浅谈交通工具设计中的仿生设计关键字：汽车造型设计 仿生设计 仿生摘 要：自古以来，自然界就是人类各种科学技术原理及重大发明的源泉。这些自然界的“优良设计”，有的机能完备，让人叹服;有的结构精巧，用材合理，符合自然的经济原则；也有的美不胜收，让人爱不释手；有的甚至是根据某种数理法则，形成合乎“以最少材料”构成“最大合理空间”的要求。这些生物形形色色的奇特本领耐人寻味，使人浮想连翩。我们在赞赏之余，也希望从中获取一些灵感，用仿生设计的方法设计出更多的优秀作品。本文将图文并茂的诠释汽车形态设计的仿生设计。从某种程度上来说，汽车就是一种人造动物，它不仅由马车进化而来，而且和动物一样，也有身体工作系统，比如它也有自己的 “心脏”、“大脑”和“四肢”，也有自己的生命和意志。本文将介绍在汽车的设计中，那些来源于动物的天才般的设计灵感。在这个即将开启的“动物世界”里，有我们孩提时代对汽车、对动物的种种渴望，也有我们现在对汽车发展、自然和谐的不懈梦想。1、 交通工具仿生设计历史悠久纵观整个交通工具设计的发展，可以说是仿生设计的发展史。早在16世纪，达芬奇模仿蝙蝠的构造构想，绘制了飞行器的设计草图，后经400余年的研制，美国的莱特兄弟终于借助前人的努力，圆了人类飞上蓝天的梦想。当代德国著名仿生学设计大师路易吉科拉尼（Luigi Colani）依据仿生学原理设计的交通工具，把仿生形态造型的设计提高到新的境界，形成独特的造型风格，至今不衰。早在20世纪50年代，他就为多家公司设计跑车和汽艇。他认为自己的灵感都来自于自然：“我的设计有强烈的仿生意味和变化意识。它们一直试图打破固有的理性，也许设计出来的作品，看起来很奇怪，但一定符合科学的原理。我是学空气动力学的，我设计的很多运输工具看似怪诞，但一定有着空气动力学的理论依据。比如我设计的地面交通工具，时速可以达到540公里/小时，但非常平稳，因为我在这个设计中，运用了一个仿生学的原理。它像一个颠倒的鸟的翅膀。在正常的状态下，达到一定速度之后，在空气动力的作用下，鸟就会起飞，离开地面，但如果反过来，将它放在一个完全颠倒的状态下，虽然达到了这个速度，它仍然很平稳地在地面上奔跑，因为空气动力的作用不断将它压向地面。我所做的无非是模仿自然界向我们揭示的种种真实。”如今， 仿生学成为指导与辅助交通工具设计的一个重要学科，仿生设计也逐渐成为重要的设计手段， 从形态到结构， 从材料到性能，设计师将自然翻译到交通工具设计的方方面面。图1图2图1,2为达芬奇模仿蝙蝠的身体结构绘制的飞行器草图及后人根据草图做出飞行器模型。图31953年科拉尼用塑料和玻璃纤维等轻量化材料设计制作的Simca汽车。 图41969年科拉尼以飞行生物为灵感设计出的外形怪诞的高速飞行器。 图51977年科拉尼为波音公司设计的飞机，借鉴巨齿鲨的形态，颠覆了传统的飞机外观。图61983年科拉尼设计的拥有四个飞翼的超音速飞机。图71989年科拉尼为法拉利设计的超速跑车，血盆大口的前脸设计已成经典图81999年科拉尼以毒蛇为灵感设计的一款汽车，冷酷的前脸配上两颗突出的“毒牙”，让“毒蛇”凶恶个性显露无疑。图92001年科拉尼为奔驰设计的卡车形似大型斯皮策天文望远镜。优化的流线型车身让这款卡车一路挑战油耗极限。2、仿生设计突破交通工具固有形态交通工具的造型是其设计的核心内容，形态也是设计师设计理念的载体。最初的仿生设计正是从产品外观入手。上至飞禽下至游鱼走兽，甚至自然的水流和树叶，都成为设计师的借鉴对象。