仿生视角下的水面清污器设计研究

刘国苹，石雅梦

（武汉设计工程学院，武汉 430000）

水面清污器作为湖泊环境的保护者，它的研究设计与生态环境息息相关。目前，国内很多湖泊出现大面积漂浮物，水面清污方式的发展却停滞不前，严重影响生态环境和城市发展。水面垃圾清理方式众多，大多都存在造价高、能耗大等问题，并不能满足当代社会的需求，且不符合国家节能减排政策。水面清污器的创新设计已迫在眉睫，本文将通过仿生设计研究水面清污器的具体应用，以提升其自身功能，创造新型高效节能的水面垃圾清理器。

1 仿生的含义与应用

1.1 仿生的含义

仿生来源于自然界，主要以科学技术创新在工程和设计领域提供创新性思维，从而进行学习和模仿，解决目前存在的诸多问题[1]。

1.2 仿生在设计中的应用

仿生设计主要是运用工业设计的艺术与科学相结合的思维方法，从而不仅在物质上，更在精神上追求传统与现在、自然与人类、艺术与技术、主观与客观等多元化的设计融合与创新。仿生学设计在于模仿生物的特殊之处，利用生物的结构和功能原理得到设计产品的方式，从而创造出新型产品[2]。

如图1所示，日本的新干线列车采用流线型的翠鸟鸟喙作为设计灵感，对列车车头进行创新，不仅降低了列车噪音，还提高列车的燃料使用率20%，成效显著。

产品的形态仿生是指在整体或局部上对自然物进行加工和整理，然后将其应用到外观上，比如诸多汽车类设计大多都采用仿生设计，从速度型动物中获取灵感提升产品品质。仿生设计的合理运用，不仅可以提高产品质量，也可以减少资源浪费。

图1 翠鸟和新干线列

2 市场调研

2.1 水面清污器对水面生态环境的设计

近些年，我国湖泊环境整体持续恶化，城市内的湖泊、河道等均出现水面垃圾漂浮堆积、水藻遍布、水质发臭等情况。而现有水上清洁产品设计在国内没有实质进展，据市场信息可以看出，现有的水面清洁器设计存在很大的不足。

（1）从处理水面垃圾方式上来看，产品处理垃圾投入成本高，需要多人同时协作，浪费人力物力；人工打捞清洁强度大，清洁过程不环保，不利益绿色、环保、高效安全湖泊水面清理；打捞方式就是随意打捞，没有考虑水域与垃圾分布，打捞没有针对性；清洁过程中处理不干净，清洁速度慢。

（2）外观设计方面，现有许多水面清理垃圾大多采用船舶的造型，其造型陈旧且体积大，不符合当代人的审美，与现代化文明产生鲜明对比；在湖泊清理的整体设备投入和规划上，缺乏系统性和整体性；大多数研究倾向于清洁功能的多种实现方式，关注过于片面，没有充分考虑整个湖泊的使用大环境和各种需求；功能过于单一，忽略了理念、外观以及需求的整体设计。

因此，水面清污器应该着力改变其问题现状，在设计中用仿生学创新，利用生物的结构和功能原理来创新设计，使其成为改善城市湖泊、河道生态环境质量的得力助手。

2.2 国内外生态化水面清洁机器的发展现状

现在市场上水面清污方式众多，水面清污机器也种类繁多，但是或多或少都存在问题。

2.2.1 效率低，人工耗力

对于人工船舶打捞来说，现有的打捞船一般体积大，适合用于大型的旅游观光水域，不能进入小型水域进行打捞作业；投入成本高，存在高能源、耗时长、效率低等问题。不少清捞作业场地非常狭窄，工作人员的劳动强度大，工作难度高，且存在较大的安全隐患，除救生衣外，没有任何保护措施。

2.2.2 生产成本高，高能耗

机械化打捞方式的工作效率高且便利。但机械造价过高，能耗也高，同时依旧需要人工操作，对能源造成一定浪费，不符合现代社会审美和推崇的循环经济发展理念。

2.2.3 船体过于单薄

水面清污器设计虽然在功能性上进行创新，但是过于单薄，其造型依旧采用船体方式运作，而且使用依然有很大的局限性。虽然其造价低，符合低能耗的要求，但是其依旧主要依靠人力来完成作业，同样存在安全隐患。

2.2.4 清理范围局限

国外的海洋垃圾收集桶，利用物理学做负压的形式，用水流带动水面漂浮物，而垃圾会通过特殊的滤网过滤收集，但其缺点显而易见，对于大面积垃圾的清理，作用十分有限。此款收集水面垃圾的方式十分新颖，但其造型设计没有考虑到人机体验。

3 设计定位

3.1 市场需求定位

产品设计主要针对湖泊、内河等，设计必须考虑湖泊河道特点、城市文化、功能需求，要做到系统化，不仅关注产品本身，也通过产品的使用环境提出相应的设施设计和节能设计，使产品设计更好地为湖泊环境建设服务[3]。

