基于生态美学的产品形态仿生设计与评价研究.pdf

48设计艺术研究DESIGNRESEARCHVol.13No.42023基于生态美学的产品形态仿生设计与评价研究Research on Bionic Design and Evaluation of Product Form basedon Ecological Aesthetics许永生 XU Yongsheng王伟WANG Wei 张润芝 ZHANG Runzhi 付沙 FU Sha西南交通大学，四川成都6 117 56（Southwest Jiaotong University，6 117 56 Ch e n g d u Si c h u a n）摘要：为了解决生态美学在产品形态仿生设计中的准确应用与评价方法，提出符合人与自然和谐的产品仿生设计理论与实践原则，建立生态审美原则下产品形态仿生设计方法与美学评价体系。首先对生态美学进行概述，提出基于生态美学思想的产品形态仿生设计的审美观及四项基本设计原则，其次用该原则指导构建仿生产品设计评价指标模型，采用专家咨询法确定层级中各设计指标的权重数值，以雪地摩托车为例，结合设计指标要素提出改进点，最后根据评价指标要素对方案进行模糊综合评价，得到方案的综合评价分数判断可行性。通过设计案例验证该方法的有效性，提升仿生产品的生态性与美学性，为产品形态仿生设计提供参考。关键词：产品设计；产品形态仿生：生态美学；设计评价；模糊层次分析法Abstract:In order to accurately apply ecological aesthetics in bionic design and evaluate its effectiveness,this study proposes a theory and practiceprinciple for bionic design that conforms to the harmony between humans and nature.The study establishes a method and aesthetic evaluation system forbionic design of product form based on ecological aesthetics,incorporating the concepts into the design process.The study uses the PR-Kano model toanalyze the degree of demand membership,and combines regression analysis to calculate the impact of different demand attributes on satisfaction.Thestudy aims to enhance the ecological and aesthetic aspects of bionic products and provide constructive suggestions for the development of bionic designin productform.Key words:product design;Bionic design;Ecological aesthetics;design evaluation;fuzzy analytic hierarchy process中图分类号：J5文献标识码：Adoi:10.3963/j.issn.2095-0705.2023.04.011中图分类号：J5文献标识码：Adoi：10.3 9 6 3/j.i s s n.2 0 9 5-0 7 0 5.2 0 2 3.0 4.0 11一、引言产品仿生设计涉及生物学、美学等多个研究领域，是将仿生学和工业设计相结合的交叉学科。产品形态仿生以形态主导设计 2 ，目前，产品形态仿生设计的相关研究已在国内外取得长足发展。张有为、孙虎提出一种自下而上的设计程序，进行高耦合度的蝠仿生溢油回收装置设计 3 ；余香怡、收稿日期：2 0 2 3-0 2-13*基金项目：四川省社会科学重点研究基地美学与美育研究中心项目（2 0 Y021）。