形态仿生：打造人与机器亲近的宜人形态

1.生物形态与形态仿生

在仿生学领域，所谓形态是指生物体外部的形状。所谓形态学是指研究生物体外部形状、内部构造及其变化的科学。所谓形态仿生是指模仿、参照、借鉴生物体的外部形状或内部构造来设计、制造人工系统、装置、器具、物品，等等。形态仿生的关键在于要能将生物体外部形状或内部构造的精髓及特征巧妙应用在人工系统、装置、器具、物品中，使之“青出于蓝而胜于蓝”。

对于各种模仿、借鉴或参照生物体的外部形状或内部构造而制造出的人工系统、装置、器具、物品来说，仿生形态是这些人造物体机能形态的一种形式。实际上，仿生形态既有物体一般形态的组织结构和功能要素，同时又区别于物体的一般形态，它来自设计师对生物形态或结构的模仿与借鉴，是受自然界生物形态及结构启示的结果，是人类智慧与生物特征结合的产物[49]。长期以来，人类生活在奇妙莫测的自然界中，与周围的生物比邻而居，这些生物千奇百怪的形态、匪夷所思的构造、各具特色的本领，始终吸引着人们去想象和模仿，并引导着人类制作工具、营造居所、改善生活、建设文明。例如，我国古代著名工匠鲁班，从茅草锯齿状的叶缘中得到启迪，制作出锯子。无独有偶，古希腊的发明家从鱼类梳子状的脊骨中受到启发，也制作出了锯子。

大自然和人类社会是物质的世界，也是形态的世界（见图1-38）。事物总是在不断的变化，形态也总是在不断的演变。自然界中万事万物的形态是自然竞争和淘汰的结果。这种竞争和淘汰永无终结[50]。自然界不停地为人们提供着新的形态，启迪着人类的智慧，引导人类从形态仿生上迈出创新的步伐。

图1-38　生物的形态

现代社会文明的主体是人和人所制造的机器。人类发明机器的目的是用机器代替人来完成繁重、复杂、艰苦、危险的体力劳动。但是机器能在多大程度上代替人类劳动，尤其是人类的智力劳动，会不会因机器的大量使用而给人类造成新的问题或麻烦呢？这些问题应该引起当今世界的重视。大量机器的使用让工作岗位出现了前所未有的短缺。人类已经在这种现代文明所导致的生态失调状况下开始反思并力求寻找新的出路。建立人与自然、人与机器的和谐关系，重塑科技价值和人类地位，在人与机器、生态自然与人造自然之间建立共生共荣的结构，从人造形态的束缚中解脱出来，转向从自然界生物形态中借鉴设计形态，是当代生态设计的一种新策略和新理念[51]。

首先，形态仿生的宜人性可使人与机器形态更加亲近。自然界中生物的进化，物种的繁衍，都是在不断变化的生存环境中以一种合乎逻辑与自然规律的方式进行着调整和适应。这都是因为生物机体的构造具备了生长和变异的条件，它随时可以抛弃旧功能，适应新功能。人为形态与空间环境的固定化功能模式抑制了人类同自然相似的自我调整与适应关系。因此，设计要根据人的自然和社会属性，在生态设计的灵活性和适应性上最大限度地满足个性需求。

其次，形态仿生蕴含着生命的活力。生物机体的形态结构为了维护自身、抵抗变异形成了力量的扩张感，可以使人感受到一种自我意识的生命和活力，唤起人们珍爱生活的潜在意识，在这种美好和谐的氛围下，人与自然融合、亲近，消除了对立心理，人们会感到幸福与满足[52]。

再次，形态仿生的奇异性丰富了造型设计的形式语言。自然界中无数生物丰富的形体结构，多维的变化层面，巧妙的色彩装饰和变幻的图形组织以及它们的生存方式、肢体语言、声音特征、平衡能力为人工形态设计提供了新的设计方式和造美法则。生物体中体现出来的与人沟通的感性特征给了设计师们新的启示。