芸芸众生的车河里，从法拉利F1的鲨鱼鳍状引擎盖到雷诺Nepta鸥翼式车门，从保时捷的青蛙前脸到宝马犀利的鹰眼车灯，仿生设计让人们轻易地记住了各大品牌的设计基因，无论局部造型还是整体外观，一样不落。（1）、甲壳虫的变身甲壳虫在汽车造型仿生设计上，与不带任何联想性质、以自然为素材的被造物相比，取得了重大突破。模仿甲虫的外壳曲面，连续而均衡的曲线传递出行云流水般的雅韵。此车一经推出，即成为当时最受欢迎的车型，优美的曲面，打破了块状、直线、平而呆板的形态，引领了当时德国汽车的时尚潮流，冲击了人们的视觉感官。 图10（2）、熊猫的憨厚熊猫不仅是中国的国宝，其憨厚的神态同样吸引了国际设计师的眼光。这款意大利设计专业学生设计的菲亚特Panda Splash概念车的大灯、格栅、后视镜生动地组成了一张熊猫的面孔。该车所配置的两个前车灯造型活灵活现，好像被赋予了灵魂一样。 图11（3）、热带鱼的灵巧小巧的F0车身玲珑细致，“JUST COOL”设计理念处处得以体现。仔细看F0的大灯，黑色的眼底是一双鼓鼓的释放暧昧的热带鱼眼睛，再配合类似微笑的嘴的进气格栅，开心、轻松与怡然自得的表情配合缤纷的色彩，让人不禁联想到一群快乐的热带鱼。 图12（4）、风的表情除了动态的生物是仿生设计的常客外，自然的气候也被设计师吸纳为灵感源泉。马自达Hakaze的开发过程中，设计人员对各种自然元素的运动形态展开深入的研究，最终确立以风吹动沙丘形成的风纹为核心的外观设计主题。车身侧面的风纹造型，生动地展现了马自达“Nagare(流动)”的设计主题。 图133、仿生设计优化交通工具结构和材料在大自然适者生存的淘汰规律指引下，生物身上大多“部件”都是经过趋优进化，它们在大自然环境下必须跑（飞）得更快、更高、有绝佳能耗输出比，有时候甚至要做出一定的伪装去迷惑对手。如此独特、优异的身体构造对于设计交通工具是极具指导意义的。于是，自然的密码不仅被设计师表现在交通工具的外在形态上，在一些看不出模仿哪个物种设计的产品结构和材料里同样融合了自然进化的精髓。（1）、奔驰仿生概念车奔驰在2005年发布的Bionic概念车车头形状模拟鱼类头骨的生理结构设计而成（鱼头骨的生理结构帮助鱼类克服了水中游动时遇到的大部分水流阻力），这种设计结构大大削弱了汽车在行驶过程中遇到的空气阻力。 图14 这款仿生车长4.24 米，能容纳4人和一些行李，而其风阻系数却仅为0.19，让其成为了全球迄今为止空气动力学效应做得最理想的车型之一。此外，设计者们还意识到，在自然界，体重较轻的动物能有效地避免被捕杀，而坚固的身体结构则能减少受伤。因此，在开发这款车的同时，轻量化车身增加车架的高强度这一原理也被应用进去。随着全球汽车厂商对于环保车型的倡导，奔驰也推出了多款环保车型，如应用仿生学设计的Synergy概念车，其主要受到了脊椎动物的启发而设计出来的。该车的车身结构构架与脊椎动物的脊椎十分相似，与燃料电池、轮毂、悬挂以及座椅控制等相互连接，两个氢燃料箱放置在该车车身构架的中心管上，中心管类似脊椎。（2）、ASF框架结构自然界中有很多高度复杂的中空结构，它们既能使重量保持最轻，又具有出色的韧性和强度，这些正是汽车生产需要的特性。奥迪ASF空间框架结构（Audi AirFrame）设计师海因里希蒂姆（Heinrich Timm）表示他的设计理念来源于各种各样动物的骨骼。如车身结构的顶柱类似鸟腿骨骼的结构，目的是保证框架强度并降低质量。经实验证实，车重每减少100公斤，油耗可减少0.3升/百公里。 图15（3）、大号毛毛虫的伸缩新外壳除了提高结构强度，软体动物的柔韧性也是交通工具设计借鉴的对象。