作者简介：许永生（19 7 5一），男，西南交通大学副教授，研究方向为仿生设计、交通装备与人因设计；王伟（19 9 8 一），女，西南交通大学硕士研究生，研究方向为交通装备与人因设计；张润芝（19 9 5一），女，西南交通大学硕士研究生，研究方向为交通装备设计；付沙（19 9 8 一），女，西南交通大学硕士研究生，研究方向为人因工程和文化应用。49Vol.13No.42023DESIGNRESEARCH设计艺术研究彭金美、田康等在遵循生物形态仿生设计体系的原则下，以舟形藻为例进行家具设计；沈海军、余翼参照仿生飞行器气动参数等技术，对形态仿生飞行器的未来趋势进行归纳 5。综上，较多研究从外形仿生、功能仿生、结构仿生等角度进行产品仿生设计。以生态美学（EcologicalAesthetics）为理论基础，探讨产品形态仿生设计中的生态学因素与美学属性，提供符合人与自然和谐发展的产品仿生设计理论与实践原则，聚焦生态审美原则下产品形态仿生产品的设计方法的探讨与产品生态美学评价体系的建立。二、生态美学与产品形态仿生设计1.生态美学概述生态美学形成于2 0 世纪初，产生的文化背景是人类中心主义的危机与后现代文化的兴起。国外学者约瑟夫米克（JosephW.Meeker）在走向生态美学（T o w a r d s e c o l o g i c a l a e s t h e t i c s）中，引人生态学的概念改造传统美学。国内对生态美学的最早研究，是李欣复的论生态美学。首届全国生态美学研讨会中，曾繁仁在生态美学：后现代语境下的崭新的生态存在论美学观中，提出生态美学的研究思路与关键词 6 ；程相占在生态美学的中国话语中，提出不同于西方美学的4个关键词7。生态美学的理论聚焦人与自然、社会及自身的生态性与美学性 8，广义上是基于新时代人们的高阶审美需求，狭义上是构建人与自然和谐的审美关系。它强调产品是一种人与产品和谐共生的存在，满足人们对环保审美双重心理需求9。2.基于生态美学的产品形态仿生设计审美首先，生态美学强调和谐性与关联性，认为事物之间相互联系、相互包容，应充分考虑产品与仿生原型、自然环境及人文社会之间的和谐互联的特性 9 。其次，各个部分或因素之间存在某种共性，即同一性、近似性(8。依靠色彩等因素，将生态美学通过形态仿生进行可视化表达，相互融合才能体现协调之美。最后，形态是传达信息的第一要素。坚持生态美学的大众化、多样化、个性化原则，达到产品、环境、人之间的情感协调9，体现情感之美。同时，将以上几者结合可以体现以和为贵、以善为美的“善文化”，它潜移默化引导用户了解并接受生态美学思想，推动生态文明建设的持续发展。综上所述，形态仿生符合生态美学的关联互通美、协调之美、情感之美、和善之美。3.产品形态仿生设计原则生态美学理论的核心，是通过考虑人、自然、社会三者的和谐关系达到可持续发展的状态。由此，衍生出以下问题：在人文生态上的缺失，即视觉设计要素不符合现代产品设计法则；在自然生态上的虚美，即缺乏考虑产品生命周期是否可循环；在社会生态上的无序，即缺乏文化元素等。因此，将人、自然、社会三者纳人考虑范围，提出4个基本设计原则（1）生态属性原则从自然界获取设计灵感与外形借鉴，充分考虑形态仿生的合理性。（2）环境意识原则除了制造过程的绿色环保性，仿生原型也是天然环保的生物原型（3）审美价值原则考虑人对生态美的感知，遵循形式美法则，设计符合人审美的产品（4）文化底蕴原则应凸显地域性、文化性、内涵性，提高地域文化、城市精神的公众认知度。三、基于生态美学的产品仿生设计评价构建产品形态仿生设计的生态美学评价模型，首先，分析设计中的生态美学要素及确认设计评价指标。其次，建立指标体系。随后，结合仿生形态目标提出设计方案。最后，对设计方案进行后期评价。具体设计评价流程如下（见图1）。前期分析建立指标体系设计方案后期评价分析设计中的生态美学要素确立仿生设计的评价指标构建生态美学评价指标模型建立设计指标模糊判断矩阵建立各设计评价要素的权重确定仿生形态设计目标案例分析与方案设计产品方案满意度调研设计方案模糊综合评价图1设计评价流程1/51/5A105A951/3A8A10A9A8X3审美价值下的子准则层指标判断矩阵50设计艺术研究DESIGNRESEARCHVol.13No.420231.