交通工具設(shè)計(jì)中的仿生設(shè)計(jì)

1、.淺談交通工具設(shè)計(jì)中的仿生設(shè)計(jì) 關(guān)鍵字： 汽車造型設(shè)計(jì) 仿生設(shè)計(jì) 仿生摘 要：自古以來(lái)，自然界就是人類各種科學(xué)技術(shù)原理及重大發(fā)明的源泉。這些自然界的“優(yōu)良設(shè)計(jì)”，有的機(jī)能完備，讓人嘆服;有的結(jié)構(gòu)精巧，用材合理，符合自然的經(jīng)濟(jì)原則；也有的美不勝收，讓人愛(ài)不釋手；有的甚至是根據(jù)某種數(shù)理法則，形成合乎“以最少材料”構(gòu)成“最大合理空間”的要求。這些生物形形色色的奇特本領(lǐng)耐人尋味，使人浮想連翩。我們?cè)谫澷p之余，也希望從中獲取一些靈感，用仿生設(shè)計(jì)的方法設(shè)計(jì)出更多的優(yōu)秀作品。本文將圖文并茂的詮釋汽車形態(tài)設(shè)計(jì)的仿生設(shè)計(jì)。從某種程度上來(lái)說(shuō)，汽車就是一種人造動(dòng)物，它不僅由馬車進(jìn)化而來(lái)，而且和動(dòng)物一樣，也有身體工作

2、系統(tǒng)，比如它也有自己的 “心臟”、“大腦”和“四肢”，也有自己的生命和意志。本文將介紹在汽車的設(shè)計(jì)中，那些來(lái)源于動(dòng)物的天才般的設(shè)計(jì)靈感。在這個(gè)即將開(kāi)啟的“動(dòng)物世界”里，有我們孩提時(shí)代對(duì)汽車、對(duì)動(dòng)物的種種渴望，也有我們現(xiàn)在對(duì)汽車發(fā)展、自然和諧的不懈夢(mèng)想。1、 交通工具仿生設(shè)計(jì)歷史悠久縱觀整個(gè)交通工具設(shè)計(jì)的發(fā)展，可以說(shuō)是仿生設(shè)計(jì)的發(fā)展史。早在16世紀(jì)，達(dá)·芬奇模仿蝙蝠的構(gòu)造構(gòu)想，繪制了飛行器的設(shè)計(jì)草圖，后經(jīng)400余年的研制，美國(guó)的萊特兄弟終于借助前人的努力，圓了人類飛上藍(lán)天的夢(mèng)想。當(dāng)代德國(guó)著名仿生學(xué)設(shè)計(jì)大師路易吉·科拉尼（Luigi Colani）依據(jù)仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)的交通工具，

3、把仿生形態(tài)造型的設(shè)計(jì)提高到新的境界，形成獨(dú)特的造型風(fēng)格，至今不衰。早在20世紀(jì)50年代，他就為多家公司設(shè)計(jì)跑車和汽艇。他認(rèn)為自己的靈感都來(lái)自于自然：“我的設(shè)計(jì)有強(qiáng)烈的仿生意味和變化意識(shí)。它們一直試圖打破固有的理性，也許設(shè)計(jì)出來(lái)的作品，看起來(lái)很奇怪，但一定符合科學(xué)的原理。我是學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)的，我設(shè)計(jì)的很多運(yùn)輸工具看似怪誕，但一定有著空氣動(dòng)力學(xué)的理論依據(jù)。比如我設(shè)計(jì)的地面交通工具，時(shí)速可以達(dá)到540公里/小時(shí)，但非常平穩(wěn)，因?yàn)槲以谶@個(gè)設(shè)計(jì)中，運(yùn)用了一個(gè)仿生學(xué)的原理。它像一個(gè)顛倒的鳥(niǎo)的翅膀。在正常的狀態(tài)下，達(dá)到一定速度之后，在空氣動(dòng)力的作用下，鳥(niǎo)就會(huì)起飛，離開(kāi)地面，但如果反過(guò)來(lái)，將它放在一個(gè)完全顛倒的

