基于實(shí)例推理方法的仿生設(shè)計(jì)研究

張家祺　孫惠東

摘要：通過優(yōu)化基于實(shí)例推理的設(shè)計(jì)方法中實(shí)例庫，來提高仿生設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)速度與質(zhì)量。通過對(duì)基于實(shí)例推理方法中實(shí)例表達(dá)的分析，得到仿生設(shè)計(jì)仿生源的實(shí)例庫建立的方法，深度發(fā)掘仿生設(shè)計(jì)中生物學(xué)和形態(tài)學(xué)內(nèi)容，探討仿生設(shè)計(jì)中基于實(shí)例推理的方法中關(guān)于實(shí)例表達(dá)的形式創(chuàng)新。得到新的設(shè)計(jì)結(jié)果。將基于實(shí)例推理方法運(yùn)用到仿生設(shè)計(jì)上，制訂出符合仿生設(shè)計(jì)的實(shí)例庫中每個(gè)實(shí)例的表達(dá)方法及形式。

關(guān)鍵詞：仿生設(shè)計(jì) 實(shí)例推理 實(shí)例表達(dá) 實(shí)例庫 檢索框架

中圖分類號(hào)：J0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2021）04-0053-03

引言

仿生創(chuàng)造是人類向自然界不斷學(xué)習(xí)，不斷探索的本能力量的表現(xiàn)，從古至今，自然界都是人類各種發(fā)明創(chuàng)造的思想來源，也是技術(shù)革命的重要啟蒙老師，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，仿生學(xué)的外延也在不斷延伸，Janine Benyus和她的合作者提出從生物學(xué)到設(shè)計(jì)的螺旋模型和從挑戰(zhàn)到生物學(xué)的設(shè)計(jì)模型兩種仿生設(shè)計(jì)方法;蔡江宇、王金鈴對(duì)仿生設(shè)計(jì)與自然觀、生命哲學(xué)、符號(hào)學(xué)、語言學(xué)、心理學(xué)等不同學(xué)科進(jìn)行理論研究，將仿生設(shè)計(jì)分為物質(zhì)現(xiàn)象層和精神內(nèi)核層的仿生，其中物質(zhì)上的仿生中形態(tài)的仿生更具親和力，把仿生設(shè)計(jì)具體到造型仿生、色彩仿生、肌理仿生、功能仿生、結(jié)構(gòu)仿生、情感仿生、趣味仿生、直覺仿生等具體仿生設(shè)計(jì)方法，近年來生物效應(yīng)的多重利用的出現(xiàn)致使仿生設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度日益增加，完備的仿生設(shè)計(jì)方法開發(fā)則不失為一種解決手段。

CBR（case-based reasoning）——基于實(shí)例推理的設(shè)計(jì)方法是通過對(duì)已有實(shí)例庫進(jìn)行搜索匹配，找出與解決當(dāng)前問題相似的實(shí)例，再通過對(duì)以往相似實(shí)例的解決辦法的修改、應(yīng)用，解決當(dāng)前問題的方法?；趯?shí)例推理的歷史可以追溯到20世紀(jì)80年代初耶魯大學(xué)Roger Schank及其學(xué)生的工作，Schank于1982年提出的動(dòng)態(tài)記憶模型是最早關(guān)于CBR的理論，在進(jìn)行問題求解時(shí)借助先前求解類似問題的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理，基于實(shí)例推理的本質(zhì)內(nèi)涵是一種自學(xué)習(xí)過程，常婷等針對(duì)自動(dòng)制孔設(shè)備窩深工藝參數(shù)較難控制的問題，提出了一種基于CBR的裝配制孔窩深工藝參數(shù)優(yōu)化方法;蔡玫等基于本體理論將CBR基于實(shí)例推理應(yīng)用到突發(fā)事件的應(yīng)急決策方法中;劉志峰等將CBR基于實(shí)例推理與TRIZ發(fā)明問題解決原理結(jié)合，提出了綠色設(shè)計(jì)的創(chuàng)新方法;胡良明針對(duì)CBR基于實(shí)例推理在自動(dòng)武器設(shè)計(jì)系統(tǒng)中實(shí)例庫龐大，檢索復(fù)雜的問題，改進(jìn)了最鄰近相似度算法，避免盲目搜索;在經(jīng)過近四十年的發(fā)展，基于實(shí)例推理已被深化為基于計(jì)算機(jī)邏輯推理的四個(gè)過程：實(shí)例檢索、實(shí)例重用、實(shí)例修訂、實(shí)例存儲(chǔ)㈣。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證已經(jīng)運(yùn)用到教育、旅游、機(jī)械、醫(yī)療、法律、規(guī)劃等各個(gè)領(lǐng)域。

