融合仿生學(xué)與可拓學(xué)的自清潔玻璃創(chuàng)新設(shè)計(jì)

劉曉敏,程廣馳,李嬌蓉,陳 亮

(福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,福州 350116)

產(chǎn)品創(chuàng)新需要融合多領(lǐng)域、多學(xué)科和多創(chuàng)新方法學(xué)知識(shí)[1].將多種創(chuàng)新方法集成一起,應(yīng)用于求解復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)問題,是今后產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)展的大趨勢(shì)[2].

生物體優(yōu)異結(jié)構(gòu)與功能給仿生設(shè)計(jì)研究帶來靈感和啟發(fā).目前,仿生學(xué)研究已成為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)與前沿課題,急需融合一些創(chuàng)新方法來提助產(chǎn)品仿生創(chuàng)新設(shè)計(jì)[2-3].

可拓學(xué)能夠幫助設(shè)計(jì)者易于發(fā)現(xiàn)和拓展新的設(shè)計(jì)思路,便于利用可拓設(shè)計(jì)過程模型解決復(fù)雜產(chǎn)品沖突問題[4].同時(shí),還能定量化地表示產(chǎn)品沖突和對(duì)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型進(jìn)行可拓變換求解.洪筠等[5]將可拓學(xué)知識(shí)引入到仿生設(shè)計(jì)中,構(gòu)造出生物耦元和各耦元之間耦聯(lián)方式的可拓模型,為生物耦元間的耦合定量化分析提供技術(shù)支持.Qian等[6]對(duì)生物耦合采用可拓層次分析法(Extension Analytic Hierarchy Process,EAHP)研究每個(gè)耦合因素對(duì)系統(tǒng)的重要程度.

Bio-TRIZ重新提取與整合了發(fā)明問題解決理論(Theory of Inventive Problem Solving,TRIZ)的40條發(fā)明原理[7-8].將仿生技術(shù)與可拓學(xué)結(jié)合,能實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新方法的互補(bǔ)性應(yīng)用,拓展創(chuàng)新思維空間,提高創(chuàng)新設(shè)計(jì)效率.為了減少建筑物玻璃清潔對(duì)環(huán)境的影響,開展自清潔玻璃[9]研發(fā)及應(yīng)用工作格外重要.基于此,構(gòu)建融合仿生學(xué)與可拓學(xué)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型,對(duì)企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)尤為必要.

1 融合仿生學(xué)與可拓學(xué)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型

借助于生物系統(tǒng)和產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)中類比相似度的計(jì)算方法,建立一種融合仿生學(xué)與可拓學(xué)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型,如圖1所示.利用該模型對(duì)產(chǎn)品創(chuàng)新概念方案進(jìn)行求解.

圖1 融合仿生學(xué)與可拓學(xué)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型Fig.1 Design model of product innovation integrating bionics with extension

1.1 市場(chǎng)需求分析

為了對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行改善及優(yōu)化,先要對(duì)市場(chǎng)需求做前期調(diào)研和分析,以確定待改進(jìn)產(chǎn)品的功能.再利用黑箱模型、技術(shù)進(jìn)化分析等方法,確定待改進(jìn)目標(biāo)產(chǎn)品功能的改進(jìn)方向.

1.2 產(chǎn)品仿生原型建模

根據(jù)待改進(jìn)產(chǎn)品功能與其相匹配的映射關(guān)系,構(gòu)建產(chǎn)品仿生原型可拓模型.

(1) 建立目標(biāo)產(chǎn)品功能的黑箱模型,即直觀性地表示產(chǎn)品系統(tǒng)輸入流與輸出流關(guān)系.

(2) 利用功能樹對(duì)待改進(jìn)產(chǎn)品總功能進(jìn)行分解,分解后的子功能具備本功能層最基本的功能,這些各子功能間為正交關(guān)系(任意兩功能間相互獨(dú)立).

(3) 確定產(chǎn)品功能后,建立待改進(jìn)產(chǎn)品的可拓模型,便于定量化地表述設(shè)計(jì)問題,避免漏掉細(xì)節(jié)問題而影響最優(yōu)解.

