定義「仿生設計」(Bionics design)
從字面上解釋即是以生物為仿效對象之意。使人造技術系統具有關於生物系統特徵或是利用生物生命系統的可靠性、靈敏性、連續性、精巧性、節約性等特徵,藉由認識、了解生命體活動的本質與規律,建立科學數據和應用原理。
仿生學原為一門獨立的系統學科,1960年代斯蒂爾(Jack E. Steele)為仿生定義為:仿生功能的發展主要是根據有生命的系統,或具有生命系統的特徵的生命體進行仿效。
仿生學發展過程中其研究領域可分為信息仿生、化學仿生、醫學仿生等分類,以及近年才流行的設計仿生方面。不論是仿生物信息的雷達設計或仿眼睛成像功能的照相機原理,都是科技仿生的成功例子;80年代以後不論在建築設計、工業設計、產品設計皆出現以仿生為創意之設計手法作品,從文獻資料中不難發現,仿生設計被應用於科技研發方面較早,而應用於創意設計方面較晚。
其實仿生設計應可說是人類的一種以大自然為師的本能,中國久遠的象形文字造字方法就是最好的例子;19世紀末盛行於歐洲的「新藝術」運動,藝術家們以繪畫表現具象到抽象的過渡,因為反寫實的理念而追隨自然,遂發展出線性構成的平面性抽象裝飾圖樣,作品中經常以籐蔓延伸的植物形象作為書籍插畫、室內裝潢與建築藝術之裝飾風格,可見以大自然為學習對象與人類生活早已不可分割。
仿生設計的研究內容
形態仿生設計
研究生物體(包括動物、植物、微生物、人類)和自然界物質存在(如日、月、風、雲、山、川、雷、電等)的外部形態及其象徵寓意,以及如何通過相應的藝術處理手法將之應用於設計中。
功能仿生設計
主要研究生物體和自然界物質存在的功能原理,並用這些原理去改進現有的或建造新的技術系統,以促進產品的更新換代或新產品的開發。
視覺仿生設計
研究生物體的視覺器官對圖象的識別、對視覺信號的分析與處理,以及相應的視覺流程;廣泛應用於產品設計、視覺傳達設計和環境設計之中。
結構仿生設計
主要研究生物體和自然界物質存在的內部結構原理在設計中的應用問題,適用於產品設計和建築設計。研究最多的是植物的莖、葉以及動物形體、肌肉、骨骼的結構。
Titobowl
西班牙photoAlquimia團隊的仿生橄欖設計:Titobowl容器,以橄欖為元素,是一個剝開一半的橄欖形狀,露出尖尖的核,果肉部分則被設計成一個碗的形狀。使用時,可以將橄欖放在碗中,橄欖核則扔在中間的小容器中。並且當你將容器的小蓋倒過來又可以放牙籤,來供插橄欖使用。
仿生設計的研究方法
仿生設計的研究方法主要為「模型分析法」,首先從自然中選取研究對象,然後依此對象建立各種實體模型或虛擬模型,用各種技術手段(包括材料、工藝、計算機等)進行研究,做出定量的數學依據;通過對生物體和模型定性的、定量的分析,把生物體的形態、結構轉化為可以利用在技術領域的抽象功能,並考慮用不同的物質材料和工藝手段創造新的形態和結構。
製造生物模型:從功能出發、研究生物體結構形態
找到研究對象的生物原理,通過對生物的感知,形成對生物體的感性認識。從功能出發,研究生物的結構形態,在感性認識的基礎上,除去無關因素,並加以簡化,提出一個生物模型。對照生物原型進行定性的分析,用模型模擬生物結構原理。目的是研究生物體本身的結構原理。
製造技術模型:從結構形態出發,達到抽象功能
根據對生物體的分析,做出定量的數學依據,用各種技術手段(包括材料、工藝等)製造出可以在產品上進行實驗的技術模型。牢牢掌握量的尺度,從具象的形態和結構中,抽象出功能原理。目的是研究和發展技術模型本身。
建立好模型后,開始進行各種可行性的分析與研究:
功能性分析
找到研究對象的生物原理,通過對生物的感知,形成對生物體的感性認識。從功能出發,對照生物原型進行定性的分析。
外部形態分析
對生物體的外部形態分析,可以是抽象的,也可以是具象的。在此過程中重點考慮的是人機工學、寓意、材料與加工工藝等方面的問題。
色彩分析
進行色彩的分析同時,亦要對生物的生活環境進行分析,要研究為什麼是這種色彩?在這一環境下這種色彩有什麼功能?
