仿生设计

第一章绪论1.1 课题研究的背景和意义人类的优点和缺点都是想改造周围的一切，随着时代频率的加快，越往前走，遇到的问题可能就越多，这就促使我们以更科学、更合理系统的态度去认识并解决问题。

如今我国的工业水平以相当快的速度在发展和进步，这为很多企业带来机遇的同时也使行业之间的竞争更加激烈。

为了解决这种激烈竞争的局面，许多企业开始把创新作为设产品设计的主要目标，而产品要实现创新，必须依托于正确的设计方法，针对不同类型的产品，设计方法也有所区别，加之我国工业发展内容的多样化，所以衍生出了许多类型的设计方法。

在众多设计方法中，仿生设计作为一种以模仿自然生物的属性为途径的设计方法为人们所熟知[1]。

产品类型的丰富多样使得产品的仿生设计必须迎合产品的变化，所以仿生设计不仅属于一种创造性工作，其本身也具有一定的灵活性，而我国工业发展起步较慢，许多生产工工艺与技术还不够完善，所以使仿生设计的应用受到了限制，再加上人们对设计的认识不足，导致我们对设计的探讨与研究还不够深入，国内对设计实质的理解，从管理部门到各个生产企业都认为设计的主要工作是对产品进行外在的美化，用新颖的造型来引起消费者的注意，进而完成产品的创新[2]。

而仿生设计本身所具有的设计特点，能够让产品通过外观使消费者与自然产生很好的共鸣，所以这种基于形态的仿生设计开始被设计师大范围的应用与产品设计当中，逐渐形成了以外部形态仿生为主的仿生设计方法，常用的有：比例法、线条法、形态特征法等[3][4]。

虽然在相关的设计方法已经较为成熟，但是以产品外型为主的形态仿生设计在内容上较为单一，人们就线条谈线条，着眼于形式法则与美学规律的探索，而忽略了跟人有关的设计影响因素，人、产品、环境三者之间的矛盾未得到彻底解决。

同时由于我国对设计推广的力度还不够，导致许多企业在生产过程中至追求产量与效率，导致许多产品出现抄袭、模仿的现象，这也间接的阻碍了创新设计的发展。

由于设计高度依赖于科技水平，国外先进的制造技术保证了创新性产品的实现性，而生物学、物理学、工程学、电子学及计算机水平的高度发展，也为更深层次的设计创新提供了可能性。

这就为产品进行多元化的仿生设计创造了一个良好的条件，使设计师能更加自由的从功能、结构及形态方面对产品进行设计改进[5]。

例如宝马汽车通过模仿猎豹、大象等生物特征使汽车外观看起来更加的灵动、大气为人们所喜爱，模仿海葵和水母的附着优势所设计的镁铝合金为车身减少了10公斤的重量，汽车底盘、悬挂设计和后轴结构上的技术原理则来自于袋鼠育儿袋的思想。

这些自由设计的背后离不开先进制造技术的支持，宝马公司的一些加工工艺至今位列世界顶尖，许多企业也只能望其项背[6]。

本课题所提出的基于产品基因的仿生设计方法，在于改变以往只注重形态仿生的设计，利用产品基因较为全面的分析方式，将产品功能、结构等经常被仿生设计忽略的内容进行综合分析，然后针对设计内容，合理的对产品进行仿生设计，避免设计结果的单一，从而使现有的资源与技术得到充分的利用，更加全面的实现产品与自然的和谐统一。

产品设计的最终目的是实现产品的创新，该方法利用产品基因的重组过程完成产品创新部分[7][8]，再通过仿生设计对其创新内容进行实现，让设计结果在保证创新性的同时，又具有一定的亲和力，所以这种将基因重组的灵活性与仿生设计多样性相结合的设计方法能够为产品创新提供源源不断设计灵感与动力[9]。

1.2 产品基因理论与技术研究综述1.2.1 产品基因概述现代生物学认为, 基因是具有遗传特性的DNA片段，是遗传信息传递和性状分化发育的依据, 是生物体的生命蓝本。

