工程技术提供了新的解决方案和思路，弥补了旧方法的不足，推动了人类社会的不断进步。从另一角度来看，仿生设计在研究方向上的创新也拓宽了AI 智导的范围和影响力，两者相辅相成，共同推动着科学技术的发展。

二、AI智导在仿生设计中的应用

AI 智导在仿生设计的具体应用包括竞品分析、产品定位、产品测试、更新升级和用户分析等多个方面。

（一）基于AI 智导的竞品分析

竞品分析是以事实与数据为基础，对市场上的已有产品进行客观深入的对比研究，找出自身产品与竞品之间的差距和优势，从而制订出更有效的竞争策略，进而更新升级产品。AI 智导是仿生设计中的具体应用之一，通过自动数据采集和整理，可以帮助竞品提高在分析过程中的准确性和效率，AI 智导可以快速找出竞品的优缺点，从而为设计师提供有价值的参考信息。

（二）基于AI 智导的产品定位

产品定位是以竞品分析、消费者需求以及市场营销策略的研究，为设计师和营销团队制定更有针对性的营销策略并提供有价值的参考信息。AI 智导可以帮助消费者进行更精准的产品定位，通过分析市场上的竞品，可以细化消费者对灭蚊灯的需求和期望，推荐适合消费者的产品。同时，AI 智导可以帮助消费者了解产品的特点和优势，提高消费者对产品的认知度，并促进产品的销售和品牌建设。

（三）基于AI 智导生成的产品测试

1.AI 智导CMF 纹理应用：在产品设计过程中，采用CMF 纹理与计算机技术相结合，赋予产品更丰富的色彩和质感，以自然的植物纹理表现产品外观的自然美。计算机辅助设计软件结合3D 打印技术，对其外观和功能进行精确模拟和优化，利用高精度打印和细节还原技术，构建猪笼草顶部引诱器、口沿捕蚊千叶、内部的消化器的三维模型并利用FDM 和SLA 打印技术将模型转化为实物，实现纹理的精准呈现。通过AI 智导生成的纹理设计，产品测试结果不仅使产品外观更具层次感，也满足了CMF 对多样化纹理的需求，从而为后续的灯罩和灯座的制作奠定基础。

2.AI 智导光触媒技术应用：在灯罩和灯座的制作过程中，我们采用AI 智导光触媒技术，在点亮灯具的同时有效净化空气，为家居环境带来更健康的体验。光触媒技术，以纳米二氧化钛（TIO2）和UV-A（波长：315 ～ 400 豪微米之间对人体无害）为催化剂，其基本原理是将UV-A照射在涂有二氧化钛的玻璃表面上，在此过程中会生成羟基分子和过氧化物，离子破坏细菌并将其分解成水和二氧化碳，以及去除无菌气体污染物的烟雾、真菌、霉菌。通过光触媒的技术应用，我们的灯具不仅提供明亮的光线，而且为室内的空气质量提供有效的保护，同时对蚊虫有极好的吸引力，让它们乐于待在灯下。

3.AI 智导算法可行性应用：通过智能AI 算法对系统进行整体优化，实现人机交互，最大程度简化操作流程，提升用户体验，从以下几个方面实时监控和调整猪笼草灯的工作状态：（1）智能传感设备：产品形体以猪笼草为蓝本构建，内置智能传感设备，如光传感器和温湿度传感器，精准捕捉蚊虫。同时，容器设计防止逃逸，确保蚊虫不会逃出。（2）智能恒温系统：容器内部安装有智能恒温系统，根据外界温度自动调节灯内温度，以吸引蚊虫。同时，系统根据容器内的温度自动调节以保持最佳的捕蚊效果。（3）节能环保设计：灯具采用节能环保设计，采用可再生材料制造，且能在无人在场的情况下自动关闭，节约用电。此外，该灯具是可完全降解的，不会对环境造成负面影响。（4）智能触控屏：操作非常简单，只需轻触屏幕即可完成一键操作，方便用户使用。同时，在触控屏上增加了一个小型摄像头，软扫视追踪算法的图像识别技术（图 4），自动统计飞入灯的蚊子，并显示在触控屏上，供用户了解灯具的工作状态和蚊虫数量。

通过智能算法运用实现了对猪笼草灯内部参数的精准控制，包括光的亮度和颜色，紫外线的强度以及猪笼草的捕获机制进行深度模拟。通过智能算法优化的猪笼草灯不仅可以有效诱捕蚊虫，还可以根据实际应用场景调整灯的各项参数，使其更符合用户需求，同时延长了猪笼草灭蚊灯的使用寿命，确保猪笼草灭蚊灯以最优的方式运作，并实现对猪笼草灭蚊灯工作状态的实时监控和调整，从而优化其捕蚊效果和效率，也可以作为未来猪笼草生态学研究的基础。此外，算法还可用于评估猪笼草灭蚊灯的耐用性和可靠性，以实现更有效地生产管理和质量控制。

