基于认知耦合的产品形态仿生设计创新策略研究

摘要：文章以认知耦合切入产品形态设计，并依据其在仿生设计中的分类，探究其设计创新策略。基于认知耦合分类，采用文献研究法、归纳法，归纳总结出心理空间、交互空间、表征空间这三个维度，并从这三个维度分别分析现有关于产品形态仿生设计中的认知耦合的研究成果，阐述各维度的概念及所包含的要素，针对各维度提出相应的设计创新策略。针对心理空间的设计创新策略包括核心意象的优先性、多重意象的识别性，针对交互空间的设计创新策略包括交互认知的一致性、功能形式的平衡性，针对表征空间的设计创新策略包括核心特征的凸显性、产品形态的简洁性、视觉要素的相似性。文章将认知耦合与仿生设计结合运用到产品形态设计中，深入研究基于认知耦合的仿生设计创新策略。

关键词：认知耦合；产品形态仿生设计；创新策略

中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2023）10-0-03

0 引言

认知耦合是基于扩展认知理论提出的概念［1］，指用户的认知特征与外在系统相应的认知特征之间的关系，通常以状态为特征。设计中的认知耦合，可以理解为用户通过自身的体验和需求，借助之前使用过的产品，以联想的方式与设计的产品形态之间的认知互动。当这种交互达到一定的耦合水平时，这种形式的设计就在一定程度上满足了用户的需求［2］。认知耦合理论有助于解决设计中用户与设计师在认知特征上的匹配问题，从而更好地实现产品内涵情感的准确传达。

1 理论概述

斯蒂格［3］等于2013年提出交互认知框架，任小帆在此基础上加以总结，提出认知耦合模型。其中，心理空间中影响认知耦合强度的要素主要为用户的认知特征与认知活动，交互空间中影响认知耦合强度的要素主要为用户与外在系统的交互要素与交互行为，表征空间中影响认知耦合强度的要素主要为可调节的视觉要素，计算空间中影响认知耦合强度的要素主要为用户与外在系统组成的交互系统［4］。认知耦合模型的提出为用户理解产品情感的认知过程提供了可调节的途径。

近年来，学者将认知耦合运用到产品形态仿生设计中。张阿维等［5］将认知过程分为两个维度，通过实现两个维度的认知耦合，约束其设计定位；苏建宁［6］与陆冀宁等［7］分别从不同视角分析产品造型意象的认知耦合，以达到满足用户需求的目的；朱赫［8］、贺改梅等［9］157-162将认知耦合分为心理层面与视觉层面，将两者融入设计中以达到目的；许永生等［10］在此基础上加以完善，将形态认知耦合进一步细分为生物美感与实用功能这两个方面。综上，可将认知耦合在产品形态仿生设计中的运用分为心理空间、交互空间与表征空间三个维度。

2 基于认知耦合的产品形态仿生设计

基于认知耦合的产品形态仿生设计是在设计的过程中从用户的认知与外在系统这两方面综合考虑，通过产品这个媒介实现用户对产品形态的认知与对生物特征的认知的耦合，达到用户对产品的期待，使设计方案获得“一次成功”。本研究从认知耦合的三个维度展开，并将其融入产品形态仿生设计中，研究设计创新策略。

2.1 心理空间层面

用户对生物形态的认知不仅依赖视觉、触觉和其他感觉器官的功能，还依赖从生理到心理的知觉经验，包括感觉、知觉、认知、记忆、搜索、对比、形成、再认等一系列思维能力和主观心理感受过程［11］。人类天生便对世界上的事物存在感性认知。感性认知是人对物所持有的感觉或意象，是对物在心理上的期待感受［12］。这种对生物的感性认知即用户心理对生物特征的意象认知。因此，产品形态仿生设计中的心理空间认知耦合本质上是用户通过完成认知活动，形成生物形态的认知特征，并与设计产品的意象认知形成认知耦合的过程。

2.2 交互空间层面

生物特征除了对生物形态的认知以外，还有对生物的特有结构、标志性行为等所形成的认知［9］159-160。该特征指的是为使产品达到某种功能，参考分析原生物的功能或构造关系，将其运用到产品形态上，使之具有与生物同样的功能或构造关系，以满足用户对产品功能的需求。产品形态仿生设计中的交互空间认知耦合即将仿生生物的功能或構造关系提取出来并运用到产品的功能上，形成相应的交互要素。用户在使用产品时，接触到交互要素，并产生交互行为。设计通过此类交互方式与用户对原生物相应的特征认知达成一致，即达到认知耦合状态。

