从在机器人看现代仿生设计.doc

从在机器人看现代仿生设计程晟相对于在人类自身的苦苦寻觅，自然界到处充满活生生的“优良设计”实例，这对设计师而言，是个取之不尽、用之不竭的“设计案例库”。从大河山川的秀丽，到日月星空的变幻，从植物的灵动自然，到飞禽猛兽的机敏，无不显示出大自然的鬼斧神工。这些动植物经历了几百万，甚至是上千万年的的适者生存法则的自然进化后，不仅完全适应自然, 而且其进化程度也接近完美。这些自然的“优良设计”，有的机能完备，让人叹服；有的结构精巧，用材合理，符合自然的经济原则；也有的美不胜收，让人爱不释手；有的甚至是根据某种数理法则形成，它合乎“以最少材料”构成“最大合理空间”的要求。这些生物形形色色的奇特本领耐人寻味，使人浮想连翩。我们在赞赏之余，是否能从这些精妙的设计中，获取一些灵感呢？回答是肯定的。时间的筛选最终形态原始形态设计目标借鉴自然界的设计流程仿生设计流程现代社会文明的主体是人与机器，往往忽视了与自然的交流。人类在这种文明所导致的生态失调状况下开始反思并力求寻找新的出路，建立人与自然、机器的对话平台，共生哲学观强烈地呼吁人与机器、生态自然与人造自然之间合理的建构，创造人类社会与自然高度的和谐。那么，师法自然的仿生设计自然而然就成了一种良策和新理念。机器人自它出现那刻起就是仿生设计的典型案例，从近现代机器人的结构与机能不难窥测到现代仿生设计的发展与进步。归纳现代工业设计中的仿生，其主要表现在以下几个方面，即形态的仿生、功能的仿生、结构和材料的仿生与界面的放声。下面先从几个新型机器人的案例中探讨一下仿生设计的具体应用与发展：1、 形态的仿生形态从其再现事物的逼真程度和特征来看，可分为具象形态和抽象形态。具象形态是透过眼睛构造以生理的自然反应，诚实地把外界之形映入眼睛膜刺激神经后感觉到存在的形态。它比较逼真的再现事物的形态。抽象形态是用简单的形体反映事物独特的本质特征。图一如图一所示，这些机器龙虾拥有很高的灵活性，可用于探测水下矿藏。就像真龙虾一样，这种小型机器人也长着能够感知障碍物的触须，8条腿允许它们朝着任意一个方向移动，爪子和尾巴则帮助它们在湍急的水流以及其它环境下保持身体稳定性。 图片二如图二所示，这些机器企鹅能够在无需人类帮助下穿越水池，同时还拥有反向游泳能力，这一点与真实的企鹅截然不同。这种仿生机器人在设计上用于测试新技术，费斯托的仿生三角架以及用于在装配线上操纵易碎物体的鱼鳍钳设计灵感都来源于机器企鹅。 2、 功能的仿生人们发现，动植物的某些方面的功能，实际上远远超越了人类自身在此方面的科技成果。生存在自然界中的各种各样的动植物能在各种恶劣复杂的环境中生存与运动，这是因为其运动器官和形体与恶劣复杂环境斗争进化的结果。植物和动物在几百万年的自然进化中，不仅完全适应自然，而且其进化程度接近完美。仿生学的思想是建立在自然进化和共同进化的基础上的。仿生学试图在技术方面模仿动物和植物在自然中的功能。这个思想在生物学和技术之间架起了一座桥梁，并且对解决技术难题提供了帮助。通过再现生物学的原理，人类不仅找到了技术上的解决方案，而且同时该方案也完全适应了自然的需要。其目的就是分析生物过程和结构，并将此分析用于未来的设计。图三如图三，美国马萨诸塞理工科学院一研究小组制成一种能模拟蜗牛爬行的机器人。这种机器蜗牛长约25厘米，它行走时非常像蜗牛爬行，能沿着湿润有粘性的液体表面滑行。机器蜗牛的作用原理在于有弹性的胶膜，硅酮树脂和水、甘油混合物被用作粘性物质。 机器蜗牛研制者计划利用它来研究蜗牛的爬行机理，以及获得有关极少量液体特性的资料。3、结构和材料的仿生随着仿生学的深入开展，人们不但从外形、功能去模仿生物，而且从生物奇特的结构和肌理中也得到不少启发。人们在“仿生制造”中不仅是师法大自然，而且是学习与借鉴他们自身内秉的组织方式与运行模式。