4、狀態(tài)下，雖然達(dá)到了這個(gè)速度，它仍然很平穩(wěn)地在地面上奔跑，因?yàn)榭諝鈩?dòng)力的作用不斷將它壓向地面。我所做的無(wú)非是模仿自然界向我們揭示的種種真實(shí)?！比缃瘢?仿生學(xué)成為指導(dǎo)與輔助交通工具設(shè)計(jì)的一個(gè)重要學(xué)科，仿生設(shè)計(jì)也逐漸成為重要的設(shè)計(jì)手段， 從形態(tài)到結(jié)構(gòu)， 從材料到性能，設(shè)計(jì)師將自然翻譯到交通工具設(shè)計(jì)的方方面面。圖1圖2圖1,2為達(dá)芬奇模仿蝙蝠的身體結(jié)構(gòu)繪制的飛行器草圖及后人根據(jù)草圖做出飛行器模型。圖31953年科拉尼用塑料和玻璃纖維等輕量化材料設(shè)計(jì)制作的Simca汽車。 圖41969年科拉尼以飛行生物為靈感設(shè)計(jì)出的外形怪誕的高速飛行器。 圖51977年科拉尼為波音公司設(shè)計(jì)的飛機(jī)，借鑒巨齒鯊的形態(tài)，顛覆

5、了傳統(tǒng)的飛機(jī)外觀。圖61983年科拉尼設(shè)計(jì)的擁有四個(gè)飛翼的超音速飛機(jī)。圖71989年科拉尼為法拉利設(shè)計(jì)的超速跑車，血盆大口的前臉設(shè)計(jì)已成經(jīng)典圖81999年科拉尼以毒蛇為靈感設(shè)計(jì)的一款汽車，冷酷的前臉配上兩顆突出的“毒牙”，讓“毒蛇”兇惡個(gè)性顯露無(wú)疑。圖92001年科拉尼為奔馳設(shè)計(jì)的卡車形似大型斯皮策天文望遠(yuǎn)鏡。優(yōu)化的流線型車身讓這款卡車一路挑戰(zhàn)油耗極限。2、仿生設(shè)計(jì)突破交通工具固有形態(tài)交通工具的造型是其設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，形態(tài)也是設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)理念的載體。最初的仿生設(shè)計(jì)正是從產(chǎn)品外觀入手。上至飛禽下至游魚(yú)走獸，甚至自然的水流和樹(shù)葉，都成為設(shè)計(jì)師的借鑒對(duì)象。蕓蕓眾生的車河里，從法拉利F1的鯊魚(yú)鰭狀引擎蓋

6、到雷諾Nepta鷗翼式車門(mén)，從保時(shí)捷的青蛙前臉到寶馬犀利的鷹眼車燈，仿生設(shè)計(jì)讓人們輕易地記住了各大品牌的設(shè)計(jì)基因，無(wú)論局部造型還是整體外觀，一樣不落。（1）、甲殼蟲(chóng)的變身甲殼蟲(chóng)在汽車造型仿生設(shè)計(jì)上，與不帶任何聯(lián)想性質(zhì)、以自然為素材的被造物相比，取得了重大突破。模仿甲蟲(chóng)的外殼曲面，連續(xù)而均衡的曲線傳遞出行云流水般的雅韻。此車一經(jīng)推出，即成為當(dāng)時(shí)最受歡迎的車型，優(yōu)美的曲面，打破了塊狀、直線、平而呆板的形態(tài)，引領(lǐng)了當(dāng)時(shí)德國(guó)汽車的時(shí)尚潮流，沖擊了人們的視覺(jué)感官。 圖10（2）、熊貓的憨厚熊貓不僅是中國(guó)的國(guó)寶，其憨厚的神態(tài)同樣吸引了國(guó)際設(shè)計(jì)師的眼光。這款意大利設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生設(shè)計(jì)的菲亞特Panda Spla