产品形态仿生设计要素分析根据上文提出的4个基本设计原则，结合仿生产品与人、自然、社会三者之间的关系，归纳总结设计要素。从生态属性原则出发，设计原型来自自然界的生物与非生物，应考虑本身特性，包括形态与原型的关联性、功能仿生是否提高效率、选取材料是否符合绿色理念、色彩仿生是否提高形式美。从环境意识原则角度，考虑产品整个生命周期内对人和环境的无害性，减少浪费，包括生产成本大小控制。从审美价值原则考虑，人是产品设计的审美主体，包括色彩对比是否符合视觉美感、形态构成比例是否带来协调美感，以及能否联想意象载体。从文化底蕴原则出发，地域文化指在某个固定地域范围内，历经长期发展积累形成的社会风情等文化元素的集合。因此，设计时要考虑是否形态上凸显地域特色、涂装上是否彰显城市文化精神、材料是否符合绿色可持续理念2.构建设计评价指标模型层次分析法是将定量与定性的分析方法结合，用于研究复杂方案中的决策问题的分析方法 10 ，其中，层次分析用于确定评价指标模型中各指标的权重值；模糊法用于评定模糊判断指标。根据产品形态仿生设计的要素分析，构建设计评价指标模型，由上到下依次为目标层、准则层、子准则层具体层次结构模型如下（见图2）。仿生产品的层次结构模型X生态属性X,环境意识X，审美价值X4文化底蕴功能的关联性人功能的平衡性材料的环保性A色彩的美观性人财力：生产成本A物力：部件可回收人力：产品易用性色彩的对比外形的比例能否联想意象载体外形上占显地域特色徐装上表现精神文化加材料符合绿色可持续图2仿生产品的层次结构模型?3.建立判断矩阵为得到各层级评价指标中各要素的权重值，采用19标度法分别将各层级要素进行两两比较构建出判断矩阵。分别对准则层的评价指标及其下分的子准则层的评价指标进行重要性程度排序，赋予指标对应数值，并将数值标记为A，（i，j=1，2，n），用于表示因素i与因素i相对于目标层的指标的重要性程度。仿生产品作为设计评价目标，邀请设计专家对产品进行同级指标评分，采用问卷的方式进行打分。根据专家对仿生产品的生态美学评价值建立模糊判断矩阵，准则层评价指标及各子准则层评价指标的判断矩阵具体如下（见表1）。表1判断矩阵准则层指标的判断矩阵XX1X2X3X4X1111/35X21155X331/511X41/51/511生态属性下的子准则层指标判断矩阵X1A1A2A3A4A1151/35A21/5135A331/313A41/51/51/31环境意识下的子准则层指标判断矩阵X2A5A6A7A511/31/5A6315A751/51文化底蕴下的子准则层指标判断矩阵X4A11A12A13A1111/31/5A12311A13511根据模糊判断矩阵中的数值，分别进行各层级指标权重向量的求解。采用几何平均法进行求解权重向量，具体计算步骤如下计算模糊矩阵每一行元素的乘积Mi：nM,=Ila,(i=1,2,.n)(1)j-1求模糊判断矩阵的各元素的几何平均值Wi：W,=M,(2)51Vol.13No.42023DESIGNRESEARCH设计艺术研究进行归一化处理得到相对权重值Wi为：WW(3)4.模型层级的权重值计算根据判断矩阵中的数值求得各层级指标权重值，具体情况如下（见表2）。表2 产品仿生设计的各层级指标的权重值目标产品准则层权重值子准则层权重值形态的关联性A10.1653功能的有效性A20.3696生态属性0.2688材料的环保性A30.3696色彩的美观性A40.0954生产成本A50.2549形态环境意识0.3055部件可回收A60.5302产品易用性A70.2150产品色彩的对比感A80.3847审美价值0.1202外形的比例感A90.4910意象的联想感A100.1243形态凸显地域特色A110.1902文化底蕴0.3055涂装表现精神文化A120.3705材料符合绿色可持续A130.4393将表2 内各层级指标的权重数值分别记为权重向量W,Ws:准则层：W,=（0.2 6 8 8，0.3 0 55，0.12 0 2，0.3 0 55）生态属性层：Wz=（0.16 53，0.3 6 9 6，0.3 6 9 6，0.0954)环境意识层：W;=（0.2 549，0.53 0 2，0.2 150）审美价值层：W=（0.3 8 47，0.49 10，0.12 43）文化底蕴层：W,=（0.19 0 2，0.3 7 0 5，0.43 9 3）由此可知，在产品形态仿生设计中，环境意识与文化底蕴同等重要，生态属性为次要指标，最后考虑审美价值。