人类对自然界中的广大生物进行形态研究和模拟设计已经历史悠久，但是作为一门独立的学科却是20世纪中叶的事情。1958年，美国人J·E·斯蒂尔首创了仿生学，其宗旨就是借鉴自然界中广大生物在诸多方面表现出来的优良特性，研究如何制造具有生物特征的人工系统[53]。在某种意义上人们可以认为：模仿是仿生学的基础，借鉴是仿生学的方法，移植是仿生学的手段，妙用是仿声学的灵魂。例如，枫树的果实借助其翅状轮廓线外形从树上旋转下落，在风的作用下可以飘飞得很远[54]。受此启发，人们发明了陀螺飞翼式玩具，而这又是目前人类广泛使用的螺旋桨的雏形。

现代飞行器的仿生原型是在天空中自由翱翔的飞鸟（见图1-39）。鸟的外形可减少飞行阻力，提高飞行效率，飞机的外形则是人们对鸟进行形态仿生设计的结果（见图1-40）。鸟的翅膀是鸟用以飞行的基本工具，可分为四种类型：起飞速度高的鸟类其翅膀多为半月形，如雉类、啄木鸟和其他一些习惯于在较小飞行空间活动的鸟类[55]。这些鸟的翅膀在羽毛之间还留有一些小的空间，使它们能够减轻重量，便于快速行动，但这种翅膀不适合长时间飞行。褐雨燕、雨燕和猛禽类的翅膀较长、较窄、较尖，正羽之间没有空隙。这种比较厚实的翅膀可向后倒转，类似于飞机的两翼，可以高速飞行。其他两种翅膀是“滑翔翅”和“升腾翅”，外形类似，但功能不同。滑翔翅以海鸟为代表，如海鸥等，其翅膀较长、较窄、较平，羽毛间没有空隙。在滑翔飞行期间，鸟不用扇动翅膀，而是随着气流滑翔，这样可以使翅膀得到休息。滑翔时，鸟会下落得越来越低，直到必须开始振动翅膀停留在空中为止。在其他时间，滑翔翅鸟类则可在热空气流上高高飞翔几个小时。升腾翅结构以老鹰、鹤和秃鹫为代表。与滑翔翅不同的是，升腾翅羽毛之间留有较宽的空间，且较短，这样可以产生空气气流的变化。羽毛较宽，使鸟能承运猎物。此外，这些羽毛还有助于增加翅膀上侧空气流动的速度。当鸟将其羽毛的顶尖向上卷起的时候，可以使飞行增加力量，而不需要拍打翅膀。这样，鸟就可以利用其周围的气流来升腾而毫不费力。升腾翅鸟类还有比较宽阔的飞行羽毛，这样可以大大增加翅膀的面积，可以在热空气流上更轻松地翱翔。

图1-39　展翅高飞的鸟

图1-40　人造飞鸟

鸟的翅膀外面覆盖着硬羽（见图1-41），其形状由羽毛的分布决定。随着羽毛向下拍动，鸟的翅膀下方的空气就形成一种推动力，称为阻力，并且由于飞行羽毛羽片的大小不同，羽片两边的阻力也有所不同。翅膀的功能主要是产生上升力和推动力。比较而言，飞机的双翼只能产生上升力（见图1-42），其飞行所需的推动力则来自发动机的推进力。

图1-41　鸟的翅膀

图1-42　飞机机翼截面受力图

鸟的骨头属于中空结构，使其身体重量得以减轻，适宜在空中飞行。飞机为了减轻机身重量，采用高强度铝合金、ABS工程塑料等轻型材料[56]。虽然现代化的飞机飞得比鸟高、比鸟快、比鸟远，但说到耗能水平、灵活程度和适应场合，鸟类仍然遥遥领先，人类在飞行技术方面还需要大力开展仿生研究。

