关于仿生学产品设计不得不说的自然生态和理论

关于仿生学产品设计不得不说的自然生态和理论

在人们所生活的环境中，可以说几乎所有东西都是自然赠予的，包括人类的生命都是自然孕育的，通常我们说：“人是自然的一部分”。自然是“被设计的”，成为人类学习的“榜样”。人类不仅能够适应自然；而且能够利用自然，创造为己所用的各类人工物。不过随着时间的推移，人类视乎都忘记与自然和谐相处的想法，但进几十年来人类逐渐认识到，破坏自然就等于破坏人类自身。所以人们有了保护自然的观点出现了，下面就一起来了解一下仿生学产品设计观点的理论。

自然的启示

说起自然，人们会情不自禁地想到人与自然究竟是怎样的关系。从人类历史和生态哲学角度看，人与自然的关系经历了“从敌人到榜样，从榜样到对象，从对象到伙伴”的过程。

从古生物学发现，在完成了从动物到人的逐步过渡过程中，人的生活内容与自然的关系是如何对付自然，自然是人的“敌人”。之后，由于人的眼睛和手的配合大大地扩大了在自然界里活动的范围，大约在公元前1万年左右，人不是学习如何更好地同自然做斗争，而是学习它，模仿它，引导它，敌人成了“榜样”。学到的事物引起了人类的整个生活方式和对周围世界态度的改变。再后，人找到了研究自然的新方法，用数学表述自己、表达世界。笛卡尔把整个自然界看作是一台机器，认为只有那些能用机械来领会的话语才被认为是正确的。这时，自然不再是榜样了，而是研究的“对象”。当然，机器模式不能适用于对一切自然现象的解释。今天的学科研究使我们感觉到，不允许把人类能够做到的事情都付诸实施，自然应该是对话的“伙伴”。人们懂得，科学技术进步的前提是人与自然的对话，我们对于自然知识掌握与理解正确与否，对我们的行为具有决定意义。

1.1 向自然学习

“学习”是人类的一种特性和能力。人类和其他生命机体一样生活在这个宇宙之中，但是，人类与其他生命机体相比有智力上的明显优势，使人类不仅有适应环境的能力；而且有学习和创造的能力。“人种之所以是强有力的，只是因为他利用了天赋的适应环境的学习能力，而这种可能性则是他的生理结构所提供的。”

自然是“被设计的”，这似乎是一个不争的事实。许多“物”呈现出各种美丽的与功能相应的图案，像在动物皮、树叶、树皮的表面上的图案；头状花序、贝壳的螺旋；甚至天空中行星和恒星排列都是那么井然有序，据说还蕴涵着一些数学上的道理。从人类诞生的那一天，人体就提供了一种比例和设计的准则，像与其他动物相同的两侧对称的形态特征；一系列计量方式，比如，寸（拇指的长度）、英寸、英寻（张开双臂的宽度）和肘尺（前臂的长度）；人的面部五官给了我们潜意识里的合适感和对称感。还有黄金分割，不仅存在人体中，在许多动物的骨骼、植物的形状里也可以找到，黄金分割这种“被设计的”自然特征已被人们有意识或无意识地使用在各类设计中。人类的许多造物不是凭空而来，早期人类通过观察自然事物和它们运行的方式获得造物灵感。从人与兽的头盖骨得到启发设计制造了圆形空心的容器；从漂浮水上的落叶、树干得到启发设计制造了早期的独木舟；受圆木从山坡滚下的启发设计制造了车轮等。自然能为任何设计对象提供造型、功能，甚至风格。在这些设计中，自然事物被“模仿”，当人们通过与自然的接触过程中，理解、归纳、总结了一些自然法则，并应用于生活中。人类的造物活动不仅仿制自然的形态、结构和色彩，更重要的“是进入自然的进程，通过人脑这个媒介进行转换，在不剥夺其属性的前提下产生变革”。只有在人类中，才会产生种种“变革”；也只有“变革”，社会才会进步。

