生物耦合现象对仿生设计课程教学实践的启迪

李智健

（大连工业大学 艺术设计学院，辽宁 大连，106034）

仿生学经过近60年的发展，如今，这门学科的现代定义综合了以人与生物的生存环境作为模本，探索其中所发生的现象，通过相关学科的交叉渗透，满足人类的实际需求。

仿生学的模拟方式不仅是以往对自然“形似”的单元仿生，生物适应自然的前提在于多个因素相互耦合。生物耦合是指两个或两个以上耦元通过有效的耦联方式联合起来成为具有一种或一种以上生物功能的实体或系统①84。生物耦元是构成生物耦合的单元，两者互为因果，关系紧密①57。生物主要通过多元耦合实现其自身功能，单一耦元虽有相关功能，但若没有其他耦元的共同协助，就难以实现生物功能与环境适应的最佳状态，即生物体对环境变化的感知①121。例如蚯蚓脱附减阻功能在外表上体现出圆锥形，在土壤中穿行时呈现出波浪形的体态变化，非光滑体表上的背孔分泌出体液，以及其他因素共同实现脱附减阻功能。生物的耦合现象普遍存在于自然界的各种生物，它们虽然不属于同一类别，但具有同样的功能。例如自洁防粘功能在荷叶、苇叶等植物叶片和蝴蝶、夜蛾等昆虫翅膀上皆有体现，是由它们的表面非光滑形态、微纳米复合结构和低能材料等因素耦合实现的①18。

不同专业领域对仿生学的认识不同，促使仿生制品的涉及范围更加广泛。例如力学研究生物在环境中不同状态下运动的微妙变化，化学研究生物体内能量输送与转换的反应过程，生物信息学模拟感觉器官与神经网络的信息处理过程，工程仿生学侧重转化生物体与设计、技术、发明和工程创造相结合，学习和模拟生物耦合机制的多元仿生，即由单元仿生向多元仿生发展。

仿生学的研究内容以生物学对生物系统与周围环境的关系为起点，将生物的习性、技能、结构差异等因素作为仿生模本，主要来源于生物模本、生活模本、生存环境模本，从中研究人工制品与仿生模本之间的相似性，使其基本特征与表现形式构成有效链接，经过仿生模拟、设计、评价、优化、制造过程，改进和提升产品性能。

仿生设计属于工程仿生学的分支，“向自然学习”一直是产品仿生设计的重要依据，自然与人工制品的共通之处在于外形（Shape）、表层（Surface）、结构体（Structure）及生产（Making）等因素的综合运用，自然的外形显示出每个物种的独特性，表层则体现出与周围环境的互动关系，结构体反映出从微观到宏观各个层级的功能作用，生产是物种繁衍生息、经久不衰的动力源泉。设计的关键在于仿生模拟、目标模本、相似性。目前在工程仿生领域，以形似模拟、结构模拟、构形模拟、材料模拟、行为模拟的单元仿生为主导；单目标和多目标模本以综合优选为原则，多目标模本是指在同一物种中的不同群体有时存在特殊性，在确立相关群体具备共性的同时，利用其突出的特性开展仿生设计；相似性原理是在确定产品功能的基础上，将生物对周围环境变化所做出的自身调节反应与产品功能形成相似性，使仿生设计更加贴近生物原型，也更有利于未来产品在众多工程领域的创新研发。例如，荷叶“出淤泥而不染”的特性可应用到防水防尘的材料上；细胞系统的相互连接、支撑及构成关系可应用于硬纸板、家具等材料的生产与制作；植物的光合作用让光伏发电技术不断取得突破，蜘蛛丝的编织让纺织品变得更加柔韧、轻便，细菌纤维素的繁殖能够让材料实现生物降解，从而逐渐替代传统材料等。

一、耦合现象中的自然属性与动态变化

自然属性的内容源于人类通过观察、记录、梳理自然界和生物界的本质面貌、变化规律及自然现象，将其转化为人类对自然的反应和自身的认识。动态变化普遍源于世间万物的动作，比如斗转星移、气候变换、动物迁徙等。

图1

图2

图3

如图1所示，自然属性作为仿生设计的起始点，与之相连接的有实际描述、时间与空间和人为事物，实际描述是指真实存在的自然现象，时间与空间是事物变化的根本，普遍联系在于自然生态、人类社会发展的本质。动态变化是对自然与人为事物、原理和结构进行相似性组合，人为事物中含有人为加工和对自然的模拟，比如各式家电内部的电路板是模拟神经系统，折叠式产品的结构是对鸟类骨骼、节肢动物、贝类等软体动物的模拟，这些都说明原理与结构相似性存在于自然和人为事物之中。