(4) 利用功能關(guān)鍵詞,從已有生物知識(shí)庫(kù)中查找仿生原型,與產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)作功能類比,進(jìn)行相似度計(jì)算分析,并以待改進(jìn)產(chǎn)品相似度值最大的作為仿生原型,建立其可拓模型.

1.3 產(chǎn)品功能模型求解

對(duì)仿生可拓模型分析后,再將產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)問題轉(zhuǎn)換成Bio-TRIZ問題,利用Bio-TRIZ沖突矩陣查找對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理.若此時(shí)仍未能求得原理解或求得的原理解不能轉(zhuǎn)換成工程解時(shí),則利用可拓學(xué)中的可拓變換與拓展分析，對(duì)問題細(xì)化求解,進(jìn)而獲得可行的方案原理解.

1.4 產(chǎn)品方案評(píng)價(jià)及確定

利用有效價(jià)值分析法對(duì)產(chǎn)生的多組可行創(chuàng)新方案評(píng)價(jià).若滿足待改進(jìn)產(chǎn)品的功能需求,則進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì).若由該模型得到的設(shè)計(jì)方案不符合市場(chǎng)需求,則需要返回,重新設(shè)計(jì).

2 工程實(shí)例應(yīng)用及分析

人工清洗玻璃費(fèi)時(shí)又費(fèi)力.使用化學(xué)清洗劑,會(huì)造成環(huán)境污染及大量水資源浪費(fèi).傳統(tǒng)潤(rùn)濕自潔和機(jī)械自潔均難以滿足玻璃清潔要求[10-11].因此,自清潔玻璃的研發(fā)及應(yīng)用具有重要現(xiàn)實(shí)意義.

2.1 自清潔玻璃功能建模

先構(gòu)建待改進(jìn)玻璃功能的黑箱模型,如圖2所示.

圖2 玻璃黑箱模型Fig.2 A black box model of glass

將玻璃總功能(F)分解為擋風(fēng)功能(F1)、遮雨功能(F2)、透光功能(F3)和待改進(jìn)玻璃功能(F4),玻璃功能樹模型如圖3所示.

圖3 玻璃功能樹分解Fig.3 Decomposition of glass function tree

將設(shè)計(jì)問題可拓化為

(1)

式中：Om為設(shè)計(jì)對(duì)象；cm為設(shè)計(jì)對(duì)象特征；vm為設(shè)計(jì)對(duì)象特征量值.利用物元表示法,得到玻璃物元可拓模型為

(2)

式中:MⅠ為形態(tài)耦元;MⅡ?yàn)榻Y(jié)構(gòu)耦元;MⅢ為材料耦元;R為耦聯(lián)方式.

2.2 建立仿生原型的可拓模型

從仿生原型功能-原理-行為-結(jié)構(gòu)(Function-Principle-Behavior-Structure,FPBS)4個(gè)層次出發(fā),利用關(guān)鍵詞搜索現(xiàn)有生物知識(shí)庫(kù),尋找并匹配出自清潔玻璃仿生原型,如表1所示.

表1 生物體自清潔玻璃仿生原型Tab.1 Biological prototypes of self-cleaning glass

從生物知識(shí)庫(kù)中篩選出5個(gè)仿生原型.為了提高設(shè)計(jì)效率,避免設(shè)計(jì)資料浪費(fèi),從表1中篩選最優(yōu)的仿生原型.這需要計(jì)算相似度值,以便定量分析仿生原型與待改進(jìn)產(chǎn)品功能在各種工況環(huán)境層次上的相似性[12].

產(chǎn)品仿生原型相似度計(jì)算公式為

(3)

式中:SIM為某生物與設(shè)計(jì)目標(biāo)間的相似度值;SB為生物系統(tǒng);ST為技術(shù)系統(tǒng);i取{f,c},分別為功能、工況環(huán)境;|Pi(SB)∩Pi(ST)|為生物與技術(shù)系統(tǒng)i層次上相同特征項(xiàng)數(shù);|Pi(SB)|為生物系統(tǒng)i層次上的特征項(xiàng)數(shù);|Pi(ST)|為技術(shù)系統(tǒng)i層次上的特征項(xiàng)數(shù).