7、sh概念車的大燈、格柵、后視鏡生動(dòng)地組成了一張熊貓的面孔。該車所配置的兩個(gè)前車燈造型活靈活現(xiàn)，好像被賦予了靈魂一樣。 圖11（3）、熱帶魚(yú)的靈巧小巧的F0車身玲瓏細(xì)致，“JUST COOL”設(shè)計(jì)理念處處得以體現(xiàn)。仔細(xì)看F0的大燈，黑色的眼底是一雙鼓鼓的釋放曖昧的熱帶魚(yú)眼睛，再配合類似微笑的嘴的進(jìn)氣格柵，開(kāi)心、輕松與怡然自得的表情配合繽紛的色彩，讓人不禁聯(lián)想到一群快樂(lè)的熱帶魚(yú)。 圖12（4）、風(fēng)的表情除了動(dòng)態(tài)的生物是仿生設(shè)計(jì)的?？屯?，自然的氣候也被設(shè)計(jì)師吸納為靈感源泉。馬自達(dá)Hakaze的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員對(duì)各種自然元素的運(yùn)動(dòng)形態(tài)展開(kāi)深入的研究，最終確立以風(fēng)吹動(dòng)沙丘形成的風(fēng)紋為核心的外觀設(shè)計(jì)主

8、題。車身側(cè)面的風(fēng)紋造型，生動(dòng)地展現(xiàn)了馬自達(dá)“Nagare(流動(dòng))”的設(shè)計(jì)主題。 圖133、仿生設(shè)計(jì)優(yōu)化交通工具結(jié)構(gòu)和材料在大自然適者生存的淘汰規(guī)律指引下，生物身上大多“部件”都是經(jīng)過(guò)趨優(yōu)進(jìn)化，它們?cè)诖笞匀画h(huán)境下必須跑（飛）得更快、更高、有絕佳能耗輸出比，有時(shí)候甚至要做出一定的偽裝去迷惑對(duì)手。如此獨(dú)特、優(yōu)異的身體構(gòu)造對(duì)于設(shè)計(jì)交通工具是極具指導(dǎo)意義的。于是，自然的密碼不僅被設(shè)計(jì)師表現(xiàn)在交通工具的外在形態(tài)上，在一些看不出模仿哪個(gè)物種設(shè)計(jì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和材料里同樣融合了自然進(jìn)化的精髓。（1）、奔馳仿生概念車奔馳在2005年發(fā)布的Bionic概念車車頭形狀模擬魚(yú)類頭骨的生理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而成（魚(yú)頭骨的生理結(jié)構(gòu)幫助

9、魚(yú)類克服了水中游動(dòng)時(shí)遇到的大部分水流阻力），這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)大大削弱了汽車在行駛過(guò)程中遇到的空氣阻力。 圖14 這款仿生車長(zhǎng)4.24 米，能容納4人和一些行李，而其風(fēng)阻系數(shù)卻僅為0.19，讓其成為了全球迄今為止空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)做得最理想的車型之一。此外，設(shè)計(jì)者們還意識(shí)到，在自然界，體重較輕的動(dòng)物能有效地避免被捕殺，而堅(jiān)固的身體結(jié)構(gòu)則能減少受傷。因此，在開(kāi)發(fā)這款車的同時(shí)，輕量化車身增加車架的高強(qiáng)度這一原理也被應(yīng)用進(jìn)去。隨著全球汽車廠商對(duì)于環(huán)保車型的倡導(dǎo)，奔馳也推出了多款環(huán)保車型，如應(yīng)用仿生學(xué)設(shè)計(jì)的Synergy概念車，其主要受到了脊椎動(dòng)物的啟發(fā)而設(shè)計(jì)出來(lái)的。該車的車身結(jié)構(gòu)構(gòu)架與脊椎動(dòng)物的脊椎十分相似，