2.3 表征空间层面

通过形成心理空间与交互空间的认知耦合，设计师需要将生物特征中的意象认知与结构或功能认知通过设计与提取的仿生生物形态特征一并融合运用到产品形态上，生成用户可观察到的产品视觉要素，并与用户相应的表征空间认知特征达成一致。此过程即产品形态仿生设计中的表征空间认知耦合。

3 基于认知耦合的产品形态仿生设计创新策略

3.1 心理空间创新策略

3.1.1 核心意象的优先性

基于形态仿生设计，在对产品的认知中，用户会通过视觉器官感受产品的形态，并进行识别，形成事物的主要意象，并与认知系统中的心理意象相匹配，生成感知意象［13］。能够反映产品形象中最核心的生物特征属性的感知意象，即核心意象。核心意象的优先性即通过设计使用户进行心理意象识别与匹配时，对核心意象会优先执行此过程。

在对心理意象的识别和匹配过程中，用户会通过检索自己的长期记忆，进行合理有序的判断和推理。用户在优先识别产品核心意象时，会联想到相应的生物原型，从而形成清晰的认知匹配。相反，当产品形态仿生设计的生物核心意象不明显时，用户很难溯源至仿生生物，易造成认知歧义和多义性，产生认知偏差，从而难以形成认知耦合。因此，提升产品形象与生物最核心特征的匹配度，有利于提高用户对其认知的准确性。

3.1.2 多重意象的识别性

产品形象往往是复杂的，设计师在设计产品时通常会耦合多个产品形象。因此，用户在对产品形象进行心理意象的识别与匹配时，通常不会只生成一个感知意象。多个感知意象所形成的感知意象组即多重意象。多重意象的识别性即在设计过程中控制所需耦合的产品形象数目，使用户在解码产品形象、识别多重意象时更为准确。

多个产品形象能赋予产品更为立体的情感，通过产品形态以信息编码的形式传达给用户，形成多重意象，引发更强烈的情感共鸣，以此带动消费。当基于耦合的设计所需的产品形象比较多时，仿生产品的刺激点会较多，用户需要解码的信息也较多，用户容易因加工信息复杂而感到困惑。但是，如果所需耦合的产品形象较少，仿生产品的刺激点就会减少，这些仅有的刺激点所传达的信息会受到限制，从而导致识别信息的丢失。根据接收到的刺激信息，用户无法对应现有的认知特征，导致无法识别仿生生物、理解仿生产品。因此，适量的意象有利于与用户建立起易识别的情感连接，促进认知耦合的形成。

3.2 交互空间创新策略

3.2.1 交互认知的一致性

用户在认知事物时，不仅通过产品形态的视觉要素感知信息，还通过产品的交互行为与产品互动，并与记忆中仿生生物行为或结构关系匹配，这种形成感知的过程即交互认知。交互认知的一致性即产品的交互行为与用户对与其对应的仿生生物的行为或结构关系的认知一致，并形成认知匹配。

交互认知的一致性有利于用户更为直观地感受到设计师赋予产品的情感信息，快速、准确地理解它们，产生强烈的情感共鸣。反之，不一致的交互认知易造成用户认知混乱，不易准确地识别与之对应的生物行为或构造关系。

3.2.2 功能形式的平衡性

功能主义认为形式服从功能。然而，在当今社会，功能对形式有方向性的约束，但不能完全决定其必然的形式［14］。在形态仿生设计中，产品的功能由产品本身功能及仿生生物的行为或构造结构决定，产品的形式由产品自身结构及其所借鉴的仿生生物形态特征决定。功能形式的平衡性即产品的实用性与产品的形式性的平衡。

功能是产品价值的核心，而形式是产品功能信息的载体。随着用户消费观念的不断升级，产品的情感价值越来越受重视，功能往往无法简单满足用户对产品的需求。在设计实践中，设计师要根据功能与形式价值的实际情况对比来协调它们之间的关系。但仿生设计无论是偏向生物形态还是偏向产品本身的功能，出发点都是以用户需求为导向，功能和形式的偏向都是根据实际设计要求来确定的。过于具象的产品形态往往对产品的实用性有一定的约束，而一些功能要求较高的产品则存在形式感相对缺乏的问题。过多地考虑功能，会导致仿生产品对生物特征的识别能力较差，形式不能充分传达产品的内涵特征，无法形成认知耦合。因此，产品形态仿生设计过程中应权衡功能与形式之间的关系，减少两者的冲突，达到认知耦合。