卡玛斯大卡车（KAMAZ Delivery）公司的伸缩卡车（Flex Futurum） 概念车型，是他们设计的2040年马路上的卡车模样。设计师埃林娜波特罗娃（Elena Petrova）和康斯坦丁费德罗（KonstantinFedoroc）的灵感也确实是来自大自然中的毛毛虫。不仅仅是外观简单的模仿，采用了仿生学设计后这辆车也能像毛毛虫那样进行伸缩，这辆车的长度可以根据实际需要在7.5米到20米之间自由变化，这样就减少了能量的浪费，提高在狭小空间的通过性。 图16 能够自由变化长度得益于其采用了发泡金属的新型材料。它强度密度比极佳，轻便耐用，同时还能够吸收冲击能量，并可以恢复原状。在自然中，猫头鹰和大象的头部都是最具能量吸收性的例子。如大象可以轻松移动超过它头部重量数倍的物体。设计师巧妙地将这一特性移植到材料生物学上，研发出十分适合制作交通工具的发泡金属。（4）、与皮肤相近的“布”艺车身是否想过车的外壳可以如人的皮肤一般拥有强大的弹性，可以适度弯曲褶皱，然后回复平滑？宝马汽车的设计师们一直试想给汽车的钢筋铁骨穿上柔韧灵活的外衣，GINA概念车帮他们实现了梦想。GINA 的外表皮是一层布，蒙在可控制活动的框架上，这样不仅可以控制车的各个活动部位，比如车门、前大灯，同时也可以改变整个汽车的外形。这些活动框架靠电子液压来控制，如皮肤一般有弹性的表皮材料是聚亚氨酯涂层莱卡，并在相接处做到无缝。这部概念车无论在工程和还是艺术层面上都将仿生学发挥到了极致。宝马的设计师一致认为GINA外壳所探索的柔性曲面可能开启汽车设计新纪元。 图17（5）、拥有自我修复功能的车漆自然的力量是无穷的，就连一个小小的树脂分子也存在着大学问。英菲尼迪（Infiniti）的设计师根据树脂能在加热时软化，并迅速成型，再次加热后还可反复成型的特性，研发了一种能自我修复刮痕的烤漆，并应用到全新的FX、EX、G系列车型上。当汽车的车漆受外力刮损时，只需以滚烫的热水淋于漆面上，被刮伤的漆面会自动恢复成原先的亮度，仿佛像生物体一样具备伤口愈合能力。 图184、仿生设计助力交通工具功能性软件开发随着仿生学研究的深入，交通工具的仿生设计已经不仅仅停留在产品的形态和结构等硬件方面，产品性能软件方面的研发也有意识地向自然界寻求灵感。生物的个体和群体的动态成为新一轮的仿生研究热点。未来，仿生学会逐步渗入交通工具的灵魂中。（1）、动物行走与驾驶行为动物的蹲、走、跑的形态各异，每个姿态的视觉高度也不一样。仿生概念车的设计师从中得到启发，希望通过不同的车速来自动调节驾驶员的视觉高度。在慢速行驶时驾驶员视角最高，开在城市中可以方便驾驶者看街边的风景；正常速度下是以标准的坐姿来驾驶；高速行驶时侧重心最低，让驾驶者领略速度的激情。这样的一个自动调整行为可以令驾驶员获得更好的驾驶乐趣，可以提高人车之间的协调性。 图19（2）、动物群与智能导航小鱼成群游动，是我们在鱼缸里经常能看到的景象，但仔细观察会发现鱼群可以在前行时绕开障碍物的同时避免互相碰撞。日产汽车根据这一特点做出鱼群概念车EPORO，由6个小机器人车组成，能够在车流中穿梭自如。它们通过本能导航、智能探测和规避障碍物，能够穿越复杂地带。在EPORO开发过程中，鱼类“避免碰撞”、“同排移动”和“靠近同伴”三种行为规则被应用于驾驶操控上。鱼类主要基于侧视线和视觉辨识周围环境，并在三种行为规则约束下组成群体。而激光测距仪和超宽带无线电波技术分别实现了EPORO的侧视线和视觉功能。以安全著称的沃尔沃汽车也根据与鱼群效应类似的蝗虫群效应，发布了“城市安全”系统。这个应用于交通工具上的防撞系统，通过挡风玻璃 图20