10、與燃料電池、輪轂、懸掛以及座椅控制等相互連接，兩個(gè)氫燃料箱放置在該車車身構(gòu)架的中心管上，中心管類似脊椎。（2）、ASF框架結(jié)構(gòu)自然界中有很多高度復(fù)雜的中空結(jié)構(gòu)，它們既能使重量保持最輕，又具有出色的韌性和強(qiáng)度，這些正是汽車生產(chǎn)需要的特性。奧迪ASF空間框架結(jié)構(gòu)（Audi AirFrame）設(shè)計(jì)師海因里希·蒂姆（Heinrich Timm）表示他的設(shè)計(jì)理念來(lái)源于各種各樣動(dòng)物的骨骼。如車身結(jié)構(gòu)的頂柱類似鳥(niǎo)腿骨骼的結(jié)構(gòu)，目的是保證框架強(qiáng)度并降低質(zhì)量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，車重每減少100公斤，油耗可減少0.3升/百公里。 圖15（3）、大號(hào)毛毛蟲(chóng)的伸縮新外殼除了提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，軟體動(dòng)物的柔韌性也是交通工

11、具設(shè)計(jì)借鑒的對(duì)象?？ì斔勾罂ㄜ嚕↘AMAZ Delivery）公司的伸縮卡車（Flex Futurum） 概念車型，是他們?cè)O(shè)計(jì)的2040年馬路上的卡車模樣。設(shè)計(jì)師埃林娜·波特羅娃（Elena Petrova）和康斯坦丁·費(fèi)德羅（KonstantinFedoroc）的靈感也確實(shí)是來(lái)自大自然中的毛毛蟲(chóng)。不僅僅是外觀簡(jiǎn)單的模仿，采用了仿生學(xué)設(shè)計(jì)后這輛車也能像毛毛蟲(chóng)那樣進(jìn)行伸縮，這輛車的長(zhǎng)度可以根據(jù)實(shí)際需要在7.5米到20米之間自由變化，這樣就減少了能量的浪費(fèi)，提高在狹小空間的通過(guò)性。 圖16 能夠自由變化長(zhǎng)度得益于其采用了發(fā)泡金屬的新型材料。它強(qiáng)度密度比極佳，輕便耐用，同時(shí)還能夠

12、吸收沖擊能量，并可以恢復(fù)原狀。在自然中，貓頭鷹和大象的頭部都是最具能量吸收性的例子。如大象可以輕松移動(dòng)超過(guò)它頭部重量數(shù)倍的物體。設(shè)計(jì)師巧妙地將這一特性移植到材料生物學(xué)上，研發(fā)出十分適合制作交通工具的發(fā)泡金屬。（4）、與皮膚相近的“布”藝車身是否想過(guò)車的外殼可以如人的皮膚一般擁有強(qiáng)大的彈性，可以適度彎曲褶皺，然后回復(fù)平滑？寶馬汽車的設(shè)計(jì)師們一直試想給汽車的鋼筋鐵骨穿上柔韌靈活的外衣，GINA概念車幫他們實(shí)現(xiàn)了夢(mèng)想。GINA 的外表皮是一層布，蒙在可控制活動(dòng)的框架上，這樣不僅可以控制車的各個(gè)活動(dòng)部位，比如車門(mén)、前大燈，同時(shí)也可以改變整個(gè)汽車的外形。這些活動(dòng)框架靠電子液壓來(lái)控制，如皮膚一般有彈性的表

13、皮材料是聚亞氨酯涂層萊卡，并在相接處做到無(wú)縫。這部概念車無(wú)論在工程和還是藝術(shù)層面上都將仿生學(xué)發(fā)揮到了極致。寶馬的設(shè)計(jì)師一致認(rèn)為GINA外殼所探索的柔性曲面可能開(kāi)啟汽車設(shè)計(jì)新紀(jì)元。 圖17（5）、擁有自我修復(fù)功能的車漆自然的力量是無(wú)窮的，就連一個(gè)小小的樹(shù)脂分子也存在著大學(xué)問(wèn)。英菲尼迪（Infiniti）的設(shè)計(jì)師根據(jù)樹(shù)脂能在加熱時(shí)軟化，并迅速成型，再次加熱后還可反復(fù)成型的特性，研發(fā)了一種能自我修復(fù)刮痕的烤漆，并應(yīng)用到全新的FX、EX、G系列車型上。當(dāng)汽車的車漆受外力刮損時(shí)，只需以滾燙的熱水淋于漆面上，被刮傷的漆面會(huì)自動(dòng)恢復(fù)成原先的亮度，仿佛像生物體一樣具備傷口愈合能力。 圖184、仿生設(shè)計(jì)助力交通