一、仿生設(shè)計(jì)實(shí)例表達(dá)的構(gòu)建與分析

復(fù)制自然生物元素（實(shí)踐仿生學(xué)）的設(shè)計(jì)師也將自然視為問題解決方案的實(shí)例庫。根據(jù)自然界生物的在面對(duì)問題的解決方案映射到產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，對(duì)于這種解決手段，基于案例的推理是一種突出的類比解決方案，因此重點(diǎn)即構(gòu)建仿生學(xué)的實(shí)例庫的方法。圖1其計(jì)算機(jī)邏輯推理過程。

（一）仿生設(shè)計(jì)實(shí)例描述

仿生設(shè)計(jì)實(shí)例庫的建立方法分層次、分類型進(jìn)行建立，將不同種類的設(shè)計(jì)形式聚類，進(jìn)而避免檢索時(shí)盲目搜索，具體可分三個(gè)層級(jí)，分別是第一層級(jí)仿生設(shè)計(jì)物質(zhì)現(xiàn)象層和仿生設(shè)計(jì)情感內(nèi)核層，物質(zhì)現(xiàn)象層面的設(shè)計(jì)屬于直觀層面的功能應(yīng)用，情感內(nèi)核層重在通過不同生物所激發(fā)的不同情感體驗(yàn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。第二層級(jí)內(nèi)容是物質(zhì)層和情感層分門別類進(jìn)行歸納，這層次的主要工作是將仿生設(shè)計(jì)細(xì)化，將不同形式、不同方法的仿生設(shè)計(jì)將實(shí)例庫中的內(nèi)容進(jìn)一步豐富，第三層是具體到實(shí)踐應(yīng)用的各種實(shí)際仿生設(shè)計(jì)的內(nèi)容。

仿生設(shè)計(jì)的實(shí)例表達(dá)方法分為三個(gè)程序，每個(gè)程序中又有不同的類目，通過構(gòu)建類目合理、內(nèi)容豐富的仿生設(shè)計(jì)形式最終達(dá)到完整的實(shí)例。具體的三個(gè)程序分別是仿生設(shè)計(jì)的對(duì)象，仿生設(shè)計(jì)的形式和仿生設(shè)計(jì)的各個(gè)設(shè)計(jì)要素的具體參數(shù)，通過三個(gè)程序的綜合構(gòu)建達(dá)到整個(gè)仿生設(shè)計(jì)實(shí)例庫中每個(gè)實(shí)例的表達(dá)方式的設(shè)計(jì)。圖2是針對(duì)仿生設(shè)計(jì)對(duì)象而歸納的設(shè)計(jì)內(nèi)容，圖3是根據(jù)仿生設(shè)計(jì)形式歸納的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

（二）仿生設(shè)計(jì)實(shí)例檢索框架

按照CBR實(shí)例檢索的典型方法，通過最顯著的特征相似性去尋找最適合實(shí)例，這樣可以快速高效地尋找到那些與當(dāng)前需求相似程度較高的實(shí)例集。由于仿生設(shè)計(jì)仿生地對(duì)象千差萬別，即使是同一種生物其仿生部分可能也是完全不同的，考慮到不同項(xiàng)目類型所產(chǎn)生的不同效果，例如，從動(dòng)物出發(fā)進(jìn)行仿生與從植物出發(fā)進(jìn)行仿生，其最終仿生得到的實(shí)際產(chǎn)品中所利用的自然元素、仿生內(nèi)容是截然不同的，不同仿生設(shè)計(jì)方法具有不同的側(cè)重，體現(xiàn)在實(shí)例庫中的仿生特征表達(dá)方式也是不同的。因此，仿生實(shí)例框架構(gòu)建的第一步需要確定由目標(biāo)需求所指引的仿生對(duì)象所屬的類型。

第二步是從實(shí)際設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)需求描述：設(shè)計(jì)需求的不同決定了不同的設(shè)計(jì)方式，即從設(shè)計(jì)需求和生物特征這兩個(gè)維度對(duì)目標(biāo)設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行分解，目前，仿生設(shè)計(jì)一般采用語言描述，而語言描述并無語義。因此，知識(shí)提取的首選方法是本體論，在與仿生有關(guān)的無語義的實(shí)例文檔中，獲取實(shí)際需要的仿生內(nèi)容。按照生物實(shí)體、屬性、仿生方式的思路提取出實(shí)例中的仿生源、生物特征、仿生設(shè)計(jì)形式、最終設(shè)計(jì)成果。該過程涉及實(shí)例、設(shè)計(jì)需求、生物特征、仿生策略四個(gè)基本概念。