基因具有重组、突变、转录或对其他基因起调控作用的遗传学功能, 是遗传物质的最小功能单位。

基因决定、控制着生物整个发育的顺序和过程[10] 。

基因工程是利用重组技术，在体外通过“剪切”与“拼接”方法进行基因重组，然后将转入受体当中，使重组后的目的基因在受体内表达，得到人们想要的目的产物，或者创造出新的生物性状[11]。

随着科技的不断发展，基因与基因工程的思想开始被越来越多生物学科之外的研究领域所借鉴，尤其在设计领域，进化设计、逆向工程设计、智能设计等技术的发展，让产品设计开始同生物研究相融合，进而产生了“产品基因”的概念。

由于国内外对产品基因的研究较少，而且不同领域在研究内容和研究方向方面的侧重点不同，使“产品基因”的概念尚未统一。

例如Holland在1975年阐述与类比生物进化和设计活动的基础上提出了基因模型[12]；Richard在遗传求解的基础上对产品外型设计提出了一种基因经验模型，但由于设计过程本身的复杂性，所以该理论在具体的设计应用上还有待改进[13]。

顾新建参考生物基因的模式，认为产品基因是产品经过某种程度的标准化之后，具有一定通用性与相似性的产品信息[14]。

冯培恩通过对生物基因工程与产品原理方案设计的系统类比，认为产品基因是关于产品功能及实现手段的可遗传知识，并且由原理解与效应解组成[15]。

陈泳通过产品的功能表达来定义产品基因，用一系列的作用动词和一系列与原理解有关的特征来进行表达[16]~[17]。

刘怡将产品基因定义为包含以形成的产品所有信息，面向产品需求并能实现实际功能的可遗传性知识体系[18]。

黄克正认为产品基因是产品信息的集合，是某种特定产品的配方或食谱它规定了产品结构的基本特征及其自动生成的机制, 在适合的外界环境条件下, 自动创成特定产品, 并能与特定环境一起完成某些功能[19]。

上述文献侧重于产品基因概念与模型定义相关理论的研究，研究侧重点虽然有所不同，但都是借助生物基因的特性进行类比，认为产品基因是对产品信息进行遗传与传递的载体，而这种可变的载体对产品的设计创新有着十分重要的作用。

1.2.2 产品基因设计应用研究产品基因概念的多样性，决定了其应用领域的广泛性。

研究人员根据研究方向的不同，将产品基因应用到机械领域的多个方面，围绕产品基因展开的概念设计、创新设计、逆向设计、进化设计等都以成为人们研究的重点。

在国外Gero等将基因工程应用在遗传算法中，并且提出了设计基因工程的概念。

[20-23]祁国宁与顾新建通过对产品基因在继承性与自组织性方面的研究，结合可重用性等概念，提出可将产品基因用于产品大批量的定制技术当中，从而解决定制产品在独特性及产量等方面的问题[24]。

冯培恩通过对产品基因的特性研究，提出了基于产品基因的概念设计方法，该方法揭示了产品基因的表达过程及原理，并建立了基于产品基因的概念设计框架，为产品的创新设计提供了更多的设计方案[25]。

刘怡将产品基因应用于产品机构自动化设计当中，把基因工程的操作原理应用于产品的结构设计当中，从未知产品的根本需求与实现功能出发，在广义定位原理与基于功能表面分解重构的基础上，以产品基因为依据，提出了基于产品基因进化思想的产品建模方法。

该方法可用于自顶向下的机械产品设计，极大的提高了对产品结构设计自动化的支持，最大限度的现实产品的最有设计。

周宏明根据环境需求与产品基因之间的映射关系，提出了需求参数集的求解方法，再通过对参数的分析、相似度计算等过程建立了适应性设计的流程，从而把产品基因引入到设计模型中们，使企业能够充分的利用现有的资源，有效的提高设计的效率及精度[26]。

