基于生物行為層面仿生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究

梁堯堯 盧七卯

摘要：本文基于從生物學(xué)到設(shè)計(jì)的仿生設(shè)計(jì)螺旋模型，構(gòu)建一種針對生物行為層面的仿生設(shè)計(jì)方法。該方法從生物原型行為模式出發(fā)，運(yùn)用功能分析、類比推理等手段，通過“生物功能化一功能方案化一方案視覺化”的設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)了生物行為學(xué)對產(chǎn)品仿生設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用，為生物行為層面的產(chǎn)品仿生設(shè)計(jì)提供了一種新的借鑒思路。

關(guān)鍵詞：生物行為;仿生設(shè)計(jì);產(chǎn)品設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）02-0154-03

根據(jù)仿生學(xué)對自然界的研究對象不同，可以將仿生設(shè)計(jì)分為三個(gè)層面：第一個(gè)層面是模仿自然與生命的形態(tài);第二個(gè)層面是模仿自然與生命的行為特征和進(jìn)化過程;第三個(gè)層面是模仿自然界的生態(tài)系統(tǒng)[1]。文章以從生物學(xué)到設(shè)計(jì)的仿生設(shè)計(jì)螺旋模型為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用多種設(shè)計(jì)策略與工具，探索出一種切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方法與流程。

1相關(guān)理念概述

1.1生物行為學(xué)

生物行為學(xué)是生物學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，其研究成果不僅能直接應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)，還能對仿生學(xué)、心理學(xué)、遺傳學(xué)等學(xué)科的發(fā)展產(chǎn)生促進(jìn)作用。

生物行為學(xué)主要研究的是生物的個(gè)體行為和種群行為，其不局限于是一種動(dòng)作或運(yùn)動(dòng)形式，而是生物在個(gè)體層次上對外界環(huán)境的變化和內(nèi)在生理狀況的改變所作出的整體性反應(yīng)并具有一定的生物學(xué)意義[2]。生物行為學(xué)的兩個(gè)主要研究領(lǐng)域?yàn)槊枋鲂袨閷W(xué)和實(shí)驗(yàn)行為學(xué)。前者負(fù)責(zé)收集、整理、分類與命名生物的行為類型，并對行為層次性和行為順序性進(jìn)行研究;后者注重于揭示行為的因果關(guān)系。

1.2從生物學(xué)到設(shè)計(jì)的仿生設(shè)計(jì)螺旋模型

在眾多的仿生設(shè)計(jì)程序中，由仿生學(xué)學(xué)院提出的仿生設(shè)計(jì)螺旋模型較為典型，其因設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)力的不同而分為從挑戰(zhàn)到生物學(xué)和從生物學(xué)到設(shè)計(jì)的兩種類型。因從挑戰(zhàn)到生物學(xué)的設(shè)計(jì)模型中的核心在于檢索出與設(shè)計(jì)問題相匹配的生物原型，其削弱了對行為層面加以應(yīng)用的研究靶向性，因此文章對該設(shè)計(jì)模型暫不論述。

從生物學(xué)到設(shè)計(jì)的仿生設(shè)計(jì)螺旋模型由發(fā)現(xiàn)、抽象、頭腦風(fēng)暴、仿真和評價(jià)五個(gè)階段組成。發(fā)現(xiàn)階段指的是設(shè)計(jì)師得到某種生物原型可作為產(chǎn)品模仿對象的靈感，以此驅(qū)動(dòng)自身的設(shè)計(jì)活動(dòng);抽象階段指的是將該生物原型實(shí)現(xiàn)其對應(yīng)功能的原理進(jìn)行歸納梳理;頭腦風(fēng)暴階段需要綜合運(yùn)用設(shè)計(jì)師的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)儲(chǔ)備，為該原理找到合適的應(yīng)用方式;仿真階段即將生物模型轉(zhuǎn)化為技術(shù)模型，再通過設(shè)計(jì)的手段將其轉(zhuǎn)化為具體產(chǎn)品方案;評估階段需要將產(chǎn)品方案與生物原型進(jìn)行比較分析，評估前者對相關(guān)原理的應(yīng)用有效性。如果最后得到的評估結(jié)果不夠理想，則需要循環(huán)該螺旋模型。