从动物那里获得“知识”。苍蝇，是最令人讨厌的昆虫之一，但它对人类确实有些贡献。苍蝇作为双翅目昆虫拥有楫翅（平衡棒），楫翅是昆虫后翅的痕迹器官，状似哑铃，它最重要的功能是作为昆虫的振动陀螺仪——在飞行中使之保持航向而不发生偏离的导航系统，它是自然界中的天然导航仪。生物学研究告诉我们，双翅目昆虫飞行时，它们的楫翅以较高的频率（330次/秒）振动着。如果把楫翅切去，它就是“无头的苍蝇”，东碰西撞。大家知道，陀螺转动时，它的轴总是朝着一个方向不变的。利用这个原理制造的陀螺仪是飞机、轮船、火箭惯性导航系统的重要感受器。苍蝇还有惊人的嗅觉，能在很大的距离上发现微乎其微的气味。苍蝇口器上有种化学感觉茸毛，长约0.3毫米，它被不透水的表皮覆盖着，尖端有一直径0.2微米的小孔，一些感觉神经元的树突末梢从中伸展出来。在苍蝇腿上，也密密丛丛布满了这样的茸毛。像绿头蝇，它的嘴和腿上的这种感受毛共有3000多个，而且每个都是由四个感受细胞构成。这些感觉毛只要与化学物质一接触，便能产生神经信号。这些信号的产生，是物质的分子与神经树突末梢之间电性质变化的结果。替代通常的化学反应的是瞬间的电变化。这样，苍蝇就能对接触的物质进行快速的分析，一触即知此物是否可食用。科学家们在研究了苍蝇嗅觉器官的生物化学本能和化学反应转变成电脉冲的方式之后，已设计制成十分敏感的小型气体分析仪。这种仪器现已装置在航天飞船座舱里用来分析其中的气体。同时，它也可测量潜水艇和矿井里的有毒气体，以及时发出警报。苍蝇嗅觉器官的功能原理，还可用来改进输入装置，以及应用在气体色层分析仪中。

从植物那里获得“知识”。像花朵、牛蒡、豆荚、仙人掌及植物的叶脉等带给我们造物的启发。印花纺织品可以通过对自然图案的转换，通过直接模拟自然的形式或通过从自然中抽象出一些元素来表现自然。瑞士发明家梅斯特拉的尼龙刺粘搭链的设计灵感来自粘在人衣服上寻求繁殖新场所的刺果（牛蒡），同样，豆荚启发奥地利设计理论家维可多·帕帕内克（1925～1998年）制作出一系列独立剂量的药物容器。如果拿来一片绿叶，你会看到上面有纵横交错的叶脉，它们是叶子的“运输线”——维管束（图3.2）。叶脉所取的几何图案，要使维管束的数量最少，而得到的运输效果最佳。叶脉图案和叶片形状也有最经济的对应关系。因此，在设计供水和煤气的管道系统时，或许可以向植物借鉴。比如，如果敷设管道的地区狭长，犹如高粱、玉米叶子那样的形状，导管系统就应有接近这植物叶脉的图案。图3.3是一组加拿大ClearNET通讯公司的手机广告（1998～1999年）。这组广告采用一只蚂蚁在带有叶齿的树叶上轻松地爬行，来表示产品卓越的品质，显现出产品清晰、准确、精密的特点；用飞翔着的植物种子使人联想到产品的快捷、迅速、传递的特征；用叶脉表达移动电信、网络系统的秩序、效率、畅通的特征。这组广告构思无疑借鉴于植物。

即使在20世纪30～40年代的现代主义时期，那些现代主义设计大师们并没有忘记现代主义风格与自然的关系。强调“功能决定形式”的美国芝加哥建筑师路易斯·萨利文（1856～1926年），通过细心观察自然，创造出适用于浅浮雕和模版油漆的精细图案，装点他设计造型新颖的摩天大楼。他认为，新建筑必须包括具有“无限有机流畅性和可塑性”的新装饰。芬兰设计师阿尔法·阿尔托说过“最杰出的标准化委员会是自然本身……，它‘产生’丰富的形式，取之不竭，与某种特定的系统一致”。1938～1939年他设计的梅里别墅（图3.6）的室内结构和装饰的灵感来源于别墅周围的森林。米斯·凡·德·罗，算是一个将现代主义风格进行到底，走向极致的设计师了，但在他的作品中也尽可能把自然和文化联系起来。比如，通过房屋的简洁和玻璃透明度，使人们的注意力从建筑上转向“园林”。在图根哈住宅的一端，他设计了一堵双层的玻璃墙，两层玻璃间种植室内植物，使建筑尽可能地拉近和融入自然。

