1.2 仿生设计概述

仿生设计（Biodesign）是在仿生学和设计学的基础上发展起来的一门新兴综合学科。其以自然界的“形”、“色”、“音”、“功能”、“结构”等为研究对象，通过了解、探索生物系统优异的功能结构、形态外观、物质组成、信息控制，乃至色彩等各种生物特征及其原理，并有选择地将它们综合应用到人类的造物设计当中。

自古以来，人类与大自然为邻，自然界中的生物具备的各种奇异本领不断吸引人类探索与模仿。在认识世界、改造世界的发展过程中，既启发了人类的智慧，同时丰富了人类的才能，增强了自身适应自然与改造自然的能力。

在某种意义上，仿生设计是仿生学的延续和发展，是仿生学研究成果在人类生存方式中的反映。同时，仿生设计结合仿生学的研究成果，为人类的造物设计提供新的思想、新的原理、新的方法和新的途径。时至今日，仿生学作为一种系统的、科学的创造性方法，常常运用于科技创新、社会科学、工业设计、艺术设计等领域。

仿生设计是人类社会生产活动与大自然的契合点，人类以超越其他生物的思维能力与创造力，师法自然，在不断丰富人类的物质文明的同时，也增加了人类与自然的亲近感。仿生设计正不断为人类创造更加宜人、理想的生活方式，力图做到人类社会与自然真正和谐共生。

1.2.1 仿生设计起源

随着人类文明的发展，仿生设计已经作为一种行之有效的设计方法而被人们所熟知，但是在人类文明发展的初期，人类运用观察、思维和造物能力，开始了对大自然的直接模仿，是人类为生存表现出的简单仿生意识和行为。

例如，人类最初使用的工具——木棒和石斧，是对牛羊角与动物爪牙的直接性功能模仿；骨针则源于对鱼刺的模仿；独木舟的造型来源于人们对于鱼的形态的了解……虽然这样的仿生形式比较粗糙与简单，但却是仿生设计的起源与雏形，也是我们今天的仿生设计得以发展的基础。

1.2.2 仿生设计的发展

随着对大自然的认识与探求的不断深入，人们通过观察动植物的精巧结构和完美功能，获得了众多的启发。相传在公元前三千多年，我们的祖先有巢氏模仿鸟类在树上营巢，以防御猛兽的伤害；四千多年前，我们的祖先“见飞蓬转而知为车”，即见到随风旋转的飞蓬草而发明轮子，做成有轮子的车。商周、西汉时代人们以动物形态为原型（即仿生对象）设计创造了虎尊、象尊、鹰型壶、牛型灯等具有多种实用功能的青铜器皿，如图1-2所示。

据《杜阳杂编》记载，唐朝有个韩志和，“善雕木作鸾、鹤、鸦、鹊之状，饮啄动静与真无异，以关戾置于腹内，发之则凌云奋飞，可高达三丈至一二百步外，始却下。”说明中国古代劳动人民对鸟类的扑翼和飞行进行了细致的观察和研究。明代发明的一种火箭武器“神火飞鸦”也从鸟类身上得到的启示。以上事例说明，我国古代劳动人民早期的仿生设计活动，创造了我国非凡、光辉灿烂的古代文明。

在外国的文明史上，大致也经历了相似的过程。例如，在拥有灿烂文明的古埃及的家具设计中，桌、椅、床的腿常常雕成兽腿、牛蹄、狮爪等形象，如图1-3所示；15世纪时，德国天文学家米勒制造了一只铁苍蝇和一只机械鹰，并进行了飞行表演。19世纪末20世纪初的新艺术运动、流线型、有机形态设计也反射出仿生思想的光辉，给当时的设计带来了诸多清新的自然之风。例如，由比利时设计师范·德·维尔德设计的烛台，如图1-4所示。

人类对自然的感知和掌握经历了数十万年乃至上百万年的历程，人类如今发达的创造能力正是古代通过打制石器的劳作，以及造物所获得的必然结果和回报。可以说，从造型到造器，人类完成了一个个新的飞跃。

