在變化中提取設計元素—動物仿生設計的探索與實踐

夏寸草，瑞貝卡·威爾茲

（1.上海視覺藝術學院，上海 201620；2. 美國普瑞特藝術學院，紐約112051）

產(chǎn)品形態(tài)設計，是產(chǎn)品設計專業(yè)的一門必修類基礎課程。它在整體教學過程中，屬于前期發(fā)散性思維的教學環(huán)節(jié)。一個優(yōu)秀的產(chǎn)品形態(tài)，不是突然形成的。獲得一個優(yōu)美的形態(tài)有諸多方法，其中最重要的一種方法即為仿生的設計方法。這種設計方法，需要學生對萬事萬物的形態(tài)有所了解，通過感知世間的各種形態(tài)，提煉并再創(chuàng)新形態(tài)，并使用到將要設計的產(chǎn)品中去[1]。2019年2月，上海視覺藝術學院與美國普瑞特大學共同舉辦了為期2周的“從動物的運動到形態(tài)”國際工作坊。它提供了在產(chǎn)品設計形態(tài)上的新的教學體驗和實踐方式，通過研究動物的運動狀態(tài)，將動物的運動狀態(tài)提煉成形態(tài)，再用模型的方式將這種運動狀態(tài)表現(xiàn)出來，旨在增強設計的靈活性，開發(fā)新的觀察、解決問題和工作方式，通過動物的運動方式，研究與工業(yè)設計相關的概念，打破通常的思維模式，從廣泛的概念出發(fā)，再一步一步逐步推進過程中，實現(xiàn)作品的完成。

一、動物運動仿生設計的設計方法

（一）動物運動仿生設計的理論基礎

仿生學（Bionics）是一門既古老又年輕的學科，它研究生物體的結(jié)構(gòu)與功能工作的原理，并根據(jù)這些原理發(fā)明出新的設備、工具和科技，創(chuàng)造出適用于生產(chǎn)，學習和生活的先進技術，某些生物具有的功能比任何人工制造的機械都優(yōu)越得多，仿生學就是要在工程上實現(xiàn)并有效地應用生物功能的一門學科[2]。仿生設計學（Design Bionics）亦可稱之為設計仿生學，它是在仿生學和設計學的基礎上發(fā)展起來的一門新興邊緣學科，一方面具有仿生的概念，另一方面其原理又構(gòu)成了設計學的基礎。通過對生物系統(tǒng)某些原理的實驗，依據(jù)仿生設計學的原理，設計新的產(chǎn)品形態(tài)。其研究領域有形態(tài)仿生、色彩仿生、肌理仿生、功能仿生、結(jié)構(gòu)仿生、環(huán)境仿生等各方面[3][4]。

動物仿生設計，是基于仿生設計學為理論基礎的一種設計方法。它以動物為核心，通過研究動物的形態(tài)、運動等方式來創(chuàng)造產(chǎn)品設計的形態(tài)[5]。整體來說，可以從靜態(tài)和動態(tài)兩種方式來進行仿生設計。靜態(tài)的仿生，主要為觀察動物的形態(tài)，通過提煉動物的形態(tài)來產(chǎn)生產(chǎn)品的形態(tài)；而動態(tài)的仿生，主要為動物運動的仿生，并非提煉動物的外形，只關注動物的動態(tài)[6]。

（二）動物運動仿生設計的設計原則

動物運動的仿生設計，關注于動物的運動，即如何將運動可視化的方式，最終實現(xiàn)一種簡單的仿生運動，最終的結(jié)果可以表現(xiàn)為“用你的手可以非常簡單地移動物體的方式”。對設計師來說，這種設計方法不是在模仿自然的形態(tài)，而是從動物身上獲得靈感和方向，并形成設計師自己的形態(tài)。該課題研究的是動物世界中發(fā)生的一個過程，這個過程涉及到微妙的運動，以及從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換[7]。例如，一只開閉的眼睛；變色龍變色；一條從一個地方滑到另一個地方的蛇；海參在海底受到威脅時，把自己翻出來的防御機制；河豚魚會自爆，當它處于危險中時，它的刺就會突出；剪葉蟻是一種微小的昆蟲，它在一片葉子上鉆一個洞，然后落到下面的葉子上，用剛切下的一塊圓片蓋住自己等[8]。

這種設計方法的目標主要有以下幾點：

1) 開發(fā)一種將運動從自然轉(zhuǎn)化為設計對象的方法。

2) 設計師往往非常明確知道自己的目標是什么，而這種方式讓你暫停知道你所做的目標是什么。

3) 制造一種從一種狀態(tài)移動到另一種狀態(tài)的形式，即一種過程。

4) 使用最適合的形狀材料進行手工制作，考慮到線條、平面、體積、顏色、紋理的主要設計元素。盡量不要使用CNC加工成型或3D打印，如果有必要的話，可以使用激光切割。

