基于生物行为层面仿生的产品设计研究

梁尧尧 卢七卯

摘要：本文基于从生物学到设计的仿生设计螺旋模型，构建一种针对生物行为层面的仿生设计方法。该方法从生物原型行为模式出发，运用功能分析、类比推理等手段，通过“生物功能化一功能方案化一方案视觉化”的设计流程，实现了生物行为学对产品仿生设计的指导作用，为生物行为层面的产品仿生设计提供了一种新的借鉴思路。

关键词：生物行为;仿生设计;产品设计

中图分类号：TB472

文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2020）02-0154-03

根据仿生学对自然界的研究对象不同，可以将仿生设计分为三个层面：第一个层面是模仿自然与生命的形态;第二个层面是模仿自然与生命的行为特征和进化过程;第三个层面是模仿自然界的生态系统[1]。文章以从生物学到设计的仿生设计螺旋模型为基础，综合运用多种设计策略与工具，探索出一种切实可行的设计方法与流程。

1相关理念概述

1.1生物行为学

生物行为学是生物学的一个分支学科，其研究成果不仅能直接应用于农业、畜牧业，还能对仿生学、心理学、遗传学等学科的发展产生促进作用。

生物行为学主要研究的是生物的个体行为和种群行为，其不局限于是一种动作或运动形式，而是生物在个体层次上对外界环境的变化和内在生理状况的改变所作出的整体性反应并具有一定的生物学意义[2]。生物行为学的两个主要研究领域为描述行为学和实验行为学。前者负责收集、整理、分类与命名生物的行为类型，并对行为层次性和行为顺序性进行研究;后者注重于揭示行为的因果关系。

1.2从生物学到设计的仿生设计螺旋模型

在众多的仿生设计程序中，由仿生学学院提出的仿生设计螺旋模型较为典型，其因设计驱动力的不同而分为从挑战到生物学和从生物学到设计的两种类型。因从挑战到生物学的设计模型中的核心在于检索出与设计问题相匹配的生物原型，其削弱了对行为层面加以应用的研究靶向性，因此文章对该设计模型暂不论述。

从生物学到设计的仿生设计螺旋模型由发现、抽象、头脑风暴、仿真和评价五个阶段组成。发现阶段指的是设计师得到某种生物原型可作为产品模仿对象的灵感，以此驱动自身的设计活动;抽象阶段指的是将该生物原型实现其对应功能的原理进行归纳梳理;头脑风暴阶段需要综合运用设计师的个人经验与知识储备，为该原理找到合适的应用方式;仿真阶段即将生物模型转化为技术模型，再通过设计的手段将其转化为具体产品方案;评估阶段需要将产品方案与生物原型进行比较分析，评估前者对相关原理的应用有效性。如果最后得到的评估结果不够理想，则需要循环该螺旋模型。

2基于生物行为层面仿生的产品设计可行性分析

与形态层面的仿生设计不同，行为层面仿生设计的模仿对象主要在于生物的行为模式。生物的行为模式也和生物的形态一样，是长期进化过程中通过自然选择形成的，其具有很多亟待发掘的优势可用于指导产品运作模式的设计，例如，根据军蚁的自组织模式来指导交通工具及其交通系统规划的设计等。根据因果关系型类比推理的描述：已知存在因果关系S1：A→B，给定事物A与A相似，则可能有与B相似的事物B满足因果关系S2：A→B[3]。以此可以得知，如果将生物原型比作产品，将生物的行为模式比作产品的运作模式，可以得到如图1所示的相似性推理，生物原型为了达到某種行为动机而采取的行为模式由运动形式、生理形态和行为原理支撑，与之匹配的是产品为实现功能依托的运作模式的三种手段：交互方式、产品形态和产品结构。

3基于生物行为层面仿生的产品设计的意义

生物行为学的研究内容为产品仿生设计提供了行为层面的学科基础，尤其是其中对行为功能方面即行为的适应意义的研究。生物以适应生存为目的发展进化出了一系列具有优势特征的行为模式，其表现在种群通讯、成长发育、生殖繁衍、觅食与防御等多个方面，这些行为模式下揭示的客观原理也同样对产品的运作模式有一定的指导意义。通过向生物行为层面的模仿，产品能以一种更高效率甚至创新性的手段来实现功能的输出与用户需求的满足;同时，区别于形态层面只注重于对生物外观与结构的模仿，行为层面的仿生拓宽了设计师对生物的认知视野，提供了更多通过设计解决问题的可借鉴的思路，加强了设计师对人一机