环境意识指标中，关注部件是否可回收；文化底蕴中材料的绿色可持续因素占权重最高；生态属性指标中，功能是否有效与材料是否环保两个因素同等重要；审美价值指标中，重点关注外形的结构比例是否匀称，色彩对比是否符合人的视觉审美。因此，要着重考虑产品部件是否可回收利用，同时考虑文化因素及材料选择是否绿色可持续，以提高仿生产品的生态属性和用户的审美体验四、案例分析1.设计方案流程采用自下而上的仿生设计程序，即从设计目标物到生物原型的方式进行设计方案流程图的构建。具体设计方案流程如下（见图3）。理论基础目标产品仿生原型方案构思综合评价产品外形确定设计目标收集生物样本收集生物形象选取方案仿生设计列出设计需求模糊综合提取生物特征形态仿生评价肌理仿生分析设计目标生态属性环境意识审美价值文化底蕴特征量级排序不合理意象仿生合色彩仿生设计方案结构仿生提取典型特征改进设计功能仿生样本筛选量化模糊评价形态仿生产品语义匹配确定仿生原型确定初步方案确定最终方案第一阶段第二阶段第三阶段第四阶段第五阶段图3设计方案流程52设计艺术研究DESIGNRESEARCHVol.13No.42023理论基础：以生态美学为理论基础，探讨生态学因素与美学属性。目标产品：确定产品仿生目标并分析，提取产品语义与生物意象匹配仿生原型：收集大量生物样本，根据需求进行筛选，最终确定产品仿生原型方案构思：对确定的仿生原型进行特征提取优化，并选择合适要素进行设计，再对不同设计方案进行模糊评价以得到初步设计方案综合评价：对方案进行问卷调查，采用模糊综合评价方法进行验证，合理则确定最终方案，不合理则根据问题点进行重新设计2.形态仿生样本采集与提取采用雪豹作为形态仿生目标，提取多个雪豹在奔跑过程中的动态形态以及自身眼睛等多处特征，将其转化为雪地摩托车车身及零部件线条（见图4）。图4雪豹样本采集23.产品方案设计基于表2 可知，设计初期重点考虑生态属性、环境意识和文化底蕴各层级指标。从生态属性层级指标上，考虑功能仿生是否提高工作效率，提取多个雪豹奔跑过程中的动态外形轮廓线条，并将运动中的形态转化为车头与车身线条，最终结合视觉美感与车身流线感，将雪豹奔跑这一功能结构中最符合车体特征的一种形态进行仿生设计，同时结合雪豹的眼睛作为主要特征。根据环境意识层级指标，考虑车体部件材料的环保性，采用轻量化材料，轮胎采用模块化设计，胎冠由类蜂窝槽的模块组成，起到减震防滑作用，局部模块受损时可回收替换，胎肩设计成齿状，能有效增强轮胎在恶劣行驶环境中的防爆性能考虑文化底蕴层级指标时，材料选择要符合可持续观念，车架部分应用高轻度、轻量化的纳米材料，前后车轮应用纳米橡胶，增强轮胎的抗老化能力，另外在尾气排放装置中应用催化材料，消除尾气排放的有害气体。最后，考虑审美价值层级指标时，将转向机构隐藏于车架总成中，延长车架总体比例，既保证车架结构的稳定性又增加流线感，车身涂装由靛青、银灰、深灰三色构成，主体采用大面积灰色，靛青色提取雪豹眼睛颜色，用于车轮组件、把手等处起到点缀作用，设计草图及方案效果图如下（见图5）。图5设计草图及方案效果图4.产品设计方案评价与分析对产品设计方案利用模糊综合评价法进行评估对户外雪地摩托车设计方案建立评语集，E=1满意，一般，不满意，对应的分值等级分别为10 0、50、0，采用问卷调查的方式对方案进行评分，共3 0 位，主要为工业设计行业相关人士，根据评分结果建立评价结构模型中子准则层中各设计指标对应的模糊评价矩阵R，具体评分数据统计情况如下（见表3）。表3设计方案满意度评分数据结果子准则层指标（单位：票）准则层子准则层满意一般不满意形态的关联性21（7 0.0 0%)8(2 6.6 7%）1（3.3 3%)功能的有效性14（46.6 7%）13(43.3 3%）3(10.0 0%)生态属性材料的环保性24（8 0.0 0%）4(13.3 3%）22(6.67%)色彩的美观性22（7 3.3 3%)6(2 0.0 0%）2(6.67%)生产成本19（6 3.3 3%）10(3 3.3 3%）1（3.3 3%）环境意识部件可回收16(53.33%）12(40.00%2(6.67%)产品易用性26（8 6.6 7%）4(13.3 3%）0(0.00%)色彩的对比感23(76.67%)5(16.67%)2.