基于形态仿生的游艇外观设计

王瑶 周立师

（1、山东交通学院船舶与港口工程学院，山东威海 264200 2、招商局金陵船舶（威海）有限公司，山东威海 264200）

当今游艇业被人们称为“漂浮在黄金水道上的巨大商机”，可谓是新时代的朝阳产业。与西欧国家相比，我国的游艇行业尚处于初级阶段，却具有极为广阔的发展前景。一方面，从地理条件来说，我国的水域资源十分丰富，是世界上河流最多的国家之一，且其中流域面积超过1000 平方千米的河流就有1500 多条。此外，我国的海岸线长达1.8 万多公里，如果加上5000 多座大小岛屿的海岸线，总长3.2 万多公里。另一方面，国家对于游艇业的发展有很多利好政策。例如，《国务院关于印发全国海洋经济发展“十二五”规划的通知》中明确提出“建设游艇基地，规范游艇市场秩序，发展以游艇和帆船为主体的海上运动休闲旅游”。

目前，我国游艇业在沿海发达地区蓬勃发展，但在设计能力、制造工艺、总装调试等方面与先进的国际游艇产业都有一定的距离。其中，游艇外观造型设计和内装设计的差距尤其明显。国内有不少游艇企业都存在模仿国外游艇设计的现象，也有很多企业在做贴牌或者代理，具有自主知识产权的游艇企业很少。即使是自主品牌，在国际市场上，国内游艇企业也缺乏核心竞争力[1]。

1 游艇仿生设计的研究意义

游艇是一种由功能、形态、结构、色彩、材质、工艺等要素构成的工业产品，其设计涉及到科技、文化、艺术等多个层面。在游艇设计方面，国内游艇相较于国外游艇的不足之一是造型单一、乏味、缺少美感和创意，造成这种结果的原因是多方面的。首先，为了降低生产成本，国内很多游艇企业都是使用单一重复的模具，而不主动研发新的造型。其次，国内的游艇设计人员基本大部分都是工科专业毕业，美学素养不高。此外，国内游艇设计人员也存在缺乏创新意识、不了解创新方法的问题。

在这种研发环境下，国内批量化、缺乏辨识度、缺乏创意的产品，在被归为奢侈品的高端游艇市场中显然不具备竞争力。想要改变这种现状，游艇的创新设计必须得到重视。而仿生设计作为现代创新设计方法之一，综合了“生态学”、“仿生学”等相关学科的概念和研究成果，已经发展成为创建人与自然的和谐关系、改进人类生活方式的一个重要途径和研究方向。人们已经认识到自然生物蕴涵的各种启示是人类科学技术前进与创新的源泉。虽然不同的学科和领域对自然生物的研究和利用的角度不同，研究、应用的方法和内容也各有侧重，但仿生设计的基本核心有其相通性，仿生设计也成为了工业设计创新的重要手段，是重要而有效的设计发想的方法之一[2]。

将仿生设计与游艇外观设计相结合，通过对自然生物的模仿，可以激发设计师的设计灵感，设计出创造性的独特产品。在另一方面，经过漫长进化检验、优胜劣汰后的各种生物体的曲面形态，在某些方面具有远胜于人工产品的效能。同时，生物在其进化过程中逐渐形成了符合形式美法则的形态、结构和色彩。对自然生物的模拟、分析、研究，有利于获得性能优良且形态优美的艇型。

2 基于形态仿生的游艇外观设计方法和流程

仿生设计是建立在模拟生物系统的功能、形态、结构、色彩等特征的基础上，进行的创造性的设计。其研究及应用领域非常广泛，其研究内容可以从不同的角度产生不同的方向。基于生物特征认知与产品的相关性，大体可以总结归纳为仿生物形态的设计、仿生物表面肌理的设计、仿生物功能的设计、仿生物结构的设计、仿生物色彩的设计等等。在以上研究方向中，仿生物形态的设计，即形态仿生设计，是目前使用较多的设计方法。

形态仿生设计是以自然生物体为参照来进行创造，在对自然生物体，包括动物、植物、微生物等所具有的典型外部形态的认知基础上，寻求对产品形态的突破与创新的设计方法。简而言之，形态仿生设计主要是针对生物外部形态的产品设计方法。在游艇形态仿生设计中，设计师需要对仿生对象的外部形态进行识别、研究并提取特征，建立仿生对象和游艇之间的对应和联系。在设计过程中要把握仿生对象和游艇之间的相关性，运用相似、对比、推理等多种方法的联想从而得到游艇形态设计方案。游艇形态仿生设计绝不是毫无目的的进行复制，而是有选择性的进行特征提取，且提取出来的特征通常是抽象的、简化的、概括的，往往需要经过一个较为复杂的分析过程，其设计流程可以概括如图1 所示[3]。

