在变化中提取设计元素—动物仿生设计的探索与实践

夏寸草，瑞贝卡·威尔兹

（1.上海视觉艺术学院，上海 201620；2. 美国普瑞特艺术学院，纽约112051）

产品形态设计，是产品设计专业的一门必修类基础课程。它在整体教学过程中，属于前期发散性思维的教学环节。一个优秀的产品形态，不是突然形成的。获得一个优美的形态有诸多方法，其中最重要的一种方法即为仿生的设计方法。这种设计方法，需要学生对万事万物的形态有所了解，通过感知世间的各种形态，提炼并再创新形态，并使用到将要设计的产品中去[1]。2019年2月，上海视觉艺术学院与美国普瑞特大学共同举办了为期2周的“从动物的运动到形态”国际工作坊。它提供了在产品设计形态上的新的教学体验和实践方式，通过研究动物的运动状态，将动物的运动状态提炼成形态，再用模型的方式将这种运动状态表现出来，旨在增强设计的灵活性，开发新的观察、解决问题和工作方式，通过动物的运动方式，研究与工业设计相关的概念，打破通常的思维模式，从广泛的概念出发，再一步一步逐步推进过程中，实现作品的完成。

一、动物运动仿生设计的设计方法

（一）动物运动仿生设计的理论基础

仿生学（Bionics）是一门既古老又年轻的学科，它研究生物体的结构与功能工作的原理，并根据这些原理发明出新的设备、工具和科技，创造出适用于生产，学习和生活的先进技术，某些生物具有的功能比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科[2]。仿生设计学（Design Bionics）亦可称之为设计仿生学，它是在仿生学和设计学的基础上发展起来的一门新兴边缘学科，一方面具有仿生的概念，另一方面其原理又构成了设计学的基础。通过对生物系统某些原理的实验，依据仿生设计学的原理，设计新的产品形态。其研究领域有形态仿生、色彩仿生、肌理仿生、功能仿生、结构仿生、环境仿生等各方面[3][4]。

动物仿生设计，是基于仿生设计学为理论基础的一种设计方法。它以动物为核心，通过研究动物的形态、运动等方式来创造产品设计的形态[5]。整体来说，可以从静态和动态两种方式来进行仿生设计。静态的仿生，主要为观察动物的形态，通过提炼动物的形态来产生产品的形态；而动态的仿生，主要为动物运动的仿生，并非提炼动物的外形，只关注动物的动态[6]。

（二）动物运动仿生设计的设计原则

动物运动的仿生设计，关注于动物的运动，即如何将运动可视化的方式，最终实现一种简单的仿生运动，最终的结果可以表现为“用你的手可以非常简单地移动物体的方式”。对设计师来说，这种设计方法不是在模仿自然的形态，而是从动物身上获得灵感和方向，并形成设计师自己的形态。该课题研究的是动物世界中发生的一个过程，这个过程涉及到微妙的运动，以及从一种状态到另一种状态的转换[7]。例如，一只开闭的眼睛；变色龙变色；一条从一个地方滑到另一个地方的蛇；海参在海底受到威胁时，把自己翻出来的防御机制；河豚鱼会自爆，当它处于危险中时，它的刺就会突出；剪叶蚁是一种微小的昆虫，它在一片叶子上钻一个洞，然后落到下面的叶子上，用刚切下的一块圆片盖住自己等[8]。

这种设计方法的目标主要有以下几点：

1) 开发一种将运动从自然转化为设计对象的方法。

2) 设计师往往非常明确知道自己的目标是什么，而这种方式让你暂停知道你所做的目标是什么。

3) 制造一种从一种状态移动到另一种状态的形式，即一种过程。

4) 使用最适合的形状材料进行手工制作，考虑到线条、平面、体积、颜色、纹理的主要设计元素。尽量不要使用CNC加工成型或3D打印，如果有必要的话，可以使用激光切割。

5) 所选择的材料和工艺尽可能是环保的，同时也是可持续性的。

6) 注意事物之间的联系，设计的某些节点也许可以改变整个设计。

7) 接受新的思维方法论，接受一种新的解决设计问题的方法，需要超越当前的问题，进行全局的思考，并在意想不到的地方寻找答案。此时，先入为主的观念被驱散了，问题的解决方案也许出乎意料。这是一种新的工作方式，可以使用你的整个生命周期，而不仅仅是与设计有关[9]。

8) 培养一种思维敏捷性，使设计思维可以从任何地方得到。

9) 增强这种灵活性，开发新的观察、解决问题和工作方式。

10) 挑战我们习惯的逻辑、垂直思维，用批判性思维取代传统思维。

11) 研究与工业设计相关的概念，打破通常的思维模式。

12) 从广泛的概念出发，接受这样一个事实：即你可能不知道被设计对象的功能，直到它们部分完成或完全完成。

13) 尽情的玩、享受、实验，头脑风暴和伸展极限。

二、教学实践

（一）工作坊介绍

美国普瑞特艺术学院成立于1887年，是一所极具特色的艺术类院校。作为美国著名的艺术类院校之一，其建筑设计系、工业设计系等享誉美国。在2015年的QS世界大学排行名中，艺术与设计类专业排名全球第五，北美地区第四。