3.3 表征空间创新策略

3.3.1 核心特征的凸显性

根据相关研究，用户同一时间仅可关注有限的事物［15］。用户通常在感知时会更关注事物重要的区域特征，即事物的核心特征，而较少关注其次要特征区域。核心特征的凸显性即设计产品形态中体现仿生生物核心特征的区域在整体形态中处于更易感知的状态。

仿生生物核心特征在仿生产品形态中的凸显性，决定了用户对该类信息的识别难度。在表征空间的生物形态特征提取环节，应优先提取生物形态的核心特征，将其应用于产品的关键领域，即重要的产品造型部位，有利于抓住用户视觉认知关注点，高效传达特征信息，使用户快速、准确地理解产品所传达的情感。因此，在简化仿生形态时，核心特征的抽象程度低于次要特征，从而减少特征信息的丢失，达到突出核心特征的目的。简化同一产品的各种形态设计元素所匹配的仿生形态时，按照核心特征高提取、次要特征低提取的方法控制形态简化程度。

3.3.2 产品形态的简洁性

在接收仿生产品形态信息，解码识别仿生生物原型，进而建立情感连接的过程中，快速识别仿生生物，理解产品的情感内涵，仿生过程应提取一定数量的生物特征，并将其应用于产品形态的主要特征区域，从而快速吸引用户的注意力。减少过多特征对用户识别过程的干扰，即产品形态的简洁性。

简洁性重点体现在生物特征的应用数量上，应用数量较多时，信息刺激的呈现超出了用户的信息认知能力，延长了其识别的时间，不利于用户对产品内涵的识别和理解。

3.3.3 视觉要素的相似性

由于生存情境不同，所以用户对不同的生物有不同的感知和认识。生物形态是生物生命内涵信息的载体，通过形态仿生设计，可以将这些信息赋予产品的形态，并与产品的视觉元素相匹配。视觉要素的相似性是指生物生命的内涵信息与产品形态的视觉元素相匹配。

不同的生物特性所展现的生物特征必然不同。因此，产品形态所包含的生物特征视觉要素在某种程度上与仿生生物特征相似。相似度越高，用户越容易通过仿生生物原型的视觉元素识别出该仿生生物原型，并在大脑中回想起该仿生生物原型的认知特征，从而联想到该产品的情感内涵价值，形成认知耦合。视觉元素主要包括产品造型、颜色、材质等。

4 结语

本研究采用文献研究法与归纳法，总结出心理空间认知耦合、交互空间认知耦合、表征空间认知耦合，研究了基于认知耦合的产品形态仿生设计创新策略，在认知耦合框架下提出了7类与产品形态仿生设计相关联的条件要素：优先性、识别性、一致性、平衡性、凸顯性、简洁性、相似性，并提出相应的设计创新策略。本研究还有一定的不足，仍存在一些要素未充分考虑，后续研究可考虑扩展研究更多要素及其对应的策略。

参考文献：

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［4］ 任小帆.大数据可视化交互模式构建方法与设计［D］.南京：东南大学，2019.

［5］ 张阿维，高小针，陈彦蒿，等.基于认知耦合的产品造型仿生设计研究［J］.机械设计，2018，35（6）：120-124.

［6］ 苏建宁，陈彦蒿，景楠，等.产品意象造型设计中的耦合特性研究［J］.机械设计，2017，34（1）：105-109.

［7］ 陆冀宁，徐伯初，支锦亦，等.高速列车头型的意象仿生设计［J］.机械设计，2017，34（9）：106-110.

［8］ 朱赫.基于认知耦合的产品意象形态仿生进化设计方法［D］.兰州：兰州理工大学，2018.

［9］ 贺改梅，王时英.基于认知耦合的加湿器设计［J］.包装工程，2021，42（10）：157-162.

［10］ 许永生，李丽丽，王超，等.耦合仿生在产品造型设计中的应用研究［J］.机械设计，2019，36（8）：140-144.

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［12］ 付利芳，车建明，周志勇.用户对仿生产品的感性认知尺度研究［J］.包装工程，2015，36（24）：96-99.

［13］ 徐红磊.拓扑性质约束下产品形态仿生设计研究［D］.无锡：江南大学，2015.

［14］ 高小针.基于图形认知理论的产品形态仿生设计研究［D］.西安：西安工程大学，2018.

［15］ 艺术与视觉感知：创造性眼睛的心理学［M］.加利福尼亚：加州大学出版社，1969：213-214.

作者简介：陈榕（1998—），男，江西赣州人，硕士在读，研究方向：认知耦合。