2基于生物行為層面仿生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)可行性分析

與形態(tài)層面的仿生設(shè)計(jì)不同，行為層面仿生設(shè)計(jì)的模仿對象主要在于生物的行為模式。生物的行為模式也和生物的形態(tài)一樣，是長期進(jìn)化過程中通過自然選擇形成的，其具有很多亟待發(fā)掘的優(yōu)勢可用于指導(dǎo)產(chǎn)品運(yùn)作模式的設(shè)計(jì)，例如，根據(jù)軍蟻的自組織模式來指導(dǎo)交通工具及其交通系統(tǒng)規(guī)劃的設(shè)計(jì)等。根據(jù)因果關(guān)系型類比推理的描述：已知存在因果關(guān)系S1：A→B，給定事物A與A相似，則可能有與B相似的事物B滿足因果關(guān)系S2：A→B[3]。以此可以得知，如果將生物原型比作產(chǎn)品，將生物的行為模式比作產(chǎn)品的運(yùn)作模式，可以得到如圖1所示的相似性推理，生物原型為了達(dá)到某種行為動(dòng)機(jī)而采取的行為模式由運(yùn)動(dòng)形式、生理形態(tài)和行為原理支撐，與之匹配的是產(chǎn)品為實(shí)現(xiàn)功能依托的運(yùn)作模式的三種手段：交互方式、產(chǎn)品形態(tài)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

3基于生物行為層面仿生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)的意義

生物行為學(xué)的研究內(nèi)容為產(chǎn)品仿生設(shè)計(jì)提供了行為層面的學(xué)科基礎(chǔ)，尤其是其中對行為功能方面即行為的適應(yīng)意義的研究。生物以適應(yīng)生存為目的發(fā)展進(jìn)化出了一系列具有優(yōu)勢特征的行為模式，其表現(xiàn)在種群通訊、成長發(fā)育、生殖繁衍、覓食與防御等多個(gè)方面，這些行為模式下揭示的客觀原理也同樣對產(chǎn)品的運(yùn)作模式有一定的指導(dǎo)意義。通過向生物行為層面的模仿，產(chǎn)品能以一種更高效率甚至創(chuàng)新性的手段來實(shí)現(xiàn)功能的輸出與用戶需求的滿足;同時(shí)，區(qū)別于形態(tài)層面只注重于對生物外觀與結(jié)構(gòu)的模仿，行為層面的仿生拓寬了設(shè)計(jì)師對生物的認(rèn)知視野，提供了更多通過設(shè)計(jì)解決問題的可借鑒的思路，加強(qiáng)了設(shè)計(jì)師對人一機(jī)

環(huán)境之間相處模式的規(guī)劃思考。

4基于生物行為層面仿生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則

4.1擇優(yōu)性原則

生物行為學(xué)是基于不同生物原型之間的同類行為模式進(jìn)行比較研究的，尤其是對整個(gè)屬和整個(gè)科的行為譜比較研究和分析，會(huì)深度發(fā)掘出某些生物行為模式具有的一定程度上的優(yōu)勢，因此，會(huì)更適合被應(yīng)用到產(chǎn)品行為層面仿生設(shè)計(jì)當(dāng)中。

4.2適配性原則

一方面，要確定生物行為模式與映射到產(chǎn)品運(yùn)作模式的適配，即運(yùn)用類比推理的方法來驗(yàn)證該行為模式是否能轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品的運(yùn)作模式并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能;另一方面，轉(zhuǎn)化后的運(yùn)作模式要與產(chǎn)品載體適配。

4.3功能性原則

脫離仿生設(shè)計(jì)即“形態(tài)仿生”的錯(cuò)誤觀念，產(chǎn)品的表現(xiàn)形式應(yīng)該是為功能實(shí)現(xiàn)而服務(wù)的，通過功能元拆分的手段去分析具體的多設(shè)計(jì)目標(biāo)，從而建立基于產(chǎn)品運(yùn)作模式的功能模型。

4.4情境化原則

對人一機(jī)一環(huán)境進(jìn)行考量，通常情況下，只對獨(dú)立產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研究會(huì)忽略其與用戶和環(huán)境之間的關(guān)系。產(chǎn)品的運(yùn)作模式其實(shí)也是一種基于某種情境的產(chǎn)品目標(biāo)實(shí)現(xiàn)方式的表述。

5基于生物行為層面仿生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路

5.1生物行為模式提取

基于擁有某種生存優(yōu)勢的生物行為現(xiàn)象的客觀描述，設(shè)計(jì)師需要將其敘述性的文本整理成簡明的規(guī)范性框架，該框架由“生物原型行為模式一行為動(dòng)機(jī)”以及支撐該行為模式的生物的運(yùn)動(dòng)形式、生理形態(tài)、行為原理等因素構(gòu)成。其中，生物原型指的是具體到某一類或者某一種相關(guān)生物行為的執(zhí)行者;行為模式指的是具有某種特征與規(guī)律的生物行為描述;行為動(dòng)機(jī)指的是生物原型通過該行為模式所要達(dá)到的生存目的;運(yùn)動(dòng)形式與生理形態(tài)分別描述了動(dòng)態(tài)與靜態(tài)的行為實(shí)現(xiàn)情：境;行為原理則揭示了該行為的實(shí)現(xiàn)原理。