2019 年2 月25日至3 月8日的这次工作坊课程，由美国Rebecca Welz教授和产品设计专业夏寸草副教授联合教授。2017级产品专业31名学生参加了此次工作坊，最终产生了15组优秀的作品。Rebecca Welz教授目前是一位雕塑家，她就职于普瑞特艺术学院的基础教育部和工业设计学院，教授本科生和研究生。她擅长可持续性和仿生学的研究，关注地球上的人、自然之间的关系，同时也在作品中融入了对自然界中生物和过程的多年研究和观察。

（二）教学方法

1.教学内容

此次教学课题主要考察和研究一个发生在动物世界中的过程。通过对这种动物状态变化的细微观察，将这种动物的变化过程用设计的语言来表达出来，最终通过模型的方式将运动的方式呈现。在设计前期，不但没有设计的终点，反而是弱化设计的终点。不明确地告诉自己最终想要什么东西，而是从自然界中提取灵感，一步一步进行推论和演绎，最终产生出一个奇妙的设计节点。这个设计节点可能会将在今后的设计中使用，而在这个阶段，没有人知道它是什么，它该怎么使用，我们只认为它是设计中的一个阶段和一个步骤，但是这个设计方法可以给我们带来更多的思考和灵感。

2.教学步骤

“从动物的运动到形态”的课题，首先通过简明生动的语言向学生们传授知识，其次安排学生以小组为单位各抒己见，考察和研究一个发生在动物世界中的过程，最终用材料体现运动形态。整体教学步骤要求打破通常的思维模式，让同学们从广泛的概念出发，再一步一步推进过程中实现作品的完成。

这个研究过程主要分为四步：

第一步，在字典里查“动物”，了解什么是动物。可以最多选择三种你感兴趣的动物和过程，在线查找显示该动物运动过程的视频，研究你发现的视频中的动作，从而提取出你最感兴趣的动作。从一个动物中选择一个动作，然后选择一个可以与全班分享的视频。这将是项目的主要灵感（图1）。

第二步，选择其中一种动物的运动，分离出感兴趣的过程，并画出它所采用的形式，可以画出它运动的三个或三个以上的阶段。例如，如果你选择的主体为一种动物的一个眼睛的打开和关闭，你可以将一个眼睛画成打开的样子，一个眼睛半开的样子，第三个眼睛关闭的样子。你可以将它视作摄影的变焦拍摄，绘制整个动物，并放大到一个特定的区域；再或者，你可能希望通过三或四个步骤从现实图像中抽象出来，直到有一个简化的图解（图2）。

第三步，从准备工作中，根据研究的过程创建一个流程图（图3）。这种形式将只作为一种运动发挥作用，从一种状态转变为另一种状态，不是作为产品来设计。最终可以表现为制造一个可以用手移动的物体，把它从一种状态改变到另一种状态，例如我们可以展开和收缩，从里到外，沿着轨道抽拉等。

第四步，进行草模和最终模型的试验。草模可以选择手边任意的材料，比如易拉罐、废弃的报纸，任何可持续的材料都可以使用（图4）。在草模完成的基础上，进行最终模型的制作（图5）①作品作者：2017级产品设计专业姜颖颖、戴智俊、鲁浩天。。

图1 第一步：“动物"的搜索（以长腕和尚蟹为例）

图2 第二步：用草图将动物的动作抽离成几个步骤（以长腕和尚蟹为例）

图3 第三步：用流程图来分析动物的动作（以长腕和尚蟹为例）

图4 第四步：草模模拟动物的动作（以长腕和尚蟹为例）

图5 最终模型（以长腕和尚蟹为例）

三、教学成果案例

（一）长颈鹿的运动形态提取

该作品以长颈鹿的劈叉、低头、喝水的动作为灵感，为了使其能够稳定地站立，作者用粗木棍与宽木条做了一组装置，运用各种连接方式与连接材料，实现了它“劈叉”与“低头”的动作，脖子部分中间镂空成一条长轨道，目的是为了使小球更容易滑落。长颈鹿下咽食物的动作也非常有趣，作者选择了与长颈鹿本身相符的透明橘色发光塑料纸与泡沫板制作了弹球装置。用风车模仿它的咀嚼，用轨道模仿它长长的脖子，用弹簧模仿它的胃部。为了使装置更方便，作者还增加了可以旋转的顶盖，防止小球蹦出并且更方便的取出小球。该作品非常优秀地将长颈鹿捕食的状态用物理的方式展现出来，并且在模型制作上下了大工夫，生动而又形象（图6—图9）②作品作者：2017级产品设计专业于钰洋、蓝凯悦。。