二、生物耦合现象在仿生设计教学中的运用

在图1中，运用“思维导图”的设计方法，根据前文对“生物耦合”的描述，生物功能的前提在于多元耦合及环境适应，生物内外的多个因素都有可能作为仿生模本的一部分，主要以相似性为侧重点，并且各因素之间可形成协同关系。在教学中尝试建立以自然属性为起点的耦合现象，对已有同类产品进行再创造，在使用同一材料的标准下，模型的选材、制作到加工全部由学生借助常用工具独立完成，将手工制作放在培养实践能力的突出位置，让学生在完成作品的过程中，既能锻炼动手能力、积累经验、熟悉材料的特性、掌握工具的使用，也能更好地理解动态变化在产品设计中的系统作用，通过以“旋转”为主题的作业要求，以实际案例来说明仿生设计除了把握不同产品的形态变化外，更需要考虑的因素是功能和结构如何实现，在此基础上针对尺寸、比例、平衡等方面进行调整。

三、教学案例实施流程

此次仿生设计的实践课程选择的自然属性为“螺旋”，螺旋也称为“漩涡”，它既是在地转偏向力的作用下产生的一种自然现象，也广泛存在于生物界像鹦鹉螺的螺旋状外壳、DNA的双螺旋结构、植物生长过程中的螺旋等形式中。从时间的角度来看，它代表着万事万物的发展路径是条不断循环且上升的曲线；而且在机械设计、制造方面的应用领域也相对成熟，从空间上看，“螺旋”主要起到连接和驱动作用，比如螺丝与螺栓、蜗轮与蜗杆等。当自然属性确定之后，选择人为事物则围绕“螺旋”的动态变化拓展思路。螺旋上升的曲线总体趋向一种旋转动态，螺丝与螺栓在完成两个或两个以上物体连接时会有另一种旋转方式，本身有向内或向外旋转的含义；蜗轮与蜗杆的传动关系也是在交错轴的垂直关系中，通过“旋转”传递动能。由此将“旋转”作为动态变化的关键点，在事物的普遍联系方面从内、外两个角度分别归类，“外部体现”的举例来源于生活中常见的人为事物，比如交通工具、小型家电和玩具；“内部构造”依次对应“外部体现”，在交通工具中所使用发动机的动力输出各不相同，“零部件”对应上层小型家电或玩具，随着目标数量的增多，尽可能扩大人为事物的种类，这些都可作为课程素材的基础。

四、相似性在模型制作阶段的运用

相似性在生物耦合现象中起到关联作用，主要体现在从简单到复杂的递进关系。螺旋的仿生来源选定植物界里属于槭树科的红枫鸡爪槭，它的果实——翅果外表包裹了一层“翅膀”，在掉落时呈螺旋回转状态，与之相似的人为事物有陀螺、竹蜻蜓，飞机螺旋桨的灵感源于竹蜻蜓。实践过程是文章的另一个重点，总体要求做到选择材料标准化、训练目的明确化，在过程中求解决方案，直至达到预想效果。

（一）选择材料标准化

陀螺、竹蜻蜓选用的材料有厚度为3mm和5mm的PVC（雪弗板）、圆规、三角板、美工刀、铅笔、强力胶、200～1200目砂纸；橡筋动力飞机在上述材料和工具之外，还有截面5mm×5mm×500mm木条、T型尺、橡筋、大头钉或细铁丝、细嘴钳、油笔芯、尼龙线、不干胶。

（二）训练目的明确化

作业成绩与模型展示效果一致即是作业的标准，也是让训练目的围绕观察力、理解力与实际操作相结合，以往的训练模式用绘图表达对事物理解的效果毕竟有限，“眼高手低”的问题在当今务实的社会环境中对学生职业发展不利，所以实践的出发点是“再设计”。即便是市场上流行的现有产品或是趋于成熟的装备制造，依然有可发挥创造力的空间，仿生设计的研究价值在于探索未知领域、开拓应用范围、更新已有技术、优化设计目标。以下分别说明陀螺、竹蜻蜓、橡筋动力飞机三个模型的制作和测试过程。