3.2 空间产品人机定位

生态水面垃圾清洁器的设计首先在视觉上要给人美的感受，其次应用要符合所需环境和使用者需求尺寸。为了适应湖泊、内河水域分布，产品应当具有良好的灵活性，具有高效的工作效率和低廉的成本投入。产品尺寸最好为中小型，便于灵活进入复杂水域进行垃圾清理作业。

4 设计分析

4.1 外观形态分析

水面清理器造型设计灵感来源于深海魔鬼鱼的造型和肚子结构。其外观和结构设计体现了自然与现代技术相融合的思想，表达出“绿色、环保、爱护、高效”的理念，便于使用与保护，更加利于后续发展。因此，对于产品外观设计来说，它应当与整个水面环境相契合，具有价值性、多样性、简洁性及灵活性，便于水面清洁的管理和维护等。依据仿生学原理，以深海魔鬼鱼形态和内部结构为设计原点，笔者确定了外观造型，如图2所示。

图2 具体方案造型

4.2 材料与工艺分析

材料主要采用防水材质，其触觉较好，防腐性强，材料加工性强，形态可以多样化；塑料材料易加工，色彩丰富，便于一体成型，节约成本，也适宜做产品的外壳，以其他材料制作成内部结构。这款水面清污器主要采用玻璃钢（FRP），即纤维强化塑料。在材料的选择上，玻璃钢外表光滑，可降低阻力，提高航速；玻璃钢稳定性好，质地轻且硬，防腐性强，易于加工，使用寿命长且易于修复。产品外涂抹防水涂料，其对于水面清污器有保护作用。

4.3 色彩分析

在色彩的运用上，这款水面清污器的配色主体用黑色，辅以蓝色进行搭配，在视觉上给人一种简洁大方的感觉。黑色属于很耐脏的颜色，十分美观。再者，黑色可以将光线全部吸收、没有任何反射，它更有利于太阳能板的运作。蓝色具有安静、舒适的视觉感受。黑色与蓝色结合给人带来一种视觉冲击感，具有很强的现代感。

4.4 结构分析

此方案产品结构整体为椭圆形，便于深入小型水域进行垃圾清理，具有灵敏的操控性，与其螺旋桨的运行路线相协调，容易保持水中稳定性和效率。

产品主要由上下及其内外组成，产品上部主要内置控制、动力系统、太阳能板、摄像头和红外线传感，它们位于吃水线上部不易产生故障，并且具有极好的密封性，便于护理与维修；下部分主要是下壳体，包括发动机、螺旋桨、红外线传感自动避障以及过滤网等垃圾收集部分。两者的组合让产品更加安全，保障机器工作效率和清理效果。

4.5 空间规划分析

此方案不仅考虑产品的使用与设计问题，还为湖泊、内河清理的后期管理及维护提出了一种全新的解决方式。其中对产品投放的整体环境进行了规划与整体性设计，把湖泊分为若干个区域，根据红外线传感可通过手机APP进行实时关注及遥控操作，便于工作人员清理垃圾与产品维护，很好地解决了人员、产品成本等各个方面的投入，是一个贴心且绿色的设计。

4.6 功能分析

在水面垃圾清理方面，这款水面清污器将打破传统的打捞方式，实行智能清理，它具有先进的智能计算机系统，自动虚拟导航，确定清洁线路，清洁面覆盖广。水面清污器的运作主要范围是狭小河道，对于水域面积大的情况，这款产品前面设置了一个摄像头和红外线传感。在水面清污器日常工作时，其可以借此观察水质和水面状况。太阳能是一种绿色环保节能的技术，这款设计将这种技术运用到水面清污器中，其背部设计有一个太阳能板，利用太阳能作为动力源泉，为水面清污器提供所需动力。

红外线传感自动避障也可通过手机APP进行实时关注及遥控操作。人们通过APP可及时得知水面垃圾具体方位和垃圾乘载情况，操作简单且作业安全。当水面清污器收集的垃圾达到一定数量，其便会在按钮处发光并及时反馈到手机中，使用人员便可引导水面清污器返程。其结构简单，生产成本较低，易于维修和推广。这样不仅保证了水面清污工作者的安全，也提高了工作效率，绿色环保。

4.7 价值分析

该产品针对湖泊、内河进行设计，产品功能好、外形美观、成本低，便于水面清理管理系统工作人员进行护理与维修。这种运用现代环保理念的垃圾清洁器设计，让人们深刻感受到科技的力量和设计的作用。

5 结论

智能水面清洁器的开发设计主要是为了解决复杂水域的垃圾清理问题。笔者运用仿生原理开展产品外观结构和功能研究，以优化水面清理方式，契合当代人的审美需求。实践表明，该产品的功能和选材遵循绿色发展理念，节能且循环利用率高。智能水面清污器采用遥控系统和红外线传感，可以实现无人自动避障、检测水质、打捞沉物，使清洁工作变得简便。这款水上清洁器具有体积小、操作方便、工作非常灵活、清洁效率高、成本低廉的优点，并利用太阳能提供动力资源，体现了创新科技的便捷性。