自然生物给产品结构设计带来的启示

2022-04-10 10:34:23 | 浏览次数：

摘要：生物种群在同大自然长期的生存斗争中获得了各种与大自然相适应的能力，让人叹为观止。人类向它们学习生存技能以便取长补短，除此以外，它们稳定、合理、高效而又几近完美的外形、结构给人类的科技发展提供了许多启示，也给产品结构设计提供了许多可以借鉴的东西。

关键词：自然生物；产品结构；设计

中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1006-4117（2011）09-0312-02

自然生物是天然生成的包括人类在内的一切有生命的物质。“物竞天择，适者生存”，它们种类多样、形态千变万化、生存方式千奇百怪，怎样以最佳的形式、结构状态来满足不同的功能需求，它们给我们的设计带来无数值得研究的样本，给予我们很多的启示。生物体经过艰难漫长的进化过程不断的完善自己的性能和组织，使得在结构、形态、功能三方面更好的基因传递给后代。设计师们以工程力学原理为基础，研究生物体不同结构层次（微观、细观、宏观）的形态以获得灵感，进而对结构、材料、系统进行仿生模拟，提高工程结构效率。这种在设计产品结构时从自然生物中得到启发，并模仿自然生物结构形态的设计又被称为“结构仿生设计”。从产品设计的角度，可以将结构解释为构成产品的零部件形式及零部件组合连接的方式。仿生设计诞生于1960年9月。第一次仿生学会议在美国俄亥俄州的空军基地召开，并定义了仿生学的概念。

一、自然生物存在的合理性体现

自然生物本身具有一定的合理性，在自然规律的长期作用下它们形成了高效低耗、自觉应变、新陈代谢、肌体完整的保障系统，这些系统结构复杂而且功能优异。每一种生物在它特定的生存环境中都有自身生理结构的特点，通过研究，我们发现这些特点正是它们能够生存下来的一大优势。以人类骨骼为例，例如：人类骨骼大致分为短骨、长骨、不规则骨、扁骨四类，骨骼除了由韧带、关节、骨缝、软骨连接外，骨骼自身的特点使得骨连接更加稳固、灵活，长骨两端连接处球形的突出与球形的凹形骨骼正好契合，这种连接使人类的肘关节能在150度范围旋内、旋外弯曲，既合理又安全，使骨骼不易脱臼又保证了日常生活生产的劳动需要。人类的内脏非常重要，但是同时内脏又是柔软的，而胸腔骨骼的支撑既保证了心脏、肺的空间，避免肌肉压迫，又能防止外力对内脏的伤害。蛇有三种特殊的运动方式：蜿蜒运动、履带式运动、伸缩运动，其中履带式运动原理如下：由于蛇没有胸骨，它就依靠肋骨和腹鳞之间的肋皮肌收缩，带动腹鳞竖起与地面产生反作用力而前进。蛇之所以能够快速地前行和攻击，与它特殊的身体结构有很大关系。

二、自然生物给结构设计带来的启示

从产品设计的流程我们得知，在产品结构设计的过程中我们首先要考虑的是产品得满足功能性，其次是人机性能，最后是产品外观。从这几个方面我们可以获得一些自然生物给结构设计带来的启示。

（一）给结构设计与功能性关系带来的启示

自然生物的生理结构不只一个系统，而且是从内到外、从小到大以嵌套的形式构成的一个大系统。这些子系统之间必须要相互协调配合才能使生物体完成特定功能。

与之相似，产品的各个子结构系统之间必须要满足一定的“整体性、控制性、和谐性”才能让最终的结构系统正常工作，达到预先的设计功能。

首先，整体性是指由各部分或各个子结构系统构成的整体结构应具有集中性、完整性、系统性，只有结构系统满足整体性它才具有实现的基本平台，这也正如同人的头部骨骼，每块头骨之间连接紧密，它们之间是以一种骨缝连接，每块头骨的骨缝处是锯齿形的，头骨之间像齿轮那样互相咬合，这种连接方式使缝隙致密，同时使头部能承受较大的压力和冲击，这种整体结构形成了大脑头骨主要功能：对脑髓至关重要的保护作用。这正如产品各个部分最终的指向都是功能的完成，每个部分缺一不可，它们就是一个整体系统。