內部結構分析
研究生物的結構形態,在感性認識的基礎上,除去無關因素,並加以簡化,通過分析,找出其在設計中值得借鑑 和利用的地方。
運動規律分析
利用現有的高科技手段,對生物體的運動規律進行研究,找出其運動的原理,針對性的解決設計工程中的問題。
仿生設計的發展
近代的生物學、電子學、動力學等學科的發展,促進了仿生設計的發展。以飛機的產生為例:在經過無數次模仿鳥類的飛行失敗後,人們通過不斷的努力,終於找到鳥類能夠飛行的原因:鳥的翅膀上彎下平,飛行時,上面的氣流比下面的快,由此形成下面的壓力比上面的大,於是翅膀就產生了垂直向上的升力,飛的越快,升力越大。
隨著飛機的不斷發展,它們逐漸失去了原來那些笨重而難看的體形,變的更簡單,更加實用。機身和單曲面機翼都呈現出像海貝、魚和受波浪沖洗的石頭所具有的自然線條。飛機的效率增加了,比以前飛的更快,飛的更高。到了現代,科學高度發展但環境破壞、生態失衡、能源枯竭,人類意識到了重新認識自然,探討與自然更加和諧的生存方式的高度緊迫感,亦認識到仿生設計對人類未來發展的重要性。
此後,仿生技術有了大幅度 的發展,並獲得了廣泛的應用。仿生設計亦隨之獲得突飛猛進的進展 ,許多仿生設計作品如智能機器人、雷達、聲納、人工臟器、自動控制器、自動導航器等等應運而生。
近代,科學家根據青蛙眼睛的特殊構造研製了電子蛙眼,用於監視飛機的起落和跟蹤人造衛星;根據空氣動力學原理仿照鴨子頭形狀而設計的高速列車;模仿某些魚類所喜歡的聲音來誘捕魚的電子誘魚器;通過對螢火蟲和海蠅發光原理的研究,獲得了將化學轉化為光能的新方法,從而研製出化學螢光燈等等。
各式各樣的仿生設計
大自然是物質的世界,形狀的天地。自然界的無窮信息傳遞給人類,啟發了人類的智慧,豐富了人類的才能。仿生設計是設計師塑造產品形態的重要方法之一,體現出設計師對自然地尊重與理解,形成了「綠色、生態、系統化」的設計思想。
BioNurse
2015/2016全球仿生設計競賽總決賽第1名,來自智利的創新育成中心。為了解決當地農業土壤劣化的危機,他們由當地的護理植物Yareta獲得啟發,發明出這款由由天然纖維製成的「生物護士」(BioNurse)。這項動態生物系統的設計,可以協助復甦土壤的物理及化學條件,幫助種子根部成長,營造適合生命發展的空間。
Exocet Chair
這款仿生設計是由Stephane Leathead設計的。從造型上來說,這款椅子非常的優雅,而且曲線流暢俐落。使用了原木材質,更加給人一種回歸自然的感覺。這款設計的獨特之處還在於它可以折成各種不同的角度,更能體現魚自由自在的狀態。
Dew Bank Bottle
Onymacris Unguicularis是納米比亞沙漠發現的一種甲蟲,它們吸收水分的方式非常特殊:清晨霧氣朝露籠罩在沙丘上時,這種甲殼蟲會置身其中,利用體表充分吸收空氣中潔淨的水分,用來挨過一天的乾旱。設計師Kitae Pak根據這個設計了Dew Bank Bottle,一種可以在乾旱地帶收集晨露的飲水器。這對乾旱地區的人們或是野生工作者都是非常實用的產品。
水壺背部的脊狀結構能夠收集露水。這款水壺採用不鏽鋼圓頂造型,早晨時的溫度低於空氣,所形成的露水會滑落至一個收集道。
Seasons
設計師Nao Tamura的餐具作品Seasons仿生餐具,由矽砂材料做成,獨特的柔韌性方便於靈活應用和運輸,同時也能在微波爐、烤箱等廚房電器使用,而這些變化萬千、簡潔美觀的碟子堆砌或灑落又可以形成一件件賞心悅目的家居藝術品,充滿詩意。
Slope
設計師Radhika Seth設計了一款iPad吸附支架,展示了時尚的設計可以既優雅又實用。Slope的創新在於其仿生學的靈感——壁虎的吸附能力。
免充氣論胎
來自維斯康新州的Resilient Technologies公司所開發的免充氣論胎,模仿蜂巢結構,中空的支撐結構、外層再包覆著可以更換的胎皮;因為換胎時所衍生的廢棄物變少了,所以也比較環保。胎面的材質、花紋也可以針對不同的需求設計更換,包括全地形的 Off-Road越野胎面、或是柏油路面的高速巡弋跑胎。
Droganfly
Vincent Callebaut為紐約設計的仿蜻蜓垂直概念農場——Droganfly,長著金屬和玻璃「翅膀」,設計靈感直接來源於蜻蜓的外骨骼。這座供養動植物的農場能夠利用充足的陽光和高空的空氣流動,共有132層。除了農場外,這座建築的內部還建造了住宅和辦公室。
PicCells
PicCells是一款多功能充氣細胞沙發,名字即「充氣細胞」(pneumatic cell)兩個單詞的合體,是一件可以展開的充氣傢俱,由一個外殼和裡面的細胞結構組成。在收起的情況下,沙發可以當做一個空間隔斷使用。充氣沙發展開之後,可以看到裡面有細胞裝結構,重啟之後可以變成柔軟的沙發坐墊,與同時外殼還可以當咖啡桌使用。沙發內部的細胞結構靈感源於桔子、樹。
Volcano Humidifier
Volcano Humidifier是一款火山加濕器,來自設計師Dae-hoo Kim的創意,為2013年IDEA設計獎的獲獎作品。主要的特點是類似火山一樣的造型,加水是從頂部直接往裡倒,工作的時候,水蒸氣也是從同一個口往外噴,配上淡淡的燈光特效,看上去就像一座火山;Volcano Humidifier有相當多的款式,而且每一款都是比照真實存在火山的特點進行打造,比如黃石公園款,比如富士山款;Volcano Humidifier工作的時候,水蒸氣可以直直地往上噴,可以往側面流下,還可以用各種煙圈的形式,一圈一圈地吐出,一圈一圈地上升、變淡、消失。
Nano Hummingbird
由製造商AeroVironment開發的無人偵察機——Nano Hummingbird,翼長16公分,裝上電池、引擎、通訊系統及錄影機後,只有19克重,比一顆AA電池還輕,經過五年的開發,耗費美金四百萬,能垂直爬升、下降、飛左、飛右,雙眼能紀錄下所見的一切。這種無人機的研製成功為新一代具有小鳥一樣靈活性和外觀的飛行器鋪平了道路,並且挑戰了空氣動力學的極限。隨著研發的進展,飛行時間還可能延長。