5) 所選擇的材料和工藝盡可能是環(huán)保的，同時也是可持續(xù)性的。

6) 注意事物之間的聯(lián)系，設計的某些節(jié)點也許可以改變整個設計。

7) 接受新的思維方法論，接受一種新的解決設計問題的方法，需要超越當前的問題，進行全局的思考，并在意想不到的地方尋找答案。此時，先入為主的觀念被驅(qū)散了，問題的解決方案也許出乎意料。這是一種新的工作方式，可以使用你的整個生命周期，而不僅僅是與設計有關[9]。

8) 培養(yǎng)一種思維敏捷性，使設計思維可以從任何地方得到。

9) 增強這種靈活性，開發(fā)新的觀察、解決問題和工作方式。

10) 挑戰(zhàn)我們習慣的邏輯、垂直思維，用批判性思維取代傳統(tǒng)思維。

11) 研究與工業(yè)設計相關的概念，打破通常的思維模式。

12) 從廣泛的概念出發(fā)，接受這樣一個事實：即你可能不知道被設計對象的功能，直到它們部分完成或完全完成。

13) 盡情的玩、享受、實驗，頭腦風暴和伸展極限。

二、教學實踐

（一）工作坊介紹

美國普瑞特藝術學院成立于1887年，是一所極具特色的藝術類院校。作為美國著名的藝術類院校之一，其建筑設計系、工業(yè)設計系等享譽美國。在2015年的QS世界大學排行名中，藝術與設計類專業(yè)排名全球第五，北美地區(qū)第四。

2019 年2 月25日至3 月8日的這次工作坊課程，由美國Rebecca Welz教授和產(chǎn)品設計專業(yè)夏寸草副教授聯(lián)合教授。2017級產(chǎn)品專業(yè)31名學生參加了此次工作坊，最終產(chǎn)生了15組優(yōu)秀的作品。Rebecca Welz教授目前是一位雕塑家，她就職于普瑞特藝術學院的基礎教育部和工業(yè)設計學院，教授本科生和研究生。她擅長可持續(xù)性和仿生學的研究，關注地球上的人、自然之間的關系，同時也在作品中融入了對自然界中生物和過程的多年研究和觀察。

（二）教學方法

1.教學內(nèi)容

此次教學課題主要考察和研究一個發(fā)生在動物世界中的過程。通過對這種動物狀態(tài)變化的細微觀察，將這種動物的變化過程用設計的語言來表達出來，最終通過模型的方式將運動的方式呈現(xiàn)。在設計前期，不但沒有設計的終點，反而是弱化設計的終點。不明確地告訴自己最終想要什么東西，而是從自然界中提取靈感，一步一步進行推論和演繹，最終產(chǎn)生出一個奇妙的設計節(jié)點。這個設計節(jié)點可能會將在今后的設計中使用，而在這個階段，沒有人知道它是什么，它該怎么使用，我們只認為它是設計中的一個階段和一個步驟，但是這個設計方法可以給我們帶來更多的思考和靈感。

2.教學步驟

“從動物的運動到形態(tài)”的課題，首先通過簡明生動的語言向?qū)W生們傳授知識，其次安排學生以小組為單位各抒己見，考察和研究一個發(fā)生在動物世界中的過程，最終用材料體現(xiàn)運動形態(tài)。整體教學步驟要求打破通常的思維模式，讓同學們從廣泛的概念出發(fā)，再一步一步推進過程中實現(xiàn)作品的完成。

這個研究過程主要分為四步：

第一步，在字典里查“動物”，了解什么是動物?？梢宰疃噙x擇三種你感興趣的動物和過程，在線查找顯示該動物運動過程的視頻，研究你發(fā)現(xiàn)的視頻中的動作，從而提取出你最感興趣的動作。從一個動物中選擇一個動作，然后選擇一個可以與全班分享的視頻。這將是項目的主要靈感（圖1）。

第二步，選擇其中一種動物的運動，分離出感興趣的過程，并畫出它所采用的形式，可以畫出它運動的三個或三個以上的階段。例如，如果你選擇的主體為一種動物的一個眼睛的打開和關閉，你可以將一個眼睛畫成打開的樣子，一個眼睛半開的樣子，第三個眼睛關閉的樣子。你可以將它視作攝影的變焦拍攝，繪制整個動物，并放大到一個特定的區(qū)域；再或者，你可能希望通過三或四個步驟從現(xiàn)實圖像中抽象出來，直到有一個簡化的圖解（圖2）。

