产品基因在创新设计中的应用研究

张 贵,袁万选,胡拥军,刘 帆

（广东水利电力职业技术学院 机械系，广东广州，510635）

产品基因在创新设计中的应用研究

张 贵,袁万选,胡拥军,刘 帆

（广东水利电力职业技术学院 机械系，广东广州，510635）

基于产品基因概念，提出了一种产品基因的划分和提取方法以及相应基因库的建立原则。通过对已有产品实例的分析，提取其中的各项产品特征抽象归纳为功能基因、外观基因和结构基因，建立产品实例基因组模型，并按照各基因对应的原理将基因进行编排建成产品基因库。由于产品基因库中同一原理一般对应多种基因组合，因此能重组产生较多的基因突变组合，能有效地启发设计者，提高产品设计的创新性。

产品基因；基因库；创新设计

1 产品基因简介

目前，随着市场经济中竞争的日益激烈和现代工业化生产力的飞速发展，产品的生命周期越来越短，新产品层出不穷并快速取代旧产品，针对这一趋势，企业的产品设计越来越追求缩短设计周期、降低设计成本和针对用户需求的个性化设计。为满足企业的这一需求，就要求产品设计过程既能延续旧产品的优秀设计，又能快速的举一反三、推陈出新，在较短的时间内以较低的成本设计出客户满意的产品。这里，我们将遗传变异思想引入其中。

在自然界中，生物通过遗传基因将自己的特征遗传给后代，并能通过基因的重组和变异产生新的性状甚至新物种。同样，在产品设计中，产品的创新也大多将已有产品中的原理和设计进行重用和再组合，也具有遗传和变异的特征。同种产品一般具有相同的功能、原理和结构，基于旧产品设计的新产品也将大量延续前者的特征并在此基础上整合了其他产品的功能结构特征，这一点也和动植物的杂交和嫁接十分相似。由此可见，产品的设计过程和生物的遗传规律有着许多共通之处，基于这一认识研究学者们提出了“产品基因”这一概念[1]。

本文对产品基因进行了初步的分析和归类并引入了外形基因这一概念，使其更适用于工业产品的设计过程。并在此基础上提出了基于产品基因的产品创新设计方法，包含产品实例基因模型的建立、产品基因库的编排及产品基因的重组和突变方法。使产品基因概念能运用到创新设计中去。

2 产品基因的分类与提取

2.1 产品基因的分类

生物的基因即DNA包含A、G、C、T四种碱基，这4种碱基通过排列组合能构成不同的基因并通过转录表达出各种生物性状，从而决定了生物的各种特征。反之，通过研究生物的性状、特征就能推导出相应的基因。

工业产品的特征一般是由产品的功能、结构、外观所体现的，与之相对应的设计就好比决定性状的碱基排列。所以我们可以按照生物基因工程的方法研究产品实例，从中提取设计案例并最终抽象成产品基因[2]。这里我们将产品的基因分为功能基因、结构基因、外观基因，三种基因的定义如下：

（1）功能基因：描述产品的使用功能，产品的子功能可以看做最小的元基因，多项功能组合就形成了功能基因组（如图1），功能基因的内容能直接影响产品的结构设计和部分外观设计。

图1 产品功能分解图

（2）结构基因：表现产品的几何结构、装配关系和材料特性等，是对功能要求和外观要求的原理解和具体设计。产品结构基因将很大程度地决定产品形态的最终实现。同功能基因一样，结构基因也由各级子结构基因和基因组合构成[5]。

（3）外观基因：描述产品的美学功能、外观设计和物料特性。产品的外观受功能和具体结构影响，但具有一定的独立性。产品的外观基因应该体现情感化设计的要求，满足用户的美学需要，既要不同于旧产品的外观设计又要要保持继承性，体现品牌特征。例如苹果公司的数码产品产品的族群可以细分为iPod shuffle、iPod nano、iPod classic和iTouch四条产品线[3]。每种产品在外观造型和配色方案上都有明显区别但在风格上却又延续了统一的特征：简洁的外部线条，纯净的颜色，触感良好的材质，圆形的操控转盘，直观易懂的人机界面等。