图1 游艇形态仿生设计流程

2.1 对游艇设计任务进行分析

首先，可以采用问卷、访谈等调研方法进行资料搜集，明确游艇研发的目标，得出初步的游艇设计任务。至少要确定所要设计的目标游艇的功能要求、尺度范围、设计定位、使用环境等内容。这个阶段是整个设计的基础阶段，应该尽可能清晰明确，这样才能对整个仿生设计过程起到指导作用。

2.2 根据设计目标选择仿生对象

明确设计任务后，以游艇的设计定位、功能要求等信息为选取仿生对象的参照，从自然生物中选择符合设计要求的生物形态。需要注意的是，形态仿生设计中可以模仿某一个生物体或者某一类物种的形态，也可以模仿数个或数类生物的共同形态特征。因此，在选择仿生对象时，可以不局限于一个生物体或者一类生物体。

2.3 分析仿生物特征并进行提取

选定仿生对象后，应该通过仔细观察、分析来认知生物形态，总结仿生对象的共性规律和个性特征。在此基础上，根据游艇的设计要求，选择贴合仿生对象本质特征，同时又符合游艇设计要求的生物形态特征。

2.4 仿生物特征简化及演变

初步提取的仿生物特征是一种自然形态，通常不能在游艇外观设计中直接应用，设计师需要在保留仿生物本质特征的前提下进行一定的简化或抽象处理。之后再将简化和演变后的形态应用于游艇设计构思之中，得到游艇外观设计的初步方案。

2.5 基于三维仿真验证方案可行性

得到游艇造型的初步方案后，应该基于合适的仿真软件进行进行三维建模仿真，将仿生原型和游艇的造型特征进行对比，对形态仿生设计结果进行检验和评价，验证形态特征模仿的可行性和有效性。

3 从仿生对象到游艇外观设计——Mobulidae001

下面，笔者将通过对一款概念游艇Mobulidae001 形态仿生设计过程的解析，进一步分析游艇形态仿生设计的具体操作流程，验证其可行性。首先，需要对目标游艇进行设计任务分析和设计定位。目标游艇的设计任务是研发一款造型新颖、具有较大甲板面积、休闲娱乐用的大型游艇。

基于上述设计要求，笔者选择了蝠鲼作为仿生原型。蝠鲼是软骨鱼纲、蝠鲼科几种海产属鱼类的统称，在海洋中已有1 亿年历史，是原始鱼类的代表。其形态特征是身体扁平宽大，体长能够轻松突破七米。蝠鲼的胸鳍肥厚如翼状，头前有胸鳍分化出的两个突出的头鳍，位于头的两侧，尾细长如鞭，有一个小型的背鳍。蝠鲼的口长在头前部，上额无齿，下颗只有许多小小的牙齿。

蝠鲼算是海洋中体积非常大的一种鱼类的，其生物形态特征非常目标游艇的大甲板面积的设计要求。同时，蝠鲼是海洋馆中常见的海洋生物，和饲养员互动积极，对人类非常友善。它们在水中游曳的姿态平缓、优雅，如同在水中飞翔一样，给人一种自由、亲切、闲适的心理感受，非常贴合目标游艇的形象。

在特征提取时，以目标游艇的设计要求为指导原则，笔者提取了6 个生物形态特征，经过简化和抽象后言表为了游艇的造型特征，如图2 所示。形态特征提取及转化分析如下：

图2 游艇Mobulidae001 造型特征与蝠鲼形态特征对比

a. 提取蝠鲼头鳍的特征形态，转化为游艇两侧片体的轮廓线；

b. 提取蝠鲼胸鳍的翼状形态，转化为游艇甲板边线轮廓线；

c. 提取蝠鲼细长的尾部形态，转化为游艇尾部露天观景区域的甲板轮廓线；

d. 提取蝠鲼眼部形态，转化为游艇舷侧的装饰图案；

e. 提取蝠鲼腹部的特征形态，转化为游艇舷侧的装饰图案；

f. 提取蝠鲼头部的口腔形态，转化为开放式游艇上层建筑首端开口的轮廓线。

明确造型方案后，笔者通过Rhino 软件完成了游艇Mobulidae001 的三维仿真和渲染，得到了最终的游艇效果图，如图2 所示。最终的设计成果还进行了外观专利的申请（申请号：202130585131.1）。

4 结论

通过游艇Mobulidae001 仿真模型和蝠鲼原型的对比，可以直观的看到二者之间的关联性。经过验证，按照本文提出的设计方法和流程，可以成功的完成游艇的形态仿生设计。从古至今，人类的发展过程就是一个对自然不断探索和模仿的过程，形态仿生设计必将在未来游艇外观设计中成为重要的设计方法之一。