（四）基于AI 智导的更新升级

AI智导的更新升级这款捕蚊器在原有的基础上增加了智能控制模块，支持远程控制和定时开机/ 关机。通过手机终端，用户可以随时随地控制捕蚊器，并且可以通过网络进行升级和优化，因此，智能化的概念在原有的基础上更好地满足人们需求。此外，天然植物元素的加入在满是科技风中杀出重围，既蕴含自然趣味，又符合现代都市的个性化需求。

1. 基于产品形体的外观革新：现有的灭蚊灯产品的外观形体多以圆形或椭圆形，而“猪笼草”拟态元素的应用是设计和应用方法上的创新，其产品形态的灵感来自猪笼草。突破传统灭蚊灯的形态，在外观上采用猪笼草的形状，增加趣味性，实现高效捕蚊。此外，还可以增加智能元素，如联网升级、智能识别等，以增强用户体验。

灭蚊灯外观的创新主要体现在以下几个方面：（1）“一体化”的形态：造型灵感来源于猪笼草，采用拟态元素设计，保留的笼体纤细流线型的外观，一体化成型不仅增强了外观的美感，而且增加了产品的趣味性和携带的便携性。这使得产品美观且实用，如（图 8）所示。（2）“简约化”的风格：“猪笼草”灭蚊灯外观没有任何多余的装饰，以简约的风格为主要设计理念，修长的机身，顶部覆盖着一片小叶子，呈现出流畅的线条，使得产品脱颖而出，既环保又时尚，又可以用来灭蚊，还可以作为家居装饰，增添一丝优雅。（3）“便捷化”的操作：基于猪笼的开合设计，以一体化成型为设计灵感，为用户实现便捷的操作体验。用户可以轻松地打开和关闭灭蚊灯，同时，用户可轻易打开灭蚊灯，清理内部蚊虫残骸进行清洁和保养。（4）“艺术化”的外观：现代简洁的外观设计，结合中国传统元素，使灭蚊灯更具艺术性，同时提高了产品的辨识度。此外，还可以在外观上运用一些流畅的线条和饱满的曲面，使整体造型更加动感和韵律美，增加产品的艺术感。同时，可以使用不同的材质和颜色，例如金属材质和亚光黑色的碰撞。

2. 基于产品结构的内部优化：19 世纪末至20 世纪初，美国建筑设计师沙利文提出“形式追随功能”的观点，强调产品设计应注重实用性，使产品能够更好地满足用户需求，提高用户体验。在2023 年人工智能大会上，提出一种类似于沙利文“形式追随功能”观点的现代设计理念，即“形式追随性能”。

这种设计理念强调产品外形应注重提升用户体验和性能，使产品能够更好地满足用户需求，内部结构的优化可以提升提高产品的稳定性和耐用性。首先需要考虑散热问题，散热器是灭蚊灯的核心部件，合理的散热结构能够保障灭蚊灯长时间稳定运行。其次，要保证产品的外观与内部结构相协调，这就需要注意灯具设计的整体性和一致性，既考虑照明功能，灯具的安装位置、照明范围、照明强度等因素（图 6）。此外，用户交互设计也应注意提高用户的舒适度和满意度。最后，需要注重产品的安全性和环保性，在保证足够吸引力的前提下，实现良好的能效转换，以保障使用者的安全和健康。灭蚊灯在夏季使用频率较高，因此灯具的外观和结构应具有良好的防潮、防尘性能。同时，灯具的电源线应采用耐高温、耐磨损的线材，以保证使用安全。

3. 基于产品使用的体验升级：为了提高灭蚊灯的使用体验，我们需要设计更人性化的操作界面、提供多种模式、个性化定制、易于维护等方式来，提升用户使用体验，同时，我们还需要保证产品的能效要求，以满足空间美学要求。

灯具的设计应符合人体工程学，易于清洁和维护，同时考虑到使用环境，应采用低噪音设计，避免干扰，将从以下几个方面进行：（1）设计更人性的操作界面：利用智能人机交互系统重塑操作界面，如语音控制、手机App 联网等，简化操作，提高用户使用效率。同时，对图标、文字等视觉元素进行优化，降低用户的使用门槛提供便捷方式，方便用户快速理解和操作。（2）提供和设计多种模式：如定时开关、光控开关、语音开关等，满足不同环境和用户需求。同时，可设置运行模式，如低速运行、快速运行等，以适应不同噪音要求。（3）个性化定制：通过提供用户的信息资料可自定义的工作模式和颜色以及CMF 纹理，实现个性化和美观。同时，我们提供标准的API 接口，可以很容易地与其他系统或设备连接和集成。（4）易维护和升级：设计易于维护和升级的产品结构，加设方便用户进行软件和硬件升级的提示和引导。（5）安全数据保护：除了基础的保护和物理安全机制外，我们的产品通过内置的安全模块和加密技术提供先进的安全保障，以保护用户的数据和隐私。用户体验的升级可以增强用户对产品的忠诚度和满意度，增强产品在市场上的竞争力。在进行产品设计开发，通过空间美学适应性和用户体验来满足用户个性化的需求，是产品优化的重要方向。