三种基因的作用关系如图2，可见产品的结构基因由产品的功能基因和外观基因决定，其作用方法类似生物的转录[4]。功能基因和外观基因经过功能分析和外观分析得到相应的原理，由原理求解得出结构基因并最终表达成产品特征。

由图2还可以发现，产品功能基因和产品外观基因的作用过程是相对独立的，在现实中不同产品其功能基因和外观基因所占的比重是不同的。例如结构较复杂技术含量较高的产品一般首先注重使用功能的实现，一次外观设计的成分较少；结构较简单且以实现美学功能和情感功能为主的产品则一般功能单一，外观设计占主导地位。（如图3）

图2 功能、外观和结构三种基因的关系模型

自行车设计

图3 饮料瓶设计

2.2 产品基因的提取

在生物基因工程中，科学家使用RNA进行逆翻译从蛋白质中提取遗传信息，再进行逆翻译得到相应基因。在产品基因中原理充当了转化时的信息载体，相当于生物基因表达时使用的信息载体RNA。产品基因的提取过程就是通过对现成的产品实例或实例种群进行功能分类、结构拆分和外观分析，找出其对应的原理，建立原理模型再按照原理模型将各功能设计、外观设计和结构设计进行分类归纳提取成相应基因。

产品基因的提取原则

（1）将已有产品划分成产品族群，对族群的共通特征进行分析。

（2）研究产品系列的演化历程，分析其遗传规律，指导后续的产品设计。

（3）按照企业品牌形象选择性地取舍基因，保留受顾客欢迎的体现品牌特色的基因，舍弃有损品牌形象的基因。

2.3 产品基因库的建立

基于产品基因这一概念，我们可以将以往各种经典设计和成功产品进行分析，总结出优秀的外观、功能、结构设计，并将这些设计归纳抽象成相应的基因。搜集这些基因并编排成库就成了属于产品设计的基因库。当设计新产品时，只需按照产品的设计要求从产品基因库中提取满足条件的基因加以重组就可以组合出多个设计方案。从这些方案中选出最优解既可得到创新产品。

为了方便将产品基因信息运用于创新设计中，就需要建立产品基因库。由图2易知功能的最小单元子功能对应一项原理，每项原理又对应一项子结构，两者由原理联系在一起。因此我们可以将产品基因按照原理进行归类和编排，从而建立产品基因库。如图4

图4 原理基因组结构图

在基因库中，设原理为P，与P相关联的功能基因、外观基因、结构基因分别为Gfi，Gai、Gsi。基因库中各种产品基因以原理基因组的方式存储，由于同一原理能实现多种功能和外观设计且可由不同的结构设计表达，故原理基因组的表达式为

例如某产品基因库中杠杆原理对应的原理基因组可按下式表示：

使用产品基因库时，只需按照所需的功能或外观设计检索相应的原理，就能查到该原理对应的结构基因，还能获取同源的功能和外观基因，从而产生更多的基因组合。这一功能对设计者能起到一定的启发作用，有助于诱导设计中基因的重组和突变。产品基因库建立后，还要在设计过程中不但地积累设计知识，丰富产品基因库的内容，从而增加产品基因的突变类型，为创新设计提供更多灵感。

2.4 产品基因的表达、遗传、重组和突变

产品实例的基因可按照图2以自顶向下的树状结构表示成基因模型，如图5

图5 树状产品基因模型

当我们设计产品时，可以从已有产品种群实例中提取有代表性的范例，分析范例的特征并建立相应的树状基因模型。例如设计光电鼠标时，先分析其基本功能和外观设计，建立该实例的基础基因组：如图6

图6 鼠标的基础基因模型

图6 所示的产品实例基因组描述了光电鼠标这一产品的基本构成，以后设计的新款鼠标大多会具有这些基因，因此这些基因具有遗传性，会遗传到产品种群的新产品中去。

树状产品基因组的重组和突变过程就如同在树枝上添加叶子或替换叶子，例如在鼠标的基因库中传感器对应的原理基因组为：

其中除了包含“指令信号输入”和“位移信号输入”还会包含其他功能基因如“图形信号输入”，图形信号输入对应的适用于鼠标的子结构基因是“指纹识别器”“摄像头”等等。

因此，在鼠标的基础基因模型的基础上，新型鼠标就可以在其基因组中加入这一突变功能并衍生出对应的设计如指纹锁或二维码识别插件等。

3 基于产品基因的产品创新设计实例——无线自发电鼠标

3.1 设计背景

问题一

无线鼠标的发明使鼠标摆脱了数据线的限制，但同时无线鼠标必须得面对能源问题。一般无线鼠标都是以5号或7号干电池为电源，电池耗尽后必须要更换新电池，在给使用者带来不便的同时旧电池也会对环境造成污染。