14、工具功能性軟件開(kāi)發(fā)隨著仿生學(xué)研究的深入，交通工具的仿生設(shè)計(jì)已經(jīng)不僅僅停留在產(chǎn)品的形態(tài)和結(jié)構(gòu)等硬件方面，產(chǎn)品性能軟件方面的研發(fā)也有意識(shí)地向自然界尋求靈感。生物的個(gè)體和群體的動(dòng)態(tài)成為新一輪的仿生研究熱點(diǎn)。未來(lái)，仿生學(xué)會(huì)逐步滲入交通工具的靈魂中。（1）、動(dòng)物行走與駕駛行為動(dòng)物的蹲、走、跑的形態(tài)各異，每個(gè)姿態(tài)的視覺(jué)高度也不一樣。仿生概念車的設(shè)計(jì)師從中得到啟發(fā)，希望通過(guò)不同的車速來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)駕駛員的視覺(jué)高度。在慢速行駛時(shí)駕駛員視角最高，開(kāi)在城市中可以方便駕駛者看街邊的風(fēng)景；正常速度下是以標(biāo)準(zhǔn)的坐姿來(lái)駕駛；高速行駛時(shí)側(cè)重心最低，讓駕駛者領(lǐng)略速度的激情。這樣的一個(gè)自動(dòng)調(diào)整行為可以令駕駛員獲得更好的駕駛樂(lè)趣，可

15、以提高人車之間的協(xié)調(diào)性。 圖19（2）、動(dòng)物群與智能導(dǎo)航小魚(yú)成群游動(dòng)，是我們?cè)隰~(yú)缸里經(jīng)常能看到的景象，但仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)魚(yú)群可以在前行時(shí)繞開(kāi)障礙物的同時(shí)避免互相碰撞。日產(chǎn)汽車根據(jù)這一特點(diǎn)做出魚(yú)群概念車EPORO，由6個(gè)小機(jī)器人車組成，能夠在車流中穿梭自如。它們通過(guò)本能導(dǎo)航、智能探測(cè)和規(guī)避障礙物，能夠穿越復(fù)雜地帶。在EPORO開(kāi)發(fā)過(guò)程中，魚(yú)類“避免碰撞”、“同排移動(dòng)”和“靠近同伴”三種行為規(guī)則被應(yīng)用于駕駛操控上。魚(yú)類主要基于側(cè)視線和視覺(jué)辨識(shí)周圍環(huán)境，并在三種行為規(guī)則約束下組成群體。而激光測(cè)距儀和超寬帶無(wú)線電波技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)了EPORO的側(cè)視線和視覺(jué)功能。以安全著稱的沃爾沃汽車也根據(jù)與魚(yú)群效應(yīng)類似的蝗蟲(chóng)群效應(yīng)，發(fā)布了“城市安全”系統(tǒng)。這個(gè)應(yīng)用于交通工具上的防撞系統(tǒng)，通過(guò)擋風(fēng)玻璃 圖20 前的激光感光器對(duì)與本車同方向行駛的、停止或移動(dòng)的前車做出急速剎車反應(yīng)，幫助低速時(shí)車輛追尾的情況發(fā)生。未來(lái)沃爾沃計(jì)劃推出更智能的汽車防撞系統(tǒng)。屆時(shí)，對(duì)于監(jiān)測(cè)到的物體，系統(tǒng)會(huì)先做出評(píng)估，判斷它是否會(huì)引起碰撞、距離、速度和角度方向，確保不會(huì)發(fā)