第三步，從準備工作中，根據(jù)研究的過程創(chuàng)建一個流程圖（圖3）。這種形式將只作為一種運動發(fā)揮作用，從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，不是作為產(chǎn)品來設計。最終可以表現(xiàn)為制造一個可以用手移動的物體，把它從一種狀態(tài)改變到另一種狀態(tài)，例如我們可以展開和收縮，從里到外，沿著軌道抽拉等。

第四步，進行草模和最終模型的試驗。草?？梢赃x擇手邊任意的材料，比如易拉罐、廢棄的報紙，任何可持續(xù)的材料都可以使用（圖4）。在草模完成的基礎上，進行最終模型的制作（圖5）①作品作者：2017級產(chǎn)品設計專業(yè)姜穎穎、戴智俊、魯浩天。。

圖1 第一步：“動物"的搜索（以長腕和尚蟹為例）

圖2 第二步：用草圖將動物的動作抽離成幾個步驟（以長腕和尚蟹為例）

圖3 第三步：用流程圖來分析動物的動作（以長腕和尚蟹為例）

圖4 第四步：草模模擬動物的動作（以長腕和尚蟹為例）

圖5 最終模型（以長腕和尚蟹為例）

三、教學成果案例

（一）長頸鹿的運動形態(tài)提取

該作品以長頸鹿的劈叉、低頭、喝水的動作為靈感，為了使其能夠穩(wěn)定地站立，作者用粗木棍與寬木條做了一組裝置，運用各種連接方式與連接材料，實現(xiàn)了它“劈叉”與“低頭”的動作，脖子部分中間鏤空成一條長軌道，目的是為了使小球更容易滑落。長頸鹿下咽食物的動作也非常有趣，作者選擇了與長頸鹿本身相符的透明橘色發(fā)光塑料紙與泡沫板制作了彈球裝置。用風車模仿它的咀嚼，用軌道模仿它長長的脖子，用彈簧模仿它的胃部。為了使裝置更方便，作者還增加了可以旋轉(zhuǎn)的頂蓋，防止小球蹦出并且更方便的取出小球。該作品非常優(yōu)秀地將長頸鹿捕食的狀態(tài)用物理的方式展現(xiàn)出來，并且在模型制作上下了大工夫，生動而又形象（圖6—圖9）②作品作者：2017級產(chǎn)品設計專業(yè)于鈺洋、藍凱悅。。

圖6 長頸鹿的運動形態(tài)展板

圖7 長頸鹿的運動形態(tài)展板

圖8 長頸鹿的運動形態(tài)模擬最終模型

（二）犰狳的運動形態(tài)提取

犰狳有一個很重要的自衛(wèi)方式便是偽裝，它可以蜷縮成球狀，以自身骨質(zhì)甲的顏色偽裝在環(huán)境中，用其堅固的骨質(zhì)甲包裹住里面脆弱的身體，起到一定保護作用。犰狳的骨質(zhì)甲覆蓋頭部、身體、尾巴和腿外側(cè)。頭部，前半部和后半部的骨質(zhì)甲是分開的；身體中間的骨質(zhì)甲成帶狀，可以靈活活動；最后頭部和尾部的骨質(zhì)甲相互契合，使其更接近于一個完美的球形。作者將犰狳的骨質(zhì)甲抽象成三個同樣的部分，它們分別由一個正六邊形和兩個直角三角形折疊組合而成。以層層疊加的方式組合成一個近似球體。內(nèi)部用鐵絲、膠帶、彈簧連接，使其便于彈開和相叩。該組同學在設計時，草模的階段使用了紙張，將犰狳蜷縮的動態(tài)良好地表現(xiàn)出來，在最終模型的階段，使用了金屬材料，由于金屬與紙張材質(zhì)的不同，該組同學巧妙地設計了很多連接鍵將它們展現(xiàn)出來，非常好地解構(gòu)了犰狳的動態(tài)（圖10—圖13）③作品作者：2017級產(chǎn)品設計專業(yè)潘俁桐、許豐怡。。