形态仿生设计是人们模仿、借鉴、参照自然界中广大生物外部形态或内部结构而设计人工系统、装置、器具、物品的一种充满智慧和创意的活动，这种活动应当充满创新性、合理性和适用性。因为对生物外部形态或内部结构的简单模仿和机械照搬是不能得到理想的设计结果的。

人们经过认真思考、仔细对比，合理选择将要模仿的生物形态，对可借鉴和参考的形态特征展开研究，从功能入手，从形态着眼，经过对生物形态精髓的模仿，不断创造出功能更优良、形态更丰富的人工系统。

实际上，人类造物的许多信息都来自大自然的形态仿生和模拟创造（见图1-43）。尤其是在当今的信息时代里，人们对产品设计的要求不同于以往[57]。人们不仅关注产品功能的先进与完备，而且关注产品形态的清新与淳朴，尤其提倡产品的形态仿生设计，让产品的形态设计回归自然。赋予产品形态以生命的象征是人类在精神需求方面所达到的一种新境界。

图1-43　具有形态仿生特点的人造物

德国著名设计大师路易吉·科拉尼曾说：“设计的基础应来自诞生于大自然的、生命所呈现的真理之中。”这句话完完整整地道出了自然界蕴含着无尽设计宝藏的天机。对于当代设计师们来说，形态仿生设计与创新的基本条件一是能够正确认识生物形态的功能特点、把握生物形态的本质特征，勇于开拓创新思维，善于开展创新设计；二是具有扎实的生物学基础知识，掌握形态仿生设计的基本方法，乐于从自然界、人类社会的原生状况中寻找仿生对象，启发自我的设计灵感，并在设计实践中不断加以改进与完善。

在很多情况下，由于受传统思维和习惯思维的局限，人们思维的触角常常会伸展不开，触及不到事物的本源上去。从设计创新的角度分析，自然界广大生物的形态虽是人们进行形态仿生的源泉，但它不应该成为人们开展形态仿生设计的僵化参照物。所谓形态仿生，仿的应该是生物机能的精髓，因此，形态仿生设计应该是在创新思维指导下，实现形态与功能的完美结合。

科学研究表明，自然界的众多生物具有许多人类不具备的感官特征。例如，水母能感受到次声波而准确地预知风暴；蝙蝠能感受到超声波；鹰眼能从3 000 m高空敏锐地发现地面上奔走的猎物；蛙眼能迅速判断目标的位置、运动方向和速度，并能选择最好的攻击姿势和时间。大自然的奥秘不胜枚举[58]。每当人们发现一种生物奥秘，就为仿生设计提供了新的素材，也就为人类发展带来了新的可能。从这个意义上讲，自然界丰富的生物形态是人们创新设计取之不尽的宝贵题材。

自然界中万事万物的外部形态或内部结构都是生命本能地适应生长、进化环境的结果，这种结果对于当今的设计师来说是无比宝贵的财富，设计师们应当充分利用这些财富。那么，在形态仿生及其创新设计活动中，人们究竟应当怎么做呢？以下思路可能会对人们有所助益。

思路一：建立相关的生物功能—形态模型，研究生物形态的功能作用，从生物原型上找到对应的物理原理，通过对生物功能—形态模型的正确感知，形成对生物形态的感性认识[59]。从功能出发，研究生物形态的结构特点，在感性认识的基础上，除去无关因素，建立精简的生物功能—形态分析模型。在此基础上，再对照原型进行定性分析，用模型来模拟生物的结构原理。

思路二：从相关生物的结构形态出发，研究其具体的尺寸、形状、比例、机能等特性。用理论模型的方法，对生物体进行定量分析，探索并掌握其在运动学、结构学、形态学方面的特点。

思路三：形态仿生直接模仿生物的局部优异机能，并加以利用。如模仿海豚皮制作的潜水艇外壳减少了前进阻力；船舶采用鱼尾型推进器可在低速下取得较大推力。应当注意的是，在形态仿生的研究和应用中很少模仿生物形态的细节，而是通过对生物形态本质特征的把握，吸取其精髓，模仿其精华。