环境之间相处模式的规划思考。

4基于生物行为层面仿生的产品设计原则

4.1择优性原则

生物行为学是基于不同生物原型之间的同类行为模式进行比较研究的，尤其是对整个属和整个科的行为谱比较研究和分析，会深度发掘出某些生物行为模式具有的一定程度上的优势，因此，会更适合被应用到产品行为层面仿生设计当中。

4.2适配性原则

一方面，要确定生物行为模式与映射到产品运作模式的适配，即运用类比推理的方法来验证该行为模式是否能转化成产品的运作模式并实现相应的功能;另一方面，转化后的运作模式要与产品载体适配。

4.3功能性原则

脱离仿生设计即“形态仿生”的错误观念，产品的表现形式应该是为功能实现而服务的，通过功能元拆分的手段去分析具体的多设计目标，从而建立基于产品运作模式的功能模型。

4.4情境化原则

对人一机一环境进行考量，通常情况下，只对独立产品的设计研究会忽略其与用户和环境之间的关系。产品的运作模式其实也是一种基于某种情境的产品目标实现方式的表述。

5基于生物行为层面仿生的产品设计思路

5.1生物行为模式提取

基于拥有某种生存优势的生物行为现象的客观描述，设计师需要将其叙述性的文本整理成简明的规范性框架，该框架由“生物原型行为模式一行为动机”以及支撑该行为模式的生物的运动形式、生理形态、行为原理等因素构成。其中，生物原型指的是具体到某一类或者某一种相关生物行为的执行者;行为模式指的是具有某种特征与规律的生物行为描述;行为动机指的是生物原型通过该行为模式所要达到的生存目的;运动形式与生理形态分别描述了动态与静态的行为实现情：境;行为原理则揭示了该行为的实现原理。

5.2产品运作模式推理

根据前文可行性分析中的推理框架，已知生物原型的行为模式与动机，即可类比推理出对应产品的运作模式和功能描述，并对运作模式进行产品层面的解读：交互方式、产品形态和产品结构。该推理框架总的来说就是一种对已知产品功能具体实现方式的黑箱模型的表达。

5.3产品功能设计

产品功能的本质，是产品系统与外界环境（包括使用者）发生关联状态的一种描述[4]。若要实现最终的产品仿生设计，功能是一个不可绕过的话题，通过前期类比推理，已知产品总功能的抽象描述及其运作模式，即可运用TRIZ中功能基的理念进行功能筛选并建立能表现出其层级关系的功能树模型。

5.4寻求设计机遇与设计展开

基于模糊产品的功能框架，通过头脑风暴的方法去寻求机遇，一种切实可行的办法是利用一级功能去设问以引导思维发散，其设问方式可以是正向的，也可以是反向的。在收集到足够数量的头脑风暴结果后，再利用二级、三级功能去设问筛选，以期获得最符合功能条件的设计机遇。

针对一个设计机遇，展开相关的产品前期调研是必要的，其有助于对设计现状的了解，获取更为精准的设计定位。之后根据目标用户进行用户体验分析，其指的是基于用戶研究细分产品应用的场景，基于用户认知模式和行为习惯总结具有共性特征的产品需求模型[5]。最后再将产品需求模型转化为技术模型，即如何通过技术手段去实现产品的功能，满足用户需求，落实到具体可行的方案。

6基于生物行为层面仿生的产品设计实践

6.1生物功能化

前期通过对鸟类孵卵机制的资料比较研究，获取了以下一段关于夜鹭的“轮流孵卵的本能互锁机制”的行为客观描述：“如果非孵卵的伴侣恰好游荡到鸟巢（及孵卵过程中的伴侣）附近，这就足以唤起正在孵卵那只鸟的换班内驱力[6]。”通过充分认识与理解以上行为现象，可以提取出如图2所示的行为模式关系。