有的结构精巧，用材合理，符合自然的经济原则；有些甚至是根据某种数理法则形成的，合乎“以最少材料”构成“最大合理空间”的要求。这些为人类提供了“优良设计”的典范。图片四如图四所示，这个形似机械狗的四足机器人被命名“狗”(Bigdog)，由波士顿动力学工程公司研究设计。它不仅仅可以爬山涉水，还可以承载较重负荷的货物。“大狗”的四条腿完全模仿动物的四肢设计，内部安装有特制的减震装置，该型机器人还运用了多种新型材料，提高了自身强度。外形大小它基本上相当于一条真正的大狗。因此，工业设计师也要积极的关注仿生发明中精巧的结构和奇特的材料，并且巧妙地应用这些结构和材料，结合市场的需求创造出人们需求的产品，同时也要细心的观察自然，提炼自然的精妙，提出更多的构想，为科学家的探索提供更多的思路，从而创造更有价值的仿生成果，为人类创造更加精美更加丰富的产品。总之，破解生物体结构之谜，研制仿生材料的路还很漫长，目前人类只不过刚刚起步前行，但是仿生材料的应用前途无量，却是绝无疑义的。4、界面仿生在现代工业产品设计中，单纯地从形态、功能、结构或材料的某一个方面来仿生是很少见的，更多的是综合形态、功能、结构和材料的多个方面来进行仿生设计，而且还从大自然的生存哲学即和谐与共生的角度进行仿生设计，诸如绿色仿生设计，可持续仿生设计等。这种既从自然界的个体表现形式，又从自然界的总体生存理念的仿生设计，与界面设计的功能性设计和情感性设计是相吻合的，因此，我把这归结为界面仿生设计。要理解界面仿生设计，首先要知道界面。所谓界面，即人机界面，是人与机器进行交互的操作方式，即用户与机器互相传递信息的媒介，其中包括信息的输入和输出。好的人机界面美观易懂、操作简单且具有引导功能，使用户感觉愉快、兴趣增强，从而提高使用效率。美国学者赫伯特西蒙提出：设计是人工物的内部环境(人工物自身的物质和组织)和外部环境(人工物的工作或使用环境)的接合。所以设计是把握人工物内部环境与外部环境接合的学科，这种接合是围绕人来进行的。“人”是设计界面的一个方面，是认识的主体和设计服务的对象，而作为对象的“物”则是设计界面的另一个方面。它是包含着对象实体、环境及信息的综合体，就如我们看见一件产品、一栋建筑，它带给人的不仅有使用的功能、材料的质地，也包含着对传统思考、文化理喻、科学观念等的认知。“任何一件作品的内容，都必须超出作品中所包含的那些个别物体的表象。”分析“物”也就分析了设计界面存在的多样性。其实以上案例中的机器人或多或少都都有形态、功能、结构和材料及界面的仿生，是各个因素的结合于统一、都是现代仿生设计的杰出作品。三、未来工业设计中仿生的前景今天，我们生活在科学技术飞速发展的时代，学习和利用生物系统的优异结构和奇妙的功能，已经成为技术革新和技术革命的一个新方向。许多事实说明，仿生学是发展新技术的金钥匙。例如研究显示，不远的将来一种仿生电子眼可望诞生。因为科研人员已揭开眼睛是如何看到经大脑“翻译”的图像。他们已发明一种称为“细胞神经网络”的电脑微型集成电路，据此将发明仿生“电子眼”可以用来进行类似视网膜功能的图像处理。又如美国宾夕法尼亚大学医疗中心耳鼻喉科的医生不久将开展“仿生耳”植入手术，让从前失去听力的成人重获听力。再如科研人员以猴子作为人的替身，正在研究人大脑的思维与记忆的生理活动。他们设想，如果仿照人的神经系统，把它运用到电子计算机上去，就有可能诞生具有高级神经活动的生物计算机，那就是仿生学划时代的贡献。所有这些都预示着仿生科技前途似锦，而且仿生科技的探索永无止境。另一方面，神奇的大自然向人类展示着精妙绝伦的生命形态和绚丽多彩的悦人色彩，同时，大自然还无声地阐释了自然界的生存哲学和谐与共生。这种和谐的设计哲学呼吁人类社会与大自然之间的高度和谐统一；共生的设计哲学则呼吁着人与机器、生态自然与人造自然之间建立合理的建构，搭建人与自然、机器共生的对话平台。总结德国著名设计大师路易吉科拉尼曾说：“设计的基础