形态仿生及其创新设计包含了非常鲜明的生态设计观念。著名科学家科克尼曾说：“在几乎所有的设计中，大自然都赋予了人类最强有力的信息。”形态仿生及其创新设计对探索现代生态设计规律无疑是一种有益的尝试和实践。

2.生物形态与工程结构

经过自然界亿万年的演变，生物在进化过程中其形态逐步向最优化方向发展。在形形色色的生物种类中，有许多生物的外部形态或内部结构精妙至极，且高度符合力学原理。人们可以从静力学的角度出发，来观察一下生物形态或结构的奥秘之处，并感受其对工程结构设计的指导作用。

自然界中有许多参天大树（见图1-44），其挺拔的树干不但支撑着树木本身的重量，而且还能抵抗风暴和地震的侵袭。这除了得益于其粗大的树干外，庞大根系的支持也是大树巍然屹立的重要原因。一些巨大的建筑物便模仿大树的形态来进行设计（见图1-45），把高楼大厦建立在牢固可靠的地基上[60]。(www.xing528.com)

图1-44　参天大树

图1-45　摩天大厦

鸟类和禽类的卵担负着传递基因、延续种族的重要任务，亿万年的进化使卵多呈球形或椭球形。这种形状的外壳既可使卵在相对较小的体形下有相对较大的内部空间，同时还可使卵能够抵抗外界的巨大压力。例如，人们用手握住一枚鸡蛋，即使用力捏握，也很难把蛋弄破。这是因为鸡蛋的拱形外壳与鸡蛋内瓤表面的弹性膜一起构成了预应力结构，这种结构在工程上有个专门的术语——薄壳结构[61]。自然界中的薄壳结构具有不同形状的弯曲表面，不仅外形美观，而且承压能力极强，因而始终是建筑师们悉心揣摩的对象。建筑师们模仿蛋壳设计出了许多精妙的薄壳结构，并将这些薄壳结构运用在许多大型建筑物中，取得了令人惊叹的效果（见图1-46）。

图1-46　具有薄壳结构外形的大型建筑物

（a）中国国家大剧院；（b）日本东京巨蛋

3.生物形态与运动机构

现代的各种人造交通工具，无论是天上飞的飞机，还是地面跑的汽车，或是水面行驶的轮船，对其运动场合和运行条件都有着一定要求。若运动场合或运行条件不合适，那么它们就无法正常工作。一辆在高速公路上捷如奔马的汽车，如果陷入泥泞之中则将寸步难行；一艘在汪洋大海中宛若游龙的轮船，如果驶入浅滩之中则将无法自拔；一架在万里长空中翻腾似鹰的飞机，如果没有跑道起飞则将趴在地面望空兴叹。但自然界中有许多生物，在长期的进化和生存过程中，其运动器官和身体形态都进化得特别合理，有着令人惊奇的运动能力。

昆虫是动物界中的跳跃能手，许多昆虫的跳跃方式十分奇特，跳跃本领也十分高强[62]。如果按相对于自身体长来考察的话，叩头虫（见图1-47）的跳跃本事在动物界中名列前茅。在无须助跑的情况下，其跳跃高度可达体长的几十倍。叩头虫之所以如此善跳，其奥秘就在于叩头虫的前胸和腹部之间的连接处具有相当发达的肌肉，特殊的关节构造能够让其前胸向身体背部方向摆动。由于叩头虫在受到惊吓或逃避天敌时会以假死来欺骗敌人，将脚往内缩而掉落到地面，此时就可以利用关节肌肉的收缩，以弹跳的方式迅速逃离现场。

昆虫界中的跳蚤（见图1-48）也是赫赫有名的善跳者。跳蚤身体虽然很小，但长有两条强壮的后腿，因而善于跳跃。跳蚤能跳20多厘米高，可以跳过其身长约350倍的距离，相当于一个人一步跳过一个足球场[63]。