之后对该行为模式进行产品运作模式的推理，获得如图3所示的结果：

已知产品的运作模式为‘基于相遇替换的轮流供应模式”，接下来运用TRIZ中功能基的概念进行功能和流的描述，从而达到对功能细化与规范化的处理。得到如表1所示的结果。

为了更清楚地了解以上功能之间的层级关系，可以建立如图4所示的基于功能元分解的功能树模型。

6.2功能方案化

根据整理出的功能之间的层级关系，可用“供应供给”与“显示状态”的主要功能进行反向设问：什么是容易在难以察觉的情况下断绝供应的？通过头脑风暴，获得了“公共厕所里的厕纸”“汽车油箱里的油”“断水”“断电”“厨房材料”等结果。之后，利用对次级功能的设问来筛选，即以上设计机遇中哪些是可以通过产品的“替换物料”“提供足够空间”等功能来辅助解决的。在综合以上筛选条件后，选定“公共厕所里的厕纸”这一设计机遇为主题展开设计。

接下来进行产品调研，借助资料查找、问卷访谈、实地调研等手段，我们了解到公共厕所里的厕纸总是断绝供应的问题是受多种因素影响的：（1）厕纸用完后没能及时补充造成空档时间较长;（2）使用人员的浪费现象时有发生，加速了厕纸的使用寿命。产品设计方面，目前公共厕所的纸盒都是单轴模式的，即每次只能放进去一轴新的卷纸，旧的一轴只有在被用完的情况下才能被补充，因此就会造成有一段时间内无纸可用的情况。此外，为了避免纸张无节度的浪费，目前已有基于人脸识别技术取纸的设备投入使用。

用户体验方面，产品应用场景定位到公共区域，用户可以细分为两类人群：补充者（保洁人员）与消耗者，因此要从这两个用户角度去分析产品具体需求。基于马斯洛需求层次理论，产品设计可以从三个需求层次去优化用户体验，即感官与交互需求、情感需求、社会与自我需求。如表2所示，整理出两种用户维度的产品需求模型。

通过以上需求整理，可得到方案的实施要点为：（1）人脸识别技术应用：控制消耗者取量与识别补充者身份;（2）物料可见性：能实时了解到物料消耗情况;（3）成功补充物料的反馈;（4）根据用户需求量不同，采取最多分两次取纸的交互方式。

6.3方案视觉化

运用工业设计中对造型、材质、色彩等方面的处理手段，将产品技术方案转化为如图5所示的视觉方案。

6.4设计评估

1）相似性评估：指的是将生物行为现象与产品进行对比来分析两者在目的与实现方式上的一致性。首先，在目的上，夜鹭的轮流孵卵模式保证了热量的持续供给，产品上则是持续提供物料，其在目的上具有相似性;其次，在实现方式上，基于亲鸟相遇换班的替换模式与基于保洁人员控制的双倍物料备份模式具有一致性。

2）有效性评估：通过理论上的数学假设的手段可以一定程度上地验证产品功能的有效性，步骤如下：假设单轴卷纸在该使用场景下的使用寿命为a，保洁人员从物料耗尽到补充物料之间的平均发现时间为b，以此循环n次，则物料的供应覆盖率为na/n（a+b），产品优化后的供应覆盖率为2na/n（a+b），其中当a≥b时，物料可达到全时间段供应，明显可见优化后的产品能很大程度上解决物料短缺的问题。

7结语

文章以从生物学到设计的仿生设计螺旋模型为基础，提出了一种针对生物行为层面的仿生设计方法。该方法的核心在于将生物原型的行为模式类比推理，成产品的运作模式，再通过功能分析的手段获取设计机遇，从而达到生物行为学对产品设计的指导作用。文章在探索该设计方法与流程的同时，进行了相关的设计实践与评估，进一步验证了该设计方法的可行性。

参考文献

[1]张雯雯.仿生学群智能行为指导产品设计研究[D].北京理工大学，2015.

[2]尚玉昌.动物行为学[M].北京：北京大学出版社，2014.

[3]赵沁平，李波.类比推理研究中的几个问题[J].模式识别与人工智能，1995，8（S1）：48-58.

[4]檀润华.TRIZ及应用：技术创新过程与方法[M].北京：高等教育出版社，2010.

[5]姚佳.基于用户体验的指静脉智能门锁设计研究[D].哈尔滨理工大学，2018.

[6]康拉德.洛伦茨.动物与人类行为研究[M]上海：上海科技教育出版社，2017.

[7]徐伯初.仿生设计概论[M].成都：西南交通大学出版社，2016.

[8]高洋，马东明，钱皓.仿生产品设计过程研究[J].工业设计，2018（08）：40-41.