若生物和技術(shù)系統(tǒng)間的相同特征數(shù)越多,則其總相似度一般也越高.為此,從待改進(jìn)玻璃產(chǎn)品功能和工況環(huán)境著手,針對(duì)仿生原型和設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行模糊相似度計(jì)算.玻璃主要有自潔、遮風(fēng)、擋雨、透光等功能.為此,選取相似度值最大的設(shè)計(jì)方案作為自清潔玻璃仿生原型.對(duì)表2、式(3)計(jì)算及分析,得到自清潔玻璃各仿生原型在功能層面的特征項(xiàng)數(shù)及其各自相對(duì)應(yīng)的相似度值.

在對(duì)應(yīng)的工況環(huán)境層面,對(duì)玻璃采用直覺模糊偏好決策法進(jìn)行評(píng)價(jià)[13].當(dāng)仿生原型與待改進(jìn)玻璃功能極其相似時(shí),相似度值取值為0.9;以此類推,極其不相似時(shí),相似度值取值為0.1.

表2 仿生原型的功能特征項(xiàng)數(shù)Tab.2 Number of function feature items for bionic prototype

研究發(fā)現(xiàn):魚鰓是完全浸沒在水中,取適中相似為0.6;鯊魚皮是完全浸沒在水中實(shí)現(xiàn)身體自潔,取適中相似為0.6;壁虎腳掌是在干燥物體表面實(shí)現(xiàn)自潔,取強(qiáng)烈不相似為0.3;禽類羽毛靠皮膚分泌脂質(zhì)且在無水情況下也可自潔,取強(qiáng)烈相似為0.7;荷葉自潔是在雨水中使臟污隨雨水輕易滑落,取非常強(qiáng)烈相似為0.8.為此,取功能及工況環(huán)境所占權(quán)重為{0.6,0.4},代入式(3),分別計(jì)算出5個(gè)仿生原型和待改進(jìn)玻璃的相似度計(jì)算結(jié)果,如表3所示.荷葉與待改進(jìn)產(chǎn)品具有最高的系統(tǒng)相似度為0.440,故選用荷葉作為自清潔玻璃仿生原型.為此,需要建立荷葉可拓模型.荷葉表面與荷葉微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示.

表3 仿生原型相似度匹配結(jié)果Tab.3 Similarity matching results of bionic prototype

圖4 荷葉表面水珠和荷葉微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Water drop on the lotus leaf surface and its microstructure

建立荷葉各耦元及其耦聯(lián)方式可拓模型為

(4)

式中:M1,M2,M3分別為荷葉形態(tài)耦元、結(jié)構(gòu)耦元和材料耦元.

2.3 可拓模型求解

分析荷葉原型,抽取TRIZ工程技術(shù)參數(shù),采用Bio-TRIZ描述,即改善玻璃的物質(zhì)和結(jié)構(gòu)操作域,查詢Bio-TRIZ沖突矩陣,得到發(fā)明原理No.17:空間維數(shù)變化原理,No.30:柔性殼體或薄膜,No.33:同質(zhì)性原理,No.40:復(fù)合材料.

玻璃設(shè)計(jì)目標(biāo)集耦元為:{形態(tài),結(jié)構(gòu),材料},該符號(hào)描述為:{MⅠ,MⅡ,MⅢ}.通過計(jì)算形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料等耦元對(duì)玻璃自清潔功能的重要性,建立如下判斷矩陣:

(5)

利用Matlab軟件,算出其最大特征值λmax=3.038 5.該特征向量歸一化處理后的權(quán)向量W=[0.104 7 0.637 0 0.258 3].