如果说在20世纪40年代之前，人们在创造事物时，总是自觉或不自觉地模拟自然，“翻译自然”，停留在描述生物精巧的结构和完美的功能上，那么从20世纪50年代开始，人们便逐步明确地认识到了仿生设计的科学设计方法对于人类生活和生存所具有的真正价值。

总之，仿生设计从最初无意识的、简单的形态模仿，到功能结构的模仿，再到相关系统理论的形成，逐步成为了设计领域中一种科学的、系统的新方法，并反过来指导人类的设计活动，既促进人类社会生产活动的不断发展与进步，也使人类社会与自然达到高度和谐统一。仿生设计正逐渐成为设计发展的趋势之一。

1.2.3 仿生设计的研究内容

仿生设计所涉及的范围非常广泛，总的来说可以将其归纳为三大领域的仿生。

1. 自然科学领域的仿生设计

生物体最基本的特征就是能自我更新和自我复制。仿生学把生物体看做能与自身环境和外界环境相联系的复杂控制系统，而仿生学的研究任务就是研究这个系统内各部分间的相互关系，以及整个系统的行为和状态。例如，人工控制系统中的传感器，如果把系统中的微型机看做人脑仿生的话，那么就可把系统输入部分中的传感器看做人或动物（即生体）的5种感觉——视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉的仿生。

仿生学与遗传学的整合体现出系统生物工程的理念，也就是发展遗传工程的仿生学。例如，人工基因重组、转基因技术是对自然重组、基因转移的模仿，人工合成天然药物分子和生物高分子是分子水平的仿生，以及人工神经元、神经网络、细胞自动机是细胞系统水平的仿生，另外，还有纳米生物技术、生物计算、DNA计算机技术的系统生物工程发展等，都已证明仿生学已经全面发展到一个从分子、细胞到器官的人工生物系统开发的时代。

另外，生物学研究成果与数学原理的综合应用也推动了产品形态仿生设计的发展，其中最典型例子就是斐波那契数列（Fibonacci，一种递归数列）现象研究，它揭示了自然界很多生物渐变式形态美的内在机制，如图1-5所示，自然界的许多生物形态都满足这样潜在的数学规律。如图1-6所示，向日葵的造型就是典型的斐波那契数列现象的展现，以这样的形式排列种子、花瓣或叶子的植物还有很多。通过仿生学与数学的综合应用研究还可以揭示很多生物特有的数量关系和内在机制。将这些研究成果进行组合、重建和变形，从而推动了数学分形学的发展。这样的综合运用不仅是对形式形态的丰富，更多的是对各种生物美的内在机制进行数量上的阐释、分析、衡量和应用。这种仿生学数列的排列方式对纺织、印染、装饰、服装、产品设计等领域都有很重要的借鉴意义，如来自2009年米其林设计挑战赛中一款作品——飓风越野（Hurricane），如图1-7所示，整辆车各部分的尺寸俱按照斐波那契数列展开，尤其是轮胎，辐条从里旋转扩散而连接外层，既暗合了这些神秘的数字，又模拟出了飓风那种席卷一切的具象。同时，生物形态的渐变式排列直接启发了形式美法则中的节奏、韵律、渐变等方法。例如，雷达表依莎系列新品珠宝表（eSenza Blue Jubilé）的表盘（见图1-8）采用斐波那契数列螺旋的美丽纹路来进行装饰，每一颗宝石都保持着原有的特性并且融合到整体的图案当中，其微妙的、富于变幻的均衡和谐感非常让人迷恋。