(6.67%)审美价值外形的比例感21（7 0.0 0%)9(3 0.0 0%）0(0.00%)意象的联想感20（6 6.6 7%）7(2 3.3 3%）3(10.00%)形态凸显地域特色17(56.67%)11(36.67%)2（6.6 7%)文化底蕴涂装表现文化内涵15（50.0 0%）14（46.6 7%1（3.3 3%）1材料符合绿色可持续25（8 3.3 3%）4(13.3 3%）1（3.3 3%）055X4孙玉萍）责任编辑53Vol.13No.42023DESIGNRESEARCH设计艺术研究首先，将计算出的各层级指标的权重向量W与对应的模糊评价矩阵R进行计算，得到综合评价向量，并将综合向量记为B。其次，将该综合评价向量B与其对应的评价分值进行加权计算得到最终结果根据满意度的评分统计结果，建立评价结构模型中的各子准则层的模糊评价矩阵，其中生态属性层的模糊评价矩阵为Rx1：0.7,0.27,0.030.47,0.43,0.1RxI0.8,0.13,0.070.73,0.2,0.07同理可得环境意识Rx2、审美价值Rx3、文化底蕴Rx4的模糊评价矩阵将表2 中各子准则层的权重向量与所对应的模糊评价矩阵进行综合评价计算，如根据生态属性的权重向量：W2=(0.1653，0.3 6 9 6，0.3 6 9 6,0.0 9 54)得到雪地摩托车设计方案的生态属性指标的评价向量为：Bxi=W,*Rx1=(0.6551,0.2705,0.0747)同理得环境意识Bx2、审美价值Bx3、文化底蕴B的评价向量为：Bx2=W,*Rx2=(0.6287,0.3242,0.0451)Bx3=W*Rx3=(0.7232,0.2413,0.0394)Bx4=W,*Rx4=(0.6582,0.3015,0.0506)再根据准则层的评价向量W,=（0.2 6 8 8，0.30.1202，0.3 0 55）建立方案的综合评价向量B：B=W,*R=(0.6550,0.2928,0.0540)最后，将综合评价向量B与评价分值进行加权计算，得到户外雪地摩托车设计方案的总体得分为80.14。结果表明，此次方案很大程度上体现了生态性与美学性。由表3 可知，第一层级中满意度最高为环境意识，最低为文化底蕴，其中凸显地域文化特色的不满意度相较较高，因此方案应进一步考虑将地域文化融人产品形态与涂装。五、结语基于生态美学思想提出基本原则，借助层次分析法从4个方面建立设计评价指标模型，并根据设计改进点进行设计。结合模糊综合评价法进行评价，分析设计方案的科学有效性与需要优化的指标，为提高仿生产品的生态属性与美学价值提供依据，从而设计出满足用户生态性与美学性要求的设计方案。但在评价阶段采用问卷的方式，评分结果具有人为主观性，因此后续会对评价方式作进一步优化，以得到更具科学性的结果。注释图1至图3、图5、表1至表3 来源：作者自绘图4来源：https:/ J.机械工程学报，2 0 18，54（2 1）：13 8-155.2许永生.产品形态设计仿生学 M.北京：中国建筑工业出版社，2 0 19：1-128.3张有为，孙虎.基于形态仿生的海上溢油回收装置设计与评估 J.图学学报，2 0 2 2，43（5）：9 2 7-9 3 5.4余香怡，彭金美，田康，等.基于硅藻生物形态仿生的实验性家具设计研究 J.家具与室内装饰，2 0 2 2，2 9（3）：2 8-3 1.5沈海军，余翼.形态仿生飞行器研制进展及关键技术 J.航空工程进展，2 0 2 1，12(3)：9-19.6曾繁仁.生态美学：后现代语境下崭新的生态存在论美学观 J.陕西师范大学学报（哲学社会科学版），2 0 0 2（3）：5-16.7程相占.生态美学的中国话语 J.江苏行政学院学报，2 0 16（3)：3 5-40.8曾繁仁.论我国新时期生态美学的产生与发展 J.陕西师范大学学报（哲学社会科学版），2 0 0 9，3 8（2）：7 1-7 8.9李俭.生态设计理念在现代设计中的运用 J.南京艺术学院学报（美术与设计版），2 0 14(1)：157-159.10王雅婷.基于层次分析法的社区医疗服务APP设计 J.设计艺术研究，2022，12(1):13 7-143.