基于硅藻生物形態(tài)仿生的實驗性家具設計研究

■余香怡，彭金美，田 康.，郭 瓊 Yu Xiangyi & Peng Jinmei & Tian Kang & Guo Qiong

(1.華南農(nóng)業(yè)大學材料與能源學院，廣東廣州 510642；2.東莞市輕工業(yè)學校，廣東東莞 523900；3.羅馬第一大學，意大利羅馬 00185）

仿生設計是基于仿生學，對自然對象進行研究后根據(jù)設計需求進行特征及原理提取并完成方案設計的目的性設計行為[1]，對家具的創(chuàng)新設計實踐具有重要作用[2]。自人類接觸藻類生物以來，其已在食物、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)領域得到大規(guī)模應用，但與家具設計進行結合較少。為尋求家具產(chǎn)品設計創(chuàng)新性突破，在此以仿生形態(tài)設計理論為依據(jù)進行實驗性家具產(chǎn)品設計，探究藻類生物與家具產(chǎn)品設計結合的可能性，也為當代家具產(chǎn)品設計提供一些可供參考的研究方向與設計思路。

1 形態(tài)仿生設計概述

形態(tài)仿生設計在仿生設計中最常被運用，其設計重點在于對目標研究對象外部特征的識別提取與再創(chuàng)作[3]。在設計過程中需對仿生對象的“形”與“態(tài)”進行把握，“形”是對事物外部特征的客觀描述，“態(tài)”是仿生形態(tài)的象征意義。

1.1 形態(tài)仿生設計方法

依據(jù)設計深度的不同，可將形態(tài)仿生分為具象形態(tài)仿生、抽象形態(tài)仿生和意象形態(tài)仿生[4]。

1.1.1 具象形態(tài)仿生

具象形態(tài)仿生作為最基礎直觀的生物形態(tài)仿生設計方式，追求設計結果與被仿生對象之間較強的視覺關聯(lián)性[5]。在設計過程中注重對被仿生對象的突出外形特征進行抓取并進行概括性描摹[6]，因此對應產(chǎn)品在視覺上不僅抓人眼球且極具自然趣味，能夠使用戶自然地產(chǎn)生熟悉感[7]。

1.1.2 抽象形態(tài)仿生

抽象形態(tài)仿生也是對仿生對象典型特征的一種反映，但與具象形態(tài)仿生相比具有更高的概括性。抽象形態(tài)仿生是以仿生對象的形態(tài)特征為基礎，在進行分析歸納后根據(jù)設計需要刪繁就簡提取目標元素，并進行抽象化處理應用于產(chǎn)品中[8]，最終實現(xiàn)形態(tài)超越而神態(tài)切合的設計效果[9-10]。抽象形態(tài)仿生既具有符號化的表現(xiàn)語言又形式感鮮明，能夠誘發(fā)用戶聯(lián)想從而產(chǎn)生更多的情感共鳴[11]。

1.1.3 意向形態(tài)仿生

意象形態(tài)仿生講求“形意結合”，其根本在于對仿生對象與產(chǎn)品之間潛藏關聯(lián)的挖掘[12]，要求設計既具有仿生形態(tài)上的視覺感又意蘊深厚。比之抽象形態(tài)仿生，意向形態(tài)仿生的造型更為生動且意趣分明[13]，可給予用戶更深層次的情感關懷與滿足[14]。

■圖1 形態(tài)仿生設計體系

1.2 形態(tài)仿生設計體系構建

形態(tài)仿生設計有由上及下與由下及上兩種方式，與由上及下的方式相比，由下及上的設計方式對于仿生對象特征提取更開放多元，利于尋求創(chuàng)新性突破[15-17]，故選用由下及上的設計方式進行設計體系構建，共分為四個階段（圖1）。

1.2.1 設計概念及仿生對象確定

設計概念及仿生對象的確定作為整個設計過程中的方向性引導，直接影響到設計結果的有效性。設計師需在明確設計目標后，根據(jù)目標所要達到的視覺效果、語義內(nèi)涵及情感展現(xiàn)等對各類對象進行分析比較以選取最終仿生目標。

1.2.2 仿生對象形態(tài)認知與特征提取

準確的特征提取需以深刻的形態(tài)認知為前提，設計師需明晰產(chǎn)品形態(tài)特征與用戶認知之間的影響關系，并依此對應關系選擇目標提取特征。對形態(tài)特征進行認知應先觀察、分析并積累足夠的形態(tài)特征信息量，從而了解個性與共性區(qū)分主次關系。

1.2.3 設計轉化

設計轉化是實現(xiàn)特征轉換并完成方案視覺呈現(xiàn)的過程，在保證目標特征信息能夠準確傳達的基礎上對其進行簡化處理，此階段可通過直接形態(tài)仿生、抽象形態(tài)仿生及意象形態(tài)仿生設計方法實現(xiàn)[18]。

1.2.4 有效性評價

有效性評價作為設計開發(fā)不可或缺的最后階段，需對整個設計結果做出把控。有效性評價的評價因子眾多，需根據(jù)設計目標選擇目標評價因子。盡管設計目標影響評價因子的選擇，但好的仿生形態(tài)設計方案是總能與目標評價因子形成較好契合的[19]。

2 硅藻的形態(tài)特征

由于藻類品種繁多，細胞形態(tài)上較為豐富且特殊的大多為硅藻門，因此本文挑選了最具代表性的硅藻細胞進行研究分析[20]。依據(jù)殼面花紋的不同，硅藻可被分為中心藻綱和羽紋藻綱2綱，其中以中心藻綱的小環(huán)藻屬（Cvllotella）、直鏈藻屬（Melosira）和根管藻屬（Rhizosolenia）；羽紋藻綱的脆桿藻屬（Fragillaria）、橋彎藻屬（Cymbella）、雙菱藻屬（Surirella）、舟形藻屬（Navicula）和羽紋藻屬（Pinnularia）最為常見[21]，本次硅藻形態(tài)特征便基于此8個屬進行分析。