问题二

操作传统鼠标时，手腕背伸一定角度，掌侧与桌面接触积压，使腕管处压力增大，长期反复的挤压摩擦，使通过的神经和血管受损伤，产生鼠标手症状。鼠标手会造成肩部甚至颈部的不适、手腕和前臂的疲劳酸涨、手腕的僵硬和手掌的酸涩。

为了解决这两个问题本文设计了一种能将鼠标移动时的多余动能转化成电能供自身使用的无线鼠标，同时鼠标的外形采用创新设计，能有效的预防鼠标手。

3.2 新增功能分析及基因提取

功能方面：要将动能转换为无线鼠标可以使用的电能就需要发电装置，与之符合的发电原理有压力发电P压力发电、电磁感应发电P电磁感应等，由于鼠标的位移比较频繁因此选择P电磁感应，检索P电磁感应包含的基因组合选取=（位移发电，电磁感应，偏心轮+发条+发动机）或者=（位移发电，电磁感应，内脏线圈+外置永磁体），为了增加能源的转化率，选择机械传动部件较少的=（位移发电，电磁感应，内置线圈+外置永磁体）。

外形方面：要预防鼠标手就要使手腕不与桌面接触，由于传统鼠标设计都无法避免手腕与桌面接触，故引入游戏手柄的基因：=（信号输入，舒适握感，立式摇杆设计）

将以上基因加入原鼠标的基因模型（图6）就得到了新产品的基因模型，按照这一模型指导设计就能较快地设计出创新产品：即立式侧握式鼠标，内置发电线圈和储能电池，附件包括内嵌永磁铁的特制鼠标垫。鼠标工作时，内置线圈切割鼠标垫产生的磁场产生感应电流供给鼠标。（如图7、8）

4 结语

本文介绍了产品基因的分类和提取，并对产品实例基因库的建立以及产品基因的重组、突变和杂合等问题进行了研究。为解决产品基因在产品设计中的实际应用问题，本文提出了以原理为标准编排和建立基因库的方法，增加了产品基因的重组、突变能力，提高了产品基因概念在创新设计中的实用性。基因库概念的引入有利于设计知识的延续、积累、规范以及再利用，并能对设计者提供启发和指导。

图7 产品外观效果图

图8 产品爆炸图

[1]冯培恩, 陈泳, 张帅,等. 基于产品基因的概念设计[J]. 机械工程学报, 2004, 38(10):1-6.

[2]杨金勇. 基于功能表面的机械产品基因工程理论与技术研究[ D] . 济南: 山东大学, 2007

[3]缪琳, 杨雄勇. 从苹果的设计探究产品基因的遗传与变异.湖南大学设计艺术学院

[4]台立钢, 钟廷修. 产品实例种群及产品基因研究[ J] .上海交通大学学报, 2007, 41( 9) : 1465- 1469

[5]刘怡, 黄克正, 刘和山,等. 基于产品基因进化的结构设计自动化[J]. 机械科学与技术, 2004, 07期(7):813-815.

Research on Application of Product Gene for Innovation Design

Zhang Gui,Yuan Wanxuan,Hu Yongjun,Liu Fan
（School of Design, South China University of Technology,Guangzhou Guangdong,510635,China）

Based on the concept of product gene, a method of classification and acquisition of product gene was proposed. Besides, the principles of establishing the gene pool for the product gene was put forward. Through analyzing the product cases, formulating the characters extracted from product case as product gene and then a model of the product case was established. According to the principles of each product gene, a gene pool was established, it is helpful to the innovation design as the product gene from gene pool can change into various mutations combination which can inspire designers and improve the level of creativity of the design.

product gene; gene pool; innovation design

TB472

A

张贵 (1987- )，男，安徽阜阳人，硕士研究生，主要研究方向为产品创新理论与应用、产品设计及其理论。