2. 社会科学领域的仿生设计

仿生设计不仅可以应用于科学技术领域的发明创造，还可应用于管理学领域、经济学领域等社会科学领域。例如，在经济学领域，研究人员通过对蜜蜂和蚂蚁群体的观察与分析，设计出“家族式”经济发展模式。人们从对蚁群严密组织的观察中看到，其在生存斗争中，内部实现着“各尽所能，按需分配”的原则。蚁后、雄蚁、工蚁、兵蚁在蚁群的分工中各司其职，并共同抵御外界的天敌。日本经济学家率先把这种机制带到经济学体系中，采用种种“感情的纽带”，把企业人员捆绑到“群体”之中，其实质就是“家族化”的经济发展模式。这种经济管理法开创了日本经济发展的奇迹，使之在20世纪60年代战胜了美国及欧洲的股份有限公司的发展模式，成为仿生经济学成果的一个有力佐证。

仿生学在社会科学领域的应用成果往往是一种看不见摸不着的物质实体，是一种系统化的新思想、新原理、新方法的设计应用。

3. 艺术设计领域的仿生设计

现代仿生设计的发展不仅为人类带来丰富物质文明，也创造了丰富的精神文明。为了消解技术带来的冷漠与生疏，人们更加追求美感，体现个人情趣、个性、品位与文化体验，以及科技、人与自然的平衡。此时，在仿生设计中仅凭社会科学、自然科学领域的理论知识无法完全满足这一需求，人类对设计美的追求便有了介入的需要。因此，艺术设计领域的仿生设计既与生产实践密不可分，又和艺术理论与美学知识密切相关。当我们谈论一款仿生艺术设计的好坏时，往往是对它形态、色彩、肌理、功能、结构等的综合评价。应该说艺术仿生设计是具有时代特征的科学技术美与艺术美的综合体现。在艺术设计领域我们经常能看到充满美感的仿生设计，这也是与前述两个领域仿生设计的不同之处。

艺术领域的仿生设计体现在设计的各个领域，如服装设计中的仿生、建筑设计中的仿生、视觉传达中的仿生、产品设计中的仿生等。

1）服装设计中的仿生

服装设计领域的仿生艺术设计成果非常显著。从服饰发展史看，人类很早就知道运用仿生手段来美化自身。我国古代将士披戴的甲胄上，往往饰有模仿龟纹、鱼鳞形状的纹样。不仅如此，在服饰设计中，玫瑰花饰、孔雀裙和燕尾服等被广泛运用于服装的装饰，成为高贵优雅的象征，并沿袭至今。在现代，尤其是当代时装艺坛上，人们对仿生美的追求也由过去的朦胧状态向着自觉领域过渡，如图1-9所示。在服装面料的仿生方面，最成功的例子应属蝴蝶色彩的应用。蝴蝶具有丰富的色彩，而且形体又变化无穷。从仿生学角度看，把这些丰富的天然配色实例通过科学的分析应用到各种用品色彩设计上，蝴蝶就成为了一种取之不尽、用之不竭的色彩源泉。如模仿带闪光粉的蝴蝶而设计出的特殊闪光色调的面料，它在服装设计领域得到了很大的推广和应用，如图1-10所示。

2）建筑设计中的仿生

建筑设计领域的仿生也同样异彩纷呈，建筑仿生已成为一种新时代潮流，也是建筑文化的新课题。建筑仿生学的应用范围很广，从实用功能仿生、组织结构仿生到城市环境仿生等，从单体建筑到城市总体，从材料到居住环境都可涵盖。如巴黎的城市规划就模仿了人体的肺部器官，使得城市充满勃勃生机。而英国建筑师史密森曾提出一种新的城市形态，称为“簇群城市”，它是根据植物生长变化的规律而提出的一种新城市布局思想，这也是仿生的成果。目前许多小区的规划设计与“簇群城市”规划思想颇有异曲同工之处。建筑仿生往往也会出现综合性的仿生应用，形成一种城市与建筑的仿生整体。例如，西班牙人高迪（Antonio Gaudi Cornet），他在巴塞罗纳设计了许多带有明显动物骨骼形式的建筑，如图1-11所示，隐喻着这座海滨城市战胜蛟龙的古老传说。