其次，控制性也可以说是“自身可靠性”，它是指各个子结构系统自身的可操作性。生物行为功能的完成是由A发出指令控制B,B控制C,C控制D,再由D把外界信息反馈给A,A收到信息回馈后对原指令进行修正，然后再发出新指令的一个循环过程。在这过程中，如果任何一个环节的控制出现错误或不可操作性都将给功能的完成造成很大的困难和错误，对应于产品设计则需要每一个结构环节自身的可操作性提高，这是是避免产品工作出错的客观条件。

最后，与可控性紧密相关的就是和谐性，和谐性也可以称为“相互可操作性”。人体的神经系统和骨骼系统都正常，也就是他们相互协调的情况下才能使神经系统有效的控制骨骼和肌肉完成一系列的动作，而产品各部分除了自身的可靠性需要达到一定的标准以外，还需要上下环节的统一配合、协调，才能让产品实现功能时满足低耗高能的需求。

（二）给结构设计与“人机”关系带来的启示

产品结构有核心结构、外部结构、系统结构三部分。核心结构属于内部结构，是实现产品功能的关键技术，通常不与人发生直接的关系，大多数是通过技术手段控制外部结构。外部结构与人关系密切，它是构成、影响产品形态的一个重要要素。系统结构就是相关产品之间的关系设计，注重的是产品各个关节及相互之间的关系。产品的这些特点与自然生物的特点非常相似，自然生物由内到外的神经系统、血液系统、消化系统、骨骼系统、肌肉系统各自独立又彼此有着千丝万缕的联系，内部系统通过对营养的吸收及能量转换为外部系统的运作提供养料，它们与外界有着不同程度的联系。产品的外部结构与人的关系最为密切，产品发生关系的最大客体主要是“人”，但某些情况下环境也是首要考虑因素，因为与自然生物发生关系的最大客体主要是“环境”。自然生物能够生存最大的原因是对环境的适应性，而好的产品要存在的关键就是要有适于人类的“结构使用性”。他们之间的这种差异性使我们在进行结构设计的过程中首先要考虑到产品结构的“人机关系”，这种人机关系需要设计师们充分的调研和把握人体在使用产品过程的相关数据，进行统计、分析、反复试验以得到最佳的结构形式。

（三）给结构设计与外形的关系带来的启示

生物体的形态是建立在一定的结构基础之上的，各种鱼类、爬行动物、软体动物等，它们之所以形态各异，是因为他们内部的结构完全不相同，结构是构成形态的一个重要要素，是实现功能的基础，也是形态的重要载体。外形又在一定程度上影响结构的强度和稳定性，比如说，鱼类特有的流线型身体使它在水中游动的时候能够减小水的阻力，当阻力减小后鱼的内脏受到来自前方的压力也减小，使它的身体处于一个更加优势、稳定的状态。好的强度和稳定性使自然生物在运动过程中不易受到外力的影响和破坏，使运动过程更稳定，产品也同理。稳定性与重心位置、支撑面积大小、结构形状有关。强度是指物体能承受的力度，它与结构形状、材料、连接方式有关。而这些影响结构的因素同时也是影响外形的因素。在产品结构设计过程中，应当使结构与外形、操作系统、控制系统等相互协调，在结构满足功能性的前提条件下使外形更加优化，使结构设计在产品这个大的系统中能充分发挥自己的作用，提高操作的安全性和方便性，使控制更加得心应手，提高工作效率。

大自然是一本百科全书，当人类在工业文明的路上不断前进的时候应该虚心向大自然请教，把借鉴自然生物与工业设计紧密结合起来，建立生物模型研究库与数据模型研究库进行深入研究，这样人类将从大自然中获益，也使人类更好地与自然界各种生物和谐相处。

作者单位：西南交通大学艺术与传播学院

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