二、實(shí)例推理仿生設(shè)計(jì)本體模型

根據(jù)實(shí)例推理進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)際上是將仿生設(shè)計(jì)參數(shù)化的過程，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來提高仿生設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)速度與可行性。

（四）仿生方式（S）：典型的仿生設(shè)計(jì)方式有兩個(gè)因素：仿生設(shè)計(jì)方案，專家對(duì)于仿生設(shè)計(jì)結(jié)果的評(píng)價(jià)。由于仿生設(shè)計(jì)來自于自然界，或功能價(jià)值或藝術(shù)價(jià)值，仿生設(shè)計(jì)主要是運(yùn)用工業(yè)設(shè)計(jì)的藝術(shù)與科學(xué)相結(jié)合的思維與方法，從人性化的角度，不僅在物質(zhì)上，更是在精神上追求傳統(tǒng)與現(xiàn)代、自然與人類、藝術(shù)與技術(shù)、主觀與客觀、個(gè)體與大眾等多元化的設(shè)計(jì)融合與創(chuàng)新，體現(xiàn)辯證、唯物的共生美學(xué)觀。仿生設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要為模仿生物的特殊本領(lǐng)，利用生物的結(jié)構(gòu)和功能原理來設(shè)計(jì)產(chǎn)品機(jī)械的設(shè)計(jì)方式。仿生物形態(tài)的設(shè)計(jì)是在對(duì)自然生物體，包括動(dòng)物、植物、微生物、人類等所具有的典型外部形態(tài)的認(rèn)知基礎(chǔ)上，尋求對(duì)產(chǎn)品形態(tài)的突破與創(chuàng)新。仿生物形態(tài)的設(shè)計(jì)是仿生設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)對(duì)生物外部形態(tài)美感特征與人類審美需求的表現(xiàn)。設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)師的個(gè)人理解是仿生設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)原動(dòng)力，專家對(duì)于仿生設(shè)計(jì)結(jié)果的評(píng)價(jià)也更多是藝術(shù)角度、功能實(shí)現(xiàn)等的分析，很少建立基于數(shù)學(xué)模式以及理性計(jì)算的結(jié)果，此次研究針對(duì)此問題采用數(shù)學(xué)計(jì)算的方式與設(shè)計(jì)理解相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

三、模型搭建的結(jié)果

（—）相似關(guān)系：仿生設(shè)計(jì)其實(shí)就是通過相似性在設(shè)計(jì)問題與生物原型之間找到連接的橋梁，張光鑒先生總結(jié)了相似學(xué)的三條定律：相似運(yùn)動(dòng)律、相似聯(lián)系律、相似創(chuàng)造律。仿生設(shè)計(jì)很大一部分都是通過相似性進(jìn)行設(shè)計(jì)的。相似的程度可以分為局部相似與整體相似。局部相似性的設(shè)計(jì)經(jīng)常應(yīng)用于功能設(shè)計(jì)上，例如高鐵列車圓滑、流線的車頭設(shè)計(jì)就是基于魚類在水中通過流線型的頭部造型以減少水中阻力為出發(fā)點(diǎn)的，以達(dá)到列車運(yùn)行時(shí)減少風(fēng)阻，整體相似更多運(yùn)用于藝術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，通過生物界不同生物整體造型引起的情感變化作為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，例如通過“觀象制器”整體運(yùn)用生物特征進(jìn)行藝術(shù)化加工使其達(dá)到觸動(dòng)情感的設(shè)計(jì)。其基于實(shí)例進(jìn)行推理的時(shí)候就是根據(jù)不同生物特征的權(quán)重進(jìn)行對(duì)比選擇最相似的設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行修改再設(shè)計(jì)。

（二）組合關(guān)系：仿生設(shè)計(jì)很多時(shí)候是多種生物學(xué)特征進(jìn)行組合進(jìn)行設(shè)計(jì)的，實(shí)際設(shè)計(jì)需求往往也是多種需求，這種形式的設(shè)計(jì)往往不同功能的復(fù)合使用，讓設(shè)計(jì)更具綜合性，實(shí)例庫中的各種實(shí)例也是不同生物特征。