（五）基于AI 智导的用户分析

用户分析可以帮助产品团队更好地了解用户的需求和习惯，从而实现更精准的产品设计和优化。例如，通过分析用户行为，可以发现用户使用习惯、钟爱哪些功能以及他们最满意哪些设计，从而有针对性地改进产品。同时，AI 智导的用户分析也可以帮助产品团队更好地理解用户的情感需求，通过对话系统的情感检测，挖掘机器人与用户的交互语言，以监测结果为依据之一完善产品的情感设计，完整的用户反馈和行为数据也可用于优化产品设计和用户体验。智能数据分析工具可以帮助企业更好地了解用户需求，提高产品满意度和忠诚度，以及用户体验，从而增加用户黏性，促进口碑传播。

通过用户的反馈信息和行为数据，可以了解用户对产品的期望和不满，从而做出更精准的产品优化和改进。同时，AI 技术也被用于用户测试和调查，以更准确地理解用户的需求和行为。这些用户数据都被用于优化产品设计，改善用户体验，从而提高用户对产品的满意度。

三、AI智能在仿生设计中面临的挑战与展望

AI 智导在仿生设计中增添了新的设计思维，为解决复杂的设计问题提供了更多的可能性。然而，AI 智导也面临着许多挑战，如数据获取、模型精度、伦理问题等。

（一）难以获取复杂数据的技术挑战

技术挑战主要集中在如何获取大量高质量的仿生设计数据，AI 智能引导需要更精准数据，但是复杂的设计数据难以获取，给AI 智导的应用带来了一定的难度。目前主要依赖人工标注，耗时耗力且容易出错。如何将未标注数据转化为有效数据，以及如何处理数据之间的复杂关系，是AI 智导在解决复杂设计问题时需要克服的数据挑战。

（二）设计师与AI 智导交互方式不够自然的挑战

设计师在仿生设计时需要与AI 智导进行指令的输入与输出。然而，目前大多数的AI 智导系统只会简单的指令输入和结果输出，缺乏自然的交互方式模式。这使得设计师需要花费大量的时间和精力来适应机器的思维方式，才能有效地利用AI 指导进行设计。因此，如何提供更自然、更直观的交互方式，是AI 智导在仿生设计中面临的又一挑战。

（三）数据安全、隐私保护等伦理问题

伦理问题一直是人工智能领域备受关注的话题。在AI 智导的应用过程中，我们需要确保数据隐私和用户权益得到充分保护，避免滥用、侵犯隐私等问题。同时，我们还需要关注AI 智导算法的公正性和透明度，确保其决策过程不受偏见和歧视的影响。

基于AI 智导在仿生设计中面临的挑战，未来发展方向和未来展望：尽管AI 智导在仿生设计中面临着诸多挑战，但仍然具有巨大的发展潜力。随着技术的不断进步，AI 智导将更加智能和自主，能够更好地适应复杂的设计问题。同时，设计师还需要不断更新自己的设计理念和技术水平，才能更好地利用AI 智导进行仿生设计。未来从算法优化、数据集扩展、跨领域应用、交互方式改进、评估方法拓展、VR、AR 技术创新领域突破等方面进行AI 智能化指导，将进一步推动AI 和仿生设计的仿生设计创新发展。

结语

AI 智导在仿生设计中具有广阔的应用前景。通过仿生设计的交叉应用，AI 智导可以深度融合多学科，挖掘设计潜力、探索新的设计可能性。本文综述了AI 智导在仿生设计中的发展，总结了AI 智导在仿生设计中的应用，并探讨了AI 智导在仿生学中的挑战与展望，以期为未来的仿生设计提供参考，促进仿生设计的创新发展。

未来的仿生设计将更加依赖人工智能的强大支持。AI 仿生设计将更加注重用户体验，通过VR和AR技术实现沉浸式交互体验，挖掘人类行为、认知、情感等各个层面的设计潜力，探索新的设计可能性。寻找更加智能、更高效、更人性化的设计方法，可以通过这种沉浸式体验提升产品价值，实现更高效学习，从海量数据中提取设计灵感，拓展设计师的创作空间，为设计师提供更加精准的设计预测和优化建议，这也是AI 与仿生交叉研究的关键。

基金项目：本文系山东省艺术教育专项课题《PAD 教学方法在艺术设计线上线下混合式教学中的应用》、山东省社会科学普及应用研究项目（2022SKZZ22）、山东艺术学院教改课题《基于 ADDIE 教学模式的设计评论课程教学改革研究》的项目成果。

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