2.1 常見硅藻成像及外形特征

硅藻是細胞壁硅化并形成套合殼瓣結構的真核藻類，多為單細胞生物，有時也會集成細胞群體[20]，其常見種類顯微細胞成像及外形特征分析如表1所示。

表1 常見硅藻的成像及外形特征

2.2 常見硅藻細胞表面紋樣肌理特征

常見硅藻細胞表面紋樣肌理特征具體分析如表2所示。

3 設計實踐

3.1 設計概念及仿生對象確定

以藻類中形態(tài)較為特殊的硅藻為形態(tài)仿生設計的目標提取對象，符合將藻類與家具設計進行結合，探究此兩者設計結合可能性與創(chuàng)新性的實驗目的。從表1、表2中對較具代表性的硅藻形態(tài)特征進行分析可知，硅藻細胞形態(tài)各異且獨具特色、辨識度高，故從中選取細胞外形特征及紋樣肌理都較為特殊的舟形藻作為本次試驗對象代表，進行實驗性家具設計。

表2 微觀視角下常見硅藻的細胞成像及表面肌理

3.2 仿生形態(tài)認知與特征提取

通過顯微成像可清晰探知舟形藻的形態(tài)結構特征：舟形藻呈兩頭窄中間寬的小舟形，細胞中央具有中央節(jié)和點紋，中央節(jié)兩端為對稱的肋狀連接結構（圖2）。提取舟形藻的舟形與對稱的肋狀連接結構進行草圖模擬，繪制完成后對其肋狀連接結構進行簡化及彎曲變形，得到結果如圖3所示。為配合家具的實際使用，以圖3提取得到的對象為基礎，結合家具中座椅的特征，進行結構上的優(yōu)化以及三維轉換。在增加了后椅腿及寬闊的座面后不斷對各個結構部件之間的連接方式、整體比例及線條曲度等都進行了適度的調(diào)整優(yōu)化，使其高度、靠背曲線等都符合人體曲線，最終形成Navicula Chair的基本框架結構（圖4）。

■圖2 舟形藻細胞形態(tài)

■圖3 對象特征提取

■圖4 設計轉化草圖

■圖5 Navicula Chair最終效果圖

■圖6 Navicula Chair實物模型

■圖7 Navicula Chair與舟形藻的形態(tài)對比

3.3 方案視覺呈現(xiàn)

根據(jù)舟形藻形態(tài)特征提取后進一步演化得到的設計草圖，運用3ds Max進行模型構建，并在建模過程中進一步撇除多余結構。由于舟形藻本身所具備的顏色較為單一，故根據(jù)Navicula Chair造型所具備的線條感與科幻感，選擇顏色繽紛的金屬質(zhì)感噴漆進行配合，得到Navicula Chair的最終設計效果，呈現(xiàn)如圖5所示。為更好地對本次設計結果進行最終評價，筆者運用3D打印技術對Navicula Chair進行了實物模型的打樣，最終打樣成品如圖6所示。

3.4 有效性評價

產(chǎn)品形態(tài)仿生設計的有效性評價是基于形態(tài)仿生設計，對產(chǎn)品的外部表現(xiàn)、功用、規(guī)律等進行評估[9]。根據(jù)本次實驗的設計目標，以最終設計成果與目標仿生對象的相似性、視覺呈現(xiàn)的可觀賞性及產(chǎn)品功能需求可用性為評價因子進行有效性評價。

（1）與目標仿生對象的相似性評價：Navicula Chair在視覺上生物形態(tài)特征明顯，較好地保留了舟形藻兩頭窄中間寬的小舟形、兩端對稱的肋狀連接結構、中央節(jié)和點紋等突出特征又與舟形藻的形態(tài)有所區(qū)別，符合生物形態(tài)仿生設計的設計要點（圖7）。

（2）產(chǎn)品功能需求可用性評價：Navicula Chair具備座椅的基本結構，整體線條流暢且能夠較好地貼合人體曲線，在用戶進行使用時能夠對背部有一定的支撐作用，符合座椅用于坐的使用需求。

（3）視覺呈現(xiàn)可觀賞性評價：Navicula Chair選用金屬質(zhì)感噴漆進行表面噴涂，不僅固色永久且其整體造型與色彩配合融洽具備一定的視覺觀賞性，與市場現(xiàn)有產(chǎn)品之間形成了一定的差異，與設計目標的差異化、創(chuàng)新性要求契合。

綜上所述，本次以舟形藻作為硅藻細胞代表，進行基于生物形態(tài)仿生的家具設計實驗具備較好的有效性，證明了將藻類與家具設計進行結合的可行性。

4 結語

藻類資源豐富且性狀優(yōu)異具有廣闊的探索與應用空間，但與現(xiàn)有家居產(chǎn)品設計的結合仍寥寥。其造型豐富多樣且特征分明，是極好的生物形態(tài)仿生對象[22-23]。通過對硅藻的形態(tài)特征進行深入研究后，有針對性地對其微觀細胞形態(tài)和細胞表面肌理等進行梳理總結。并以此為切入點，結合生物形態(tài)仿生設計的設計流程及方法，進行實驗性的設計實踐，證明藻類與現(xiàn)代家具產(chǎn)品設計進行結合的可能性。設計師在進行家具設計的過程中，可以大膽探求不同自然生物與家具之間的聯(lián)系，尋求更多的創(chuàng)新突破。