图6 长颈鹿的运动形态展板

图7 长颈鹿的运动形态展板

图8 长颈鹿的运动形态模拟最终模型

（二）犰狳的运动形态提取

犰狳有一个很重要的自卫方式便是伪装，它可以蜷缩成球状，以自身骨质甲的颜色伪装在环境中，用其坚固的骨质甲包裹住里面脆弱的身体，起到一定保护作用。犰狳的骨质甲覆盖头部、身体、尾巴和腿外侧。头部，前半部和后半部的骨质甲是分开的；身体中间的骨质甲成带状，可以灵活活动；最后头部和尾部的骨质甲相互契合，使其更接近于一个完美的球形。作者将犰狳的骨质甲抽象成三个同样的部分，它们分别由一个正六边形和两个直角三角形折叠组合而成。以层层叠加的方式组合成一个近似球体。内部用铁丝、胶带、弹簧连接，使其便于弹开和相叩。该组同学在设计时，草模的阶段使用了纸张，将犰狳蜷缩的动态良好地表现出来，在最终模型的阶段，使用了金属材料，由于金属与纸张材质的不同，该组同学巧妙地设计了很多连接键将它们展现出来，非常好地解构了犰狳的动态（图10—图13）③作品作者：2017级产品设计专业潘俣桐、许丰怡。。

图10 犰狳的运动形态展板

图12 犰狳的运动形态模拟最终模型

图13 犰狳的运动形态模拟最终模型

（三）天堂鸟的运动形态提取

极乐鸟科（Paradisaeidae）又名天堂鸟、风鸟有着浓密的黑色的羽毛，同时有着特殊的求偶技巧。天堂鸟的求偶时，会形成半月型结构，并与独特的舞蹈动作结合在一起。因此该组同学在研究了它们在求偶的时候独特的运动轨迹后，抓住圆形、翅膀与脚的动态来重点深入。模型的材料使用废纸，纸板，铜丝和线材来完成，最终成品由三个围绕的圈组成，形态各不相同。作品的第一个圈，使用了铜丝和废纸的结合，铜丝的错落缠绕像鸟巢又像是天堂鸟的整体动态表现，又是一种情绪的表达，代表着雌性配偶的一种激动，狂热，在这上面也有着一些长短不一的铜丝，代表鸟的脚，它会像舞蹈一样的围绕雌性转圈；第二个圈，由波浪围成一个圈，而这个圈会在旋转的时候成为一个函数的弧度，这是对翅膀动态的具象化，使用弧度来表现它的上下摆动；第三个圈代表了翅膀的展开，当它展开翅膀，像一面扇面，而这个圈在旋转的时候也会展开它的“翅膀”。该组同学很好地使用了三个圈，将三个圈在一个平面上对天堂鸟进行了重构，把动态用在一个平面上来表现，将天堂鸟的的轨迹由具象的方式来表现出来④作品作者：2017级产品设计专业盛佳佳、汤喻涵。。

图14 天堂鸟的运动形态展板

图15 天堂鸟的运动形态展板

图16 天堂鸟的运动形态模拟草模

图17 天堂鸟的运动形态模拟最终模型

四、思考与展望

（一）无终点的设计方式

此次国际工作坊的教学目的并不是最后要设计出一个产品，而是希望学生们能更多地关注大自然的魔力，关注动物的运动和特性，通过这种运动进行进一步步地推进，这是设计师所需要达到的一个要求。如果仅仅想着要去做产品，在前期思考的时候就会少了一些创新力。我们的目标是锻炼创新思维，经常锻炼创新思维便会有更多的想法。美国教授认为，中国学生的思维方式往往非常直接并带有目的性，总是希望询问老师最终想要什么设计，然后依据老师们的想法去实现这一设计。但是设计是多维的，是有创新性的，如果仅仅依从目的而设计，设计会变得无趣和没有生命力。美国教授鼓励中国的学生多做一些“无终点”的尝试，“无终点”并不代表无目的，设计依旧有设计的目标，只是我们不清楚最终的设计结果是什么，或许这个结果是此次实践的终点，但它也可能是下一次设计的起点。尝试多样化的探索方式，会给设计带来更多的可能性。

（二）渐进式的教学推进

在课程中，大部分学生希望将设计选题转移到平时并不常见的动物上，并非研究动物种类，而是研究动物的行为、状态、动向，抛开现象寻求本质。而这些不熟悉的动物，往往是需要大量时间去探索和研究的。因此课程特别强调探索的过程：从起步的调研到草图，从反复修改的草模到最终模型，每一个设计过程都非常重要，并且学生们均花费了大量的时间去研究实现这种动态的可能性。参与工作坊的学生们认为，每一步的进步都是有必要的，并且是循序渐进的，每一点进步都得到了导师地肯定，这是他们继续设计下去的最大信心。

总之，此次“从动物的运动到形态”的仿生设计课程，临界于基础课程和设计课程之间，是介于基础课与设计课之间的一门“桥梁性”课程，是大一基础课程进入设计形态课程的最后阶段的探索，可为学生们进行设计初步的阶段作准备。工作坊中关于动物运动仿生的新设计思维方法是值得推荐的，我们往往在做设计时离目标太近了，想法会被限制住，在进行设计前应鼓励学生们多思考“设计—人—物—环境—世界”之间关系[10]，找到一个和谐的平衡统一点，找到一些自身的兴趣点，以此为出发点进行设计，同时完善从想法到产品的过程，不以最终目的为目的地去创造性思考，激发学生们的潜能，创造出更多更好的作品来。