而建筑形式的仿生则最为常见，荷兰鹿特丹的“城市仙人掌”（见图1-12）是一个坐落在荷兰的住宅工程，它在19层楼中提供98个居住单元。这种错落有致的曲线阳台的设计，使得每个单元的室外空间能够得到足够的阳光。这意味着，当所有居民的花园中的花正在开花期时，这个绿色摩天大楼将真的是绿色的。另外，它的白色外表也有利于降低室内的温度。

另外，在结构仿生方面，先进的工程师们已应用现代技术创造了一系列崭新的仿生结构体系。从一滴水珠和一个蛋壳看到了其自由抛物线型曲面的张力与薄壁高强的性能；从一片树叶的叶脉发现了其特殊的光合作用生理结构，这些对建筑结构的创新设计都是十分有益的启示。例如，由美国著名的环境设计大师、建筑师威廉·麦克多诺（William McDonough）设计的“树纹塔”摩天大楼（见图1-13）就是这种结构系统的体现，至今仍被人们所称颂。设计师使建筑可以像树木一样进行光合作用，在设计中，建筑师充分利用太阳能和自然光，不仅实现了视觉上的震撼效果，同时使得整个建筑物被环境所包围，成为名副其实的绿色建筑。

应该说，建筑仿生可以是多方面的，也可以是综合性的，如能成功应用仿生原理，就能创造出新颖和适应环境生态的建筑形式。同时仿生建筑学也给人们暗示着必须遵循的许多自然规律，它告诉我们建筑仿生应该注意环境生态、经济效益与形式新颖的有机结合。例如，由日本知名建筑师黑川纪章设计的中银舱体大楼（见图1-14）坐落在东京繁华的银座附近，建成于1972年。这幢建筑物是建筑师对“新陈代谢运动”的完美表达。

3）视觉传达设计中的仿生

视觉传达设计领域的仿生也越来越体现出其独特的审美特性。以包装设计为例，消费者在选购产品时一定程度上通过包装所表达出的某种信息来进行判断和衡量与其内心所希望的是否一致，并最终做出购买的决策。在很多情况下，人们在选购商品的时候，不是过多地考虑使用因素，而是在寻求一种文化、身份的体现，或是某种性格特征的传达。仿生艺术设计无疑是这种文化品位和性格特征最合理与恰当的表达之一。如谭木匠木梳的具象形态仿生包装设计——仿鱼形设计（如图1-15）就源于轩辕黄帝的妻室方雷氏受鱼刺的启发发明木梳的故事，设计者充分利用传统文化这一媒介赋予了产品丰富的文化内涵。

形态仿生设计在日常生活用品的包装中应用前景很广，它使包装更具生活化、情趣化、艺术化，有很强的感染力。包装容器形态仿生设计就是以生物机体的形态为原型进行再加工创造的设计。例如，纪梵希（Givenchy）女神香水瓶的设计，晶莹剔透的瓶身勾勒出轻盈优雅的女性曲线，透露出古希腊神话般的古典、高贵与梦幻（见图1-16）。

随着现代科技的发展，促进了包装器形、包装材料、包装加工手段、包装视觉等各方面的发展。仿生学对包装的影响也不仅是模仿仿生对象，而是以仿生对象为依据，通过创造性思维，进行二次甚至多次创新，获得设计的形态，如蜂窝板（见图1-17）就是仿造蜂窝结构而制造的包装材料。又如，根据橘皮光滑有细孔，有利于橘的呼吸及防止水分的蒸发；橘瓣的组合是节约空间的最佳形式；而橘瓣与橘皮之间的海绵组织，具有保护橘瓣的作用，可以仿造这些结构和功能进行包装缓冲设计等。

仿生与人们的生活密切相关，其中最直接而主要的表现就是人们日常使用的工具、生活用品等，这方面的例子数不胜数，因此对于这些工业设计领域的普遍仿生现象，本书也将在后面展开详细的讨论。 tEeqI9CAslOlhhlP4ko7U3LOZtxXXYWlh5OsVKns6FrZbkiOHtoGizzB5OWbeN3u