對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn),經(jīng)計(jì)算得

式中:CI為一致性指標(biāo)n為判斷矩陣階數(shù);RI為平均一致性指標(biāo),CR為一致性比率.

由式(7)知,該排列順序通過了一致性檢驗(yàn),其各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)配置均滿足要求.因此,待改進(jìn)產(chǎn)品耦元重要性程度依次是結(jié)構(gòu)、材料、形態(tài).然而,形態(tài)耦元重要性最小,在設(shè)計(jì)中,僅考慮玻璃結(jié)構(gòu)和材料兩個(gè)較重要的影響因素.由于Bio-TRIZ不能直觀地得到待改進(jìn)玻璃的原理解,需要融合仿生學(xué)及可拓學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型,再借助于可拓學(xué)知識(shí)進(jìn)行可拓表示.建立玻璃結(jié)構(gòu)可拓模型MⅡ、材料可拓模型MⅢ:

利用仿生設(shè)計(jì)知識(shí),對(duì)待改進(jìn)玻璃結(jié)構(gòu)耦元MⅡ和材料耦元MⅢ進(jìn)行可拓變換，即

(10)

(11)

(12)

(13)

自清潔玻璃可拓模型G′為

G′=

(14)

綜上,利用所構(gòu)建的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型,得到改進(jìn)的自清潔玻璃方案,如表4所示.

表4 改進(jìn)的自清潔玻璃方案Tab.4 Improved schemes of self-cleaning glass

2.4 方案綜合評(píng)價(jià)

針對(duì)方案Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,選擇主要性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用性能、制造性能、人機(jī)對(duì)話和經(jīng)濟(jì)性能等6個(gè)指標(biāo),作為概念設(shè)計(jì)方案評(píng)判標(biāo)準(zhǔn).各性能指標(biāo)分別具有相應(yīng)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則如表5所示.

由表5得(Gwj)max=GwⅠ=64,(Gwgj)max=GwgⅠ=6.90.證明方案Ⅰ總評(píng)價(jià)值最高,10項(xiàng)評(píng)價(jià)均符合要求.因此,利用融合仿生學(xué)與可拓學(xué)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型,使得原理解方案在系統(tǒng)綜合性能方面得到極大提高.通過普通玻璃表面與改進(jìn)的自清潔玻璃表面清洗過程及原理對(duì)比,能直觀地看出改進(jìn)的自清潔玻璃去污能力更好,如圖5所示.由創(chuàng)新設(shè)計(jì)得到自清潔玻璃三維結(jié)構(gòu)示意如圖6所示.

圖5 玻璃清潔過程對(duì)比Fig.5 Comparison of glass cleaning process

表5 設(shè)計(jì)方案加權(quán)評(píng)估表Tab.5 Weighted assessment table of design plan

注:序號(hào)中1～5為技術(shù)價(jià)值;6～10為經(jīng)濟(jì)價(jià)值.

圖6 自清潔玻璃模型三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic of three-dimensional structure for self-cleaning glass model

3 結(jié)論

(1) 構(gòu)建出一種融合仿生學(xué)與可拓學(xué)的產(chǎn)品概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型,集成了多學(xué)科、跨領(lǐng)域、多創(chuàng)新方法的優(yōu)勢(shì),得到可行的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理解方案.利用有效價(jià)值評(píng)價(jià)法對(duì)得到的原理解方案進(jìn)行篩選,最終獲得最優(yōu)的原理解.

(2) 通過查找仿生原型,計(jì)算產(chǎn)品綜合相似度值,從而優(yōu)選出相似程度最高的仿生原型.這在一定程度上避免了傳統(tǒng)仿生設(shè)計(jì)在選擇生物原型時(shí)單純靠經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)進(jìn)行試湊式處理的弊端.

(3) 將集成生物體仿生技術(shù)與可拓學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思想應(yīng)用到自清潔玻璃工程設(shè)計(jì)中.通過改變玻璃表面結(jié)構(gòu),提高了其疏水能力,使附著在表面的污垢隨雨水快速滑落,實(shí)現(xiàn)自清潔.