1.2 从模仿、模拟到拟像

“师法自然”是古今中外设计者遵循的设计方法与原则，其内容包含了模仿、模拟、拟像等。模仿，从根本上说，它是人类比较原始的一种心理倾向和心理功能，艺术起源模仿说是最古老的理论之一。亚里士多德在他的《诗经》中谈到人是最善于模仿的，许许多多的事情都是从模仿开始的。中国古代典籍中，也有关于艺术出于对自然模仿的说法，如《吕氏春秋·古乐》云：“听凤凰之鸣以别十二律”，“效八风之音”等。模仿必须有一定的原型为依据，但不是简单的拷贝，在模仿的过程中，人们会发现事物的本质、规律，并在此基础上引发创新的行为。模仿与模拟的含义基本相同，但也有人认为，模拟要比模仿在创造性要高一些，当然，也离不开原型。而拟像与模仿、模拟就不同了。拟像，从字面上说是模拟和幻象的意思，它来自希腊文eidolon，其原意一方面表示图像；另一方面又表示模拟。柏拉图在《国家篇》、《智者篇》生动探讨过这个问题，认为是感官世界中发生的“阴影”和“幻影”。比如说，镜中、水中的映象，还有刻像、画像，都是真事物的摹本，它是真实与非真实、存在与不存在的事物矛盾性的体现。关于“拟像”的理论，以及“拟像”在人类学、哲学、美学等领域的特别研究，在中外文化史上一直延续。在人的精神活动中，经常会产生一些具体事物的各种虚幻、阴影，并把这种幻影当作真实的存在相信，甚至还会以物质的形式表现出来。除了在意识形态里宗教的产生之外，对文学艺术的创作活动的影响尤为重大，每个时期都有大量作品被创作出来。它与人类的视觉、观看方式有关，也包含了更加复杂的人类心灵活动的运作逻辑。而让·波德里亚用“拟像”说明当代社会的模拟的非模拟性，以示当代社会的复杂性。

模仿、模拟和拟像始终伴随着人类造物活动，有感性认识、理性认识对人类造物活动的影响；有造型、结构宏观的模仿和细胞微观的模仿；也有真实与虚拟的设计。在中国古代社会就有许多器皿的造型和图案属于现实生活中没有的，而是被人们依据某些原型想象出来的，像大汶口文化代表作品红陶兽形鬶，二里头文化代表作品嵌绿松石饕餮纹铜牌饰等（图3.7）。当代社会，设计者们利用高科技手段创作一些虚拟的情景；或制造一些幻影；或把本来互不相干的结合在一起，使设计物别有一番风趣。

1.3 仿生设计的走向

仿生设计是设计与仿生学结合，进行创造和设计的过程。关于把生物的功能与构造设计、制造工程、工具相结合等方面的种种想法早已有之，但都不成系统。1948年N.维纳在《控制论》中提出“在动物和机器中的通信和控制”的问题，为仿生学的诞生奠定了基础。1960年9月美国俄亥俄州戴顿（Dayton）空军基地召开第一届仿生学研讨会，研讨会的副题即是“生物原型—新技术的钥匙”。人们把这个时间定位仿生学正式诞生之日，科技工作者把仿生学定义为：“研究生物系统，制作模拟其卓越功能的装置的科学技术领域”。

仿生学的最终目的是通过生物的物质结构、功能、能量和信息原理及其作用机理的研究，实现新的设计，或者解决设计中存在的问题，满足人类生产、生活的需要。人的创造活动一般分为两个阶段：第一阶段是人的初期创造活动，主要依赖于模仿；第二阶段是后期创造活动，即在模仿的前提下进行创造活动。也就是说，人的创造（设计）在某种意义上源于模仿，而原始的、初级的、朴素的模仿对象无疑是自然界中的生物。仿生不是单纯的模仿，而是把生物的卓越功能更巧妙和更精练地应用到设计上去。仿生学在设计领域的复兴是20世纪80年代的事情。1988年在德国举行的首届国际仿生设计研讨会，称得上是仿生设计全面兴起的标志，会议以对自然界的探求，以生命与形态、功能与形态的思索为主题，展开了全方位的研讨，在设计界，尤其是工业产品设计领域产生了深远影响。

人类利用仿生进行设计的历史可谓非常之久远，在对生物界观察和认识的基础上，运用独有的思维方式和设计能力模仿生物。除了以上我们谈到的自然的启示与设计外，还有我熟知的一些设计故事，如古人的“因崖为室，构木为巢”，到“挖土为穴”，无疑受到“兽穴”和“鸟巢”的启示。“黄帝造车”是黄帝受到飞蓬草种随风滚动的启示，创造出神奇的指南车。古人看到鱼在水中自由来去，就模仿鱼的胸鳍和尾鳍设计出双桨和单橹。相传在我国春秋战国时期，木匠的祖师爷鲁班，上山伐木不小心被有齿的草叶划破手指，从而受到启迪发明了锯；古人模仿鸟类，设计出风筝，为后来飞行器设计打下基础；1505年达·芬奇模仿蝙蝠的结构，描绘出飞行器的草图。服装设计中的“蝙蝠衫”、“燕尾服”、“青果领”等也是对生物形态的模仿。正在建设中的由瑞士赫尔佐格和德梅隆设计事务所、奥雅纳工程顾问公司及中国建筑设计研究院设计联合体共同设计的国家体育场——“鸟巢”，在形态与结构上堪称名副其实的“鸟巢”，并尽可能地与周围自然环境融合一体。这一切都不外乎是形态的模仿、功能与结构的模仿、信息传递方式的模仿。近些年来，随着科学技术的进步，仿生设计的研究领域更加深入和细微。

地球母亲的那种无私奉献是无比伟大的。