（三）函數(shù)關(guān)系：在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，通過查找選擇出相似的實(shí)例合集之后通過對(duì)各部分生物特征運(yùn)用的重要程度賦值，賦值的確定是基于專家系統(tǒng)進(jìn)行的，通過幾個(gè)設(shè)計(jì)專家商討共同確定設(shè)計(jì)不同權(quán)重的賦值，通過李克特量表進(jìn)行打分再求取其均值，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)需求各部分重要程度賦值，再進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算：

四、應(yīng)用

現(xiàn)代社會(huì)中，工作強(qiáng)度的加大導(dǎo)致辦公人員長時(shí)間的保持一個(gè)姿勢(shì)坐在椅子上辦公，很容易導(dǎo)致各種疾病，因此以椅子設(shè)計(jì)為例進(jìn)行基于實(shí)例推理的仿生設(shè)計(jì)，要進(jìn)行一款可以提高舒適度并且有利于健康的辦公人員座椅的設(shè)計(jì)C0，設(shè)計(jì)需求的關(guān)鍵在于提高舒適度，同時(shí)設(shè)計(jì)面向的人群為辦公人員，使用場地為辦公室，設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)為健康，要求使用具有情感化的色彩和材質(zhì)。根據(jù)本文實(shí)例表達(dá)方式積累實(shí)例，下面是幾款優(yōu)秀的仿生設(shè)計(jì)的椅子，其表達(dá)形式如圖4-7所示。

經(jīng)過對(duì)四款仿生設(shè)計(jì)的座椅相似度的計(jì)算可以得出綜合相似度最高的是第三款馬鞍仿生椅子，接下來便是根據(jù)最為相似的實(shí)例進(jìn)行實(shí)例修改，設(shè)計(jì)出滿足目標(biāo)實(shí)例C0的新設(shè)計(jì)。

第三款馬鞍座椅是一名脊柱康復(fù)師所設(shè)計(jì)，充分考慮了如何通過坐姿矯正脊柱，在生理甚至醫(yī)學(xué)上是成功的，但是在外觀形式的設(shè)計(jì)以及使用舒適性尚有不足，對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，首先是美觀性，從造型和色彩上進(jìn)行設(shè)計(jì)，原本的馬鞍椅由于要對(duì)長時(shí)間在以坐姿進(jìn)行辦公的工作室人員不正確脊柱彎曲進(jìn)行矯正，因此讓其使用者通過降低腿部平均高度同時(shí)提升臀部并減少其受力面積的方式讓其使用者不由自主地進(jìn)行坐姿姿勢(shì)的矯正，但其在使用過程中需要將腿部分開一個(gè)較大的角度，在空間狹小的辦公區(qū)域這種坐姿很容易導(dǎo)致?lián)頂D，一旦腿部空間有其他雜物，這將導(dǎo)致腿部活動(dòng)空間變小，所以對(duì)此進(jìn)行使用該座椅時(shí)讓腿部開角變小的改進(jìn)方式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，臀部坐姿與受力面積不便，縮小前面部分是此次改進(jìn)在造型上的主要形式;其次是對(duì)其色彩進(jìn)行豐富化，根據(jù)使用場景來看，辦公室區(qū)域的色彩偏理性，因此色彩選擇上選用深色調(diào)作為此次改進(jìn)的色彩，座面及靠背部分采用深藍(lán)色，支架及椅腿的部分采用黑色，深藍(lán)色本身充滿理性與厚重感，符合辦公室人群的心理特征，這種色彩給人一種“重”的心理感受，辦公場所本身是一個(gè)需要理性辦公工作的地方，穩(wěn)重的色彩可以加強(qiáng)這種情感的提升，而深藍(lán)色與黑色兩種色彩都可以增加這種情感。圖8是最終的設(shè)計(jì)。

結(jié)論

通過將CBR基于實(shí)例推理的方法應(yīng)用到仿生設(shè)計(jì)領(lǐng)域，通過對(duì)仿生設(shè)計(jì)實(shí)例的建立方式進(jìn)行創(chuàng)新，形成針對(duì)仿生設(shè)計(jì)實(shí)例表達(dá)的框架并且運(yùn)用該框架進(jìn)行基于實(shí)例推理的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)，形成仿生設(shè)計(jì)的一種全新設(shè)計(jì)方法，并將新的設(shè)計(jì)實(shí)例存入自己的實(shí)例庫，由于該方法是通過計(jì)算相似性進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，因而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，會(huì)因?yàn)閷?shí)例庫的大小、實(shí)例表達(dá)的權(quán)重定制方式以及實(shí)例計(jì)算方式的選擇受到各種實(shí)際情況的影響不同，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中還需考慮諸多因素。