如果在昆虫界中进行跑、跳、飞等多项竞赛，则全能冠军非蝗虫莫属（见图1-49）。蝗虫有着异常灵活、高度机动的运动能力，其身体最长的部分便是后腿，大约与身长相等。强壮的后腿使蝗虫随便一跃便能跳出其身长8倍的距离。

图1-47　叩头虫

图1-48　跳蚤

图1-49　蝗虫

非洲猎豹是动物界中的短跑冠军（见图1-50）[64]。成年猎豹躯干长1～1.5 m，尾长0.6～0.8 m，肩宽0.75 m，肩高0.7～0.9 m，体重50 kg左右。猎豹目光敏锐、四肢强健、动作迅猛。猎豹是地球陆地上跑得最快的动物，时速可达112 km，而且加速度也非常惊人，从起跑到最高速度仅需4 s。如果人类和猎豹进行短跑比赛的话，即便是以9.69 s的惊人成绩获得2008年北京奥运会男子田径比赛100 m冠军的牙买加世界飞人博尔特，猎豹也可以让他先跑60 m，然后奋起直追，而最后领先到达终点的仍是猎豹。猎豹为什么跑得这么快呢？这与其身体结构密切相关，猎豹的四肢很长，身体很瘦，脊椎骨十分柔软，容易弯曲，就像一根弹簧一样。猎豹高速跑动时，前、后肢都在用力，身体起伏有致，尾巴也能适时摆动起到平衡作用。

动物界中的跳跃能手还有非洲大草原上的汤普逊瞪羚（见图1-51）。汤普逊瞪羚是诸多瞪羚中最为出名的一种，它们身材娇小、体态优美、能跑善跳。汤普逊瞪羚对付强敌的办法就是“逃跑”。非洲草原上，其速度仅次于猎豹，而且纵身一跳就可以高达3 m、远至9 m。汤普逊瞪羚胆小而敏捷，一旦发现危险，就会撒开长腿急速奔跑，速度可达每小时90 km。当危险临近时，它们会将四条腿向下直伸，身体腾空高高跃起。这种腾跃动作，既可用来警告其他瞪羚危险临近，同时也能起到迷惑敌人的作用。

袋鼠（见图1-52）的跳跃能力也十分惊人。袋鼠属有袋目动物，目前世界上总共有150余种。所有袋鼠都有一个共同点：长着长脚的后腿强健有力[65]。袋鼠以跳代跑，最高可跳到6 m，最远可跳至13 m，可以说是跳得最高最远的哺乳动物。袋鼠在跳跃中用尾巴进行平衡，当它们缓慢走动时，尾巴则可作为第五条腿起支撑作用。

图1-50　猎豹

图1-51　瞪羚

图1-52　袋鼠

在浩瀚的沙漠或草原中，轮式驱动的汽车即使动力再强劲，有时也会行动蹒跚，进退两难。但羚羊和袋鼠却能在沙漠和草原上如履平地，它们依靠强劲的后肢跳跃前进。借鉴袋鼠、蝗虫等的跳跃机理，人们现在已经研制出新型跳跃机（见图1-53）和跳跃机器人（见图1-54）。虽然它们没有轮子，可是依靠节奏清晰、行动协调的跳跃运动，依然可以在起伏不平的田野、草原或沙漠地区自由通行。

图1-53　新型“跳跃机”

图1-54　仿蝗虫跳跃机器人

但是世界上还有许多地方，如茫茫雪原或沼泽，即使拥有强壮有力的腿脚，也是难以行进的。漫步在南极皑皑雪原上的绅士——企鹅，给人类以极大的启示。在遇到紧急情况时，企鹅会扑倒在地，把肚皮紧贴在雪面上，然后蹬动双脚，便能以每小时30 km的速度向前滑行（见图1-55）。这是因为经过两千多万年的进化，企鹅的运动器官已变得非常适宜于雪地运动。受企鹅的启发，人们已研制出一种新型雪地车（见图1-56），可在雪地与泥泞地带快速前进，速度可达每小时50 km。

图1-55　企鹅

图1-56　雪地车