5.2產(chǎn)品運(yùn)作模式推理

根據(jù)前文可行性分析中的推理框架，已知生物原型的行為模式與動(dòng)機(jī)，即可類比推理出對應(yīng)產(chǎn)品的運(yùn)作模式和功能描述，并對運(yùn)作模式進(jìn)行產(chǎn)品層面的解讀：交互方式、產(chǎn)品形態(tài)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。該推理框架總的來說就是一種對已知產(chǎn)品功能具體實(shí)現(xiàn)方式的黑箱模型的表達(dá)。

5.3產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)

產(chǎn)品功能的本質(zhì)，是產(chǎn)品系統(tǒng)與外界環(huán)境（包括使用者）發(fā)生關(guān)聯(lián)狀態(tài)的一種描述[4]。若要實(shí)現(xiàn)最終的產(chǎn)品仿生設(shè)計(jì)，功能是一個(gè)不可繞過的話題，通過前期類比推理，已知產(chǎn)品總功能的抽象描述及其運(yùn)作模式，即可運(yùn)用TRIZ中功能基的理念進(jìn)行功能篩選并建立能表現(xiàn)出其層級(jí)關(guān)系的功能樹模型。

5.4尋求設(shè)計(jì)機(jī)遇與設(shè)計(jì)展開

基于模糊產(chǎn)品的功能框架，通過頭腦風(fēng)暴的方法去尋求機(jī)遇，一種切實(shí)可行的辦法是利用一級(jí)功能去設(shè)問以引導(dǎo)思維發(fā)散，其設(shè)問方式可以是正向的，也可以是反向的。在收集到足夠數(shù)量的頭腦風(fēng)暴結(jié)果后，再利用二級(jí)、三級(jí)功能去設(shè)問篩選，以期獲得最符合功能條件的設(shè)計(jì)機(jī)遇。

針對一個(gè)設(shè)計(jì)機(jī)遇，展開相關(guān)的產(chǎn)品前期調(diào)研是必要的，其有助于對設(shè)計(jì)現(xiàn)狀的了解，獲取更為精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)定位。之后根據(jù)目標(biāo)用戶進(jìn)行用戶體驗(yàn)分析，其指的是基于用戶研究細(xì)分產(chǎn)品應(yīng)用的場景，基于用戶認(rèn)知模式和行為習(xí)慣總結(jié)具有共性特征的產(chǎn)品需求模型[5]。最后再將產(chǎn)品需求模型轉(zhuǎn)化為技術(shù)模型，即如何通過技術(shù)手段去實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能，滿足用戶需求，落實(shí)到具體可行的方案。

6基于生物行為層面仿生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐

6.1生物功能化

前期通過對鳥類孵卵機(jī)制的資料比較研究，獲取了以下一段關(guān)于夜鷺的“輪流孵卵的本能互鎖機(jī)制”的行為客觀描述：“如果非孵卵的伴侶恰好游蕩到鳥巢（及孵卵過程中的伴侶）附近，這就足以喚起正在孵卵那只鳥的換班內(nèi)驅(qū)力[6]?！蓖ㄟ^充分認(rèn)識(shí)與理解以上行為現(xiàn)象，可以提取出如圖2所示的行為模式關(guān)系。

之后對該行為模式進(jìn)行產(chǎn)品運(yùn)作模式的推理，獲得如圖3所示的結(jié)果：

已知產(chǎn)品的運(yùn)作模式為‘基于相遇替換的輪流供應(yīng)模式”，接下來運(yùn)用TRIZ中功能基的概念進(jìn)行功能和流的描述，從而達(dá)到對功能細(xì)化與規(guī)范化的處理。得到如表1所示的結(jié)果。