1.陀螺

如图2所示，在陀螺制作示意图中，首先要做到延长转动时间，关键在于降低陀螺的重心，以及陀螺底部接触面的支点要足够精巧，其次要保证与手部接触的短柄与陀螺体的中心线在一条直线上，保持上下整体平衡，预防在转动中出现重心不稳定、左右摆动、转动时间过短的问题。

图4

PVC板材与KT板相比，具有密度高、质地较硬、加工可控性强、切割时较齐整、砂纸打磨后较精细的特点。陀螺短柄下的部分近似圆锥体，制作前可借鉴“洋葱”的构成形式，将陀螺的大体形状进行分层、分段处理，将切割好的PVC板粘贴后，依照实际尺寸进行统一打磨。为了增强制作时的自主性，允许学生对陀螺局部加以改造。经过模型测试后发现，转动时间超过1分钟的陀螺在接近底部的位置都夹有圆状薄片金属物，这样可以压低重心，增加转动的惯性；另外，陀螺横截面越接近圆形、体积越小、接触地面的支点越细，即模型做工和尺寸控制也会延长转动时间。

2.竹蜻蜓

在竹蜻蜓制作示意图中，与陀螺的相似点在于螺旋桨叶片的中心点与轴杆整体的中心轴在一条直线上，既可以保证叶片与轴杆方向的垂直关系，也能在其升空过程中呈现垂直姿态。网上搜索的相关图片虽然直观，但在模型制作前需要确定螺旋桨曲线转折变化，也要考虑如何做到从升空到落地保持平稳，在无风的环境中不会发生飞行轨迹偏移的问题。从测试结果看，稳定性较好的竹蜻蜓从比例上看，螺旋桨叶片的跨度与轴杆的长度接近等比，螺旋桨两侧的叶片曲线呈轴对称且叶面的阻力面积适中，即阻力面积、旋转力越大，升得越高。

3.橡筋动力飞机

飞机模型相当于将此前的陀螺与竹蜻蜓的结构特点集于一身，除了满足机身与橡筋拉力线保持水平、螺旋桨轴对称要求和足够的转动时间，还需要通过观察鸟类滑翔中的羽翼状态，以及现有民航客机或战斗机机翼、尾翼的横截面，飞机所需的升力在模型制作中如何实现。在测试前会经过3次试验：

（1）如图3所示，在橡筋动力飞机机翼自由落体轨迹示意图中，将整体打磨完成的机翼沿前端方向进行垂直俯冲试验，如果在半空中划出抛物线并能够平稳落向地面，可判断机翼基本具备升力条件；

（2）在橡筋动力飞机制作示意图中，长木条作为机身骨架，另外木条裁成小块作为垫片，前端垫片粘贴上油笔芯衔接螺旋桨，并缠绕尼龙线加以固定，而后将大头钉或铁丝用尖嘴钳加工成一对挂钩，一个用来连接螺旋桨，另一个在机身尾部用来连接橡筋。当逆时针旋转螺旋桨带动橡筋为其进行蓄力，释放时螺旋桨后部有风力，可判断模型飞机已达到动力要求；

（3）在粘贴机翼前要确定其在机身骨架上部的位置以找到平衡的重心，如果过于靠前会使飞机重心前移，容易造成“头重脚轻”的问题；如果过于靠后会使飞机重心后移，则会造成升力不足、机身尾部提前着地的问题；另外需要注意机翼与尾翼的位置关系，大部分飞机的机翼和尾翼不会在一条直线上，否则会互相干扰气流分布、影响飞行效率，毕竟两者要“各司其职”。最终飞机的测试结果显示成功率可达到百分之80%以上，如图4所示，学生制作的飞机样式各有特点，已达到产品仿生设计的实践要求。

五、结语

近年来耦合仿生学成为仿生学的生力军，生物耦合现象和相似性为仿生模本、仿生模拟的多元性提出了更高要求，也有利于艺术院校的产品仿生设计由艺术走向文理融合，既能促进设计思维不断走向现实，又能在模型制作过程中激发学生的学习热情。当然，本次仿生设计课程仍有较大的提升空间，随着对耦合仿生学研究的不断深入，也需要与该领域的国内外学者进行交流，让学生对耦合仿生学有更深层的了解，后期将继续扩大仿生相似性的应用范围以及对生物耦合潜力的发掘，以保证后续课程设计的持续性。

注释：

①任露泉，梁云虹.耦合仿生学[M].北京：科学出版社，2018.