王静静通过对产品基因的逆向求解技术、编码技术、储存技术及数据库的建立与管理等内容的研究，并结合计算机技术建立产品逆向分析系统，对产品进行概念结构创成，提取其中的功能模块之间的关系，来实现对产品基因的反求，该过程可以帮助设计人员充分的理解产品，从而找出合理可行的设计方案。

赵亮将基因工程的思想应用到产品的成本建模上，提出了基于基因复制、转录、翻译等工程原理的成本信息传递和转化表达的新方法[27]。

穆建华将产品基因同TRIZ理论相结合，通过研究机械的单自由度振动，并给出弹簧类产品的产品基因模型，从而验证了将两种设计理论进行结合对产品变异设计具有很强的实用性[28]。

1.3 仿生设计研究综述1.3.1 仿生设计的概述仿生设计是在仿生学和设计学的基础上发展起来的一门新兴综合学科。

其以自然界的“形”、“色”、“肌理”、“结构”、“功能”等为研究对象，通过了解、探索生物系统优异的功能结构，形态外观、物质组成、信息控制，乃至色彩等各种生物特征及其原理，并有选择的将它们综合应用到产品设计当中[29]。

虽然仿生设计在现代为人们所熟知，但在人类发展的初期，人们通过观察、思维和造物能力，开始对自然生物进行直接的模仿[30].例如人们最早使用的骨针、独木舟等是通过对生物在功能、结构方面的特性进行直接模仿，这种意识简单的仿生行为所表达的结果虽然较为粗糙，但却是仿生设计的雏形，也是仿生设计发展的基础[31]。

随着人们对自然的了解不断深入，自然生物所具有的一些精巧的结构与实用的功能开始被慢慢的应用于人造物中，例如西汉时期的象尊、牛型灯都是根据动物的形态进行精细模仿出来的。

西方文明史上，关于仿生设计的发展也有着类似的过程。

例如古埃及的一些家居雕塑中都常常出现一些动物的形态。

15世纪德国天文学家根据鹰的结果制造的机械鹰，19世纪初空气动力学创始人克利通过模仿鳟鱼与山鹬的纺锤形，找到组里小的流线型结构，还通过模仿鸟类翼翅结构设计了一种机翼曲线，为之后航空技术的发展起到了关键的推动作用[32]。

到了近代，人们经过长期的经验积累与技术支持，仿生设计开始涉足于更多的设计领域并对其发展产生了一定的影响力，例如在建筑设计领域、机械领域、数学领域等等都能看到仿生设计的影子[33][34]。

总之，仿生设计从最初无意识、简单的形态模仿，到功能结构的模仿，再到相关系统论的形成，经历了一个从“翻译自然”到“理解自然”的过程。

人们也开始更加重视与仿生设计相关的研究，仿生设计也逐渐成为设计领域中一种不可或缺的设计方法，通过对其不断的完整与优化，使仿生设计更加灵活有效的服务于我们生活的方方面面，从而促进人与自然的高度和谐[35]。

1.3.2 仿生设计的应用研究随着人们对仿生设计的认识不断深入，仿生设计的应用从物对物的直接模仿阶段逐渐朝更全面的深层次方向发展，人们不在拘泥于“像什么”的思维模式，而是开始思考“为什么像”，并分析其中的原理然后目的性的应用于更广的设计领域。

例如在自然科学领域，人工基因重组、转基因技术是对自然重组、基因转移的模仿，人工合成天然药物分子和生物分子都是在分子水平上仿生，包括一些纳米技术、生物计算、DNA计算机技术等都是从分子、细胞的角度来进行仿生设计。

在经济学领域，研究人员通过对蜜蜂和蚂蚁群体的观察与分析，设计出“家族式”经济发展模式。

人们从对蚁群严密组织的观察中看到，蚂蚁在生存与适应过程中以“各尽所能，按需分配”为原则，按蚂蚁种类的不同在族群分工中各司其职，在遇到天敌时却能共同抵御，经济学家将蚂蚁这种行为机制应用到经济学体系当中，使企业员工形成群体，构成同蚂蚁类似的“家族化”发展模式，为经济的协同发展提供了很大的帮助。