為了更清楚地了解以上功能之間的層級(jí)關(guān)系，可以建立如圖4所示的基于功能元分解的功能樹模型。

6.2功能方案化

根據(jù)整理出的功能之間的層級(jí)關(guān)系，可用“供應(yīng)供給”與“顯示狀態(tài)”的主要功能進(jìn)行反向設(shè)問：什么是容易在難以察覺的情況下斷絕供應(yīng)的？通過頭腦風(fēng)暴，獲得了“公共廁所里的廁紙”“汽車油箱里的油”“斷水”“斷電”“廚房材料”等結(jié)果。之后，利用對次級(jí)功能的設(shè)問來篩選，即以上設(shè)計(jì)機(jī)遇中哪些是可以通過產(chǎn)品的“替換物料”“提供足夠空間”等功能來輔助解決的。在綜合以上篩選條件后，選定“公共廁所里的廁紙”這一設(shè)計(jì)機(jī)遇為主題展開設(shè)計(jì)。

接下來進(jìn)行產(chǎn)品調(diào)研，借助資料查找、問卷訪談、實(shí)地調(diào)研等手段，我們了解到公共廁所里的廁紙總是斷絕供應(yīng)的問題是受多種因素影響的：（1）廁紙用完后沒能及時(shí)補(bǔ)充造成空檔時(shí)間較長;（2）使用人員的浪費(fèi)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，加速了廁紙的使用壽命。產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，目前公共廁所的紙盒都是單軸模式的，即每次只能放進(jìn)去一軸新的卷紙，舊的一軸只有在被用完的情況下才能被補(bǔ)充，因此就會(huì)造成有一段時(shí)間內(nèi)無紙可用的情況。此外，為了避免紙張無節(jié)度的浪費(fèi)，目前已有基于人臉識(shí)別技術(shù)取紙的設(shè)備投入使用。

用戶體驗(yàn)方面，產(chǎn)品應(yīng)用場景定位到公共區(qū)域，用戶可以細(xì)分為兩類人群：補(bǔ)充者（保潔人員）與消耗者，因此要從這兩個(gè)用戶角度去分析產(chǎn)品具體需求。基于馬斯洛需求層次理論，產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以從三個(gè)需求層次去優(yōu)化用戶體驗(yàn)，即感官與交互需求、情感需求、社會(huì)與自我需求。如表2所示，整理出兩種用戶維度的產(chǎn)品需求模型。

通過以上需求整理，可得到方案的實(shí)施要點(diǎn)為：（1）人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用：控制消耗者取量與識(shí)別補(bǔ)充者身份;（2）物料可見性：能實(shí)時(shí)了解到物料消耗情況;（3）成功補(bǔ)充物料的反饋;（4）根據(jù)用戶需求量不同，采取最多分兩次取紙的交互方式。

6.3方案視覺化

運(yùn)用工業(yè)設(shè)計(jì)中對造型、材質(zhì)、色彩等方面的處理手段，將產(chǎn)品技術(shù)方案轉(zhuǎn)化為如圖5所示的視覺方案。

6.4設(shè)計(jì)評估

1）相似性評估：指的是將生物行為現(xiàn)象與產(chǎn)品進(jìn)行對比來分析兩者在目的與實(shí)現(xiàn)方式上的一致性。首先，在目的上，夜鷺的輪流孵卵模式保證了熱量的持續(xù)供給，產(chǎn)品上則是持續(xù)提供物料，其在目的上具有相似性;其次，在實(shí)現(xiàn)方式上，基于親鳥相遇換班的替換模式與基于保潔人員控制的雙倍物料備份模式具有一致性。

2）有效性評估：通過理論上的數(shù)學(xué)假設(shè)的手段可以一定程度上地驗(yàn)證產(chǎn)品功能的有效性，步驟如下：假設(shè)單軸卷紙?jiān)谠撌褂脠鼍跋碌氖褂脡勖鼮閍，保潔人員從物料耗盡到補(bǔ)充物料之間的平均發(fā)現(xiàn)時(shí)間為b，以此循環(huán)n次，則物料的供應(yīng)覆蓋率為na/n（a+b），產(chǎn)品優(yōu)化后的供應(yīng)覆蓋率為2na/n（a+b），其中當(dāng)a≥b時(shí)，物料可達(dá)到全時(shí)間段供應(yīng)，明顯可見優(yōu)化后的產(chǎn)品能很大程度上解決物料短缺的問題。

7結(jié)語

文章以從生物學(xué)到設(shè)計(jì)的仿生設(shè)計(jì)螺旋模型為基礎(chǔ)，提出了一種針對生物行為層面的仿生設(shè)計(jì)方法。該方法的核心在于將生物原型的行為模式類比推理，成產(chǎn)品的運(yùn)作模式，再通過功能分析的手段獲取設(shè)計(jì)機(jī)遇，從而達(dá)到生物行為學(xué)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用。文章在探索該設(shè)計(jì)方法與流程的同時(shí)，進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)實(shí)踐與評估，進(jìn)一步驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的可行性。

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