圖10 犰狳的運動形態(tài)展板

圖12 犰狳的運動形態(tài)模擬最終模型

圖13 犰狳的運動形態(tài)模擬最終模型

（三）天堂鳥的運動形態(tài)提取

極樂鳥科（Paradisaeidae）又名天堂鳥、風鳥有著濃密的黑色的羽毛，同時有著特殊的求偶技巧。天堂鳥的求偶時，會形成半月型結(jié)構(gòu)，并與獨特的舞蹈動作結(jié)合在一起。因此該組同學在研究了它們在求偶的時候獨特的運動軌跡后，抓住圓形、翅膀與腳的動態(tài)來重點深入。模型的材料使用廢紙，紙板，銅絲和線材來完成，最終成品由三個圍繞的圈組成，形態(tài)各不相同。作品的第一個圈，使用了銅絲和廢紙的結(jié)合，銅絲的錯落纏繞像鳥巢又像是天堂鳥的整體動態(tài)表現(xiàn)，又是一種情緒的表達，代表著雌性配偶的一種激動，狂熱，在這上面也有著一些長短不一的銅絲，代表鳥的腳，它會像舞蹈一樣的圍繞雌性轉(zhuǎn)圈；第二個圈，由波浪圍成一個圈，而這個圈會在旋轉(zhuǎn)的時候成為一個函數(shù)的弧度，這是對翅膀動態(tài)的具象化，使用弧度來表現(xiàn)它的上下擺動；第三個圈代表了翅膀的展開，當它展開翅膀，像一面扇面，而這個圈在旋轉(zhuǎn)的時候也會展開它的“翅膀”。該組同學很好地使用了三個圈，將三個圈在一個平面上對天堂鳥進行了重構(gòu)，把動態(tài)用在一個平面上來表現(xiàn)，將天堂鳥的的軌跡由具象的方式來表現(xiàn)出來④作品作者：2017級產(chǎn)品設計專業(yè)盛佳佳、湯喻涵。。

圖14 天堂鳥的運動形態(tài)展板

圖15 天堂鳥的運動形態(tài)展板

圖16 天堂鳥的運動形態(tài)模擬草模

圖17 天堂鳥的運動形態(tài)模擬最終模型

四、思考與展望

（一）無終點的設計方式

此次國際工作坊的教學目的并不是最后要設計出一個產(chǎn)品，而是希望學生們能更多地關注大自然的魔力，關注動物的運動和特性，通過這種運動進行進一步步地推進，這是設計師所需要達到的一個要求。如果僅僅想著要去做產(chǎn)品，在前期思考的時候就會少了一些創(chuàng)新力。我們的目標是鍛煉創(chuàng)新思維，經(jīng)常鍛煉創(chuàng)新思維便會有更多的想法。美國教授認為，中國學生的思維方式往往非常直接并帶有目的性，總是希望詢問老師最終想要什么設計，然后依據(jù)老師們的想法去實現(xiàn)這一設計。但是設計是多維的，是有創(chuàng)新性的，如果僅僅依從目的而設計，設計會變得無趣和沒有生命力。美國教授鼓勵中國的學生多做一些“無終點”的嘗試，“無終點”并不代表無目的，設計依舊有設計的目標，只是我們不清楚最終的設計結(jié)果是什么，或許這個結(jié)果是此次實踐的終點，但它也可能是下一次設計的起點。嘗試多樣化的探索方式，會給設計帶來更多的可能性。

（二）漸進式的教學推進

在課程中，大部分學生希望將設計選題轉(zhuǎn)移到平時并不常見的動物上，并非研究動物種類，而是研究動物的行為、狀態(tài)、動向，拋開現(xiàn)象尋求本質(zhì)。而這些不熟悉的動物，往往是需要大量時間去探索和研究的。因此課程特別強調(diào)探索的過程：從起步的調(diào)研到草圖，從反復修改的草模到最終模型，每一個設計過程都非常重要，并且學生們均花費了大量的時間去研究實現(xiàn)這種動態(tài)的可能性。參與工作坊的學生們認為，每一步的進步都是有必要的，并且是循序漸進的，每一點進步都得到了導師地肯定，這是他們繼續(xù)設計下去的最大信心。

總之，此次“從動物的運動到形態(tài)”的仿生設計課程，臨界于基礎課程和設計課程之間，是介于基礎課與設計課之間的一門“橋梁性”課程，是大一基礎課程進入設計形態(tài)課程的最后階段的探索，可為學生們進行設計初步的階段作準備。工作坊中關于動物運動仿生的新設計思維方法是值得推薦的，我們往往在做設計時離目標太近了，想法會被限制住，在進行設計前應鼓勵學生們多思考“設計—人—物—環(huán)境—世界”之間關系[10]，找到一個和諧的平衡統(tǒng)一點，找到一些自身的興趣點，以此為出發(fā)點進行設計，同時完善從想法到產(chǎn)品的過程，不以最終目的為目的地去創(chuàng)造性思考，激發(fā)學生們的潛能，創(chuàng)造出更多更好的作品來。