产品形态仿生设计关键技术研究
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摘要
产品形态设计关系到大众的实用与审美需求,从而直接影响产品的市场竞争力,同类产品的市场成败,很大程度上取决于其产品形态和色彩调配的美观和谐。与产品功能比较,产品在形态方面的改善相对容易且效益显著,但如果受传统思维的约束,那产品形态设计也很难有突破性进展。自产品出现以来,设计师就在不断的进行着产品形态的仿生设计,现在的设计趋势更是注重人与自然的和谐发展,因此仿生设计越来越受到重视,它也是产品形态设计突破传统思维的有效手段。
一个成功的产品至少应该有以下特点：一是形态仿生的宜人性,它可使人与产品之间产生亲近感。二是产品的形态的灵活性和适应性,它可最大限度地满足顾客的个性需求。三是产品形态的愉悦性,它能唤起人们珍爱自然与生命的潜意识。这些特点都可以通过形态仿生设计得以实现,自然界到处充满活生生的“优良设计”实例。
仿生设计是指从自然界的生物机体中获得灵感,将其应用于创造对象(产品)的方法。产品形态仿生设计,就是对生物体几何尺寸、外形和色彩进行模仿与变形,并通过相应的艺术处理手法把它运用到新产品形态设计中。
基于对产品形态仿生设计国内外研究现状的了解,本文针对其中存在的若干关键问题进行了深入研究,主要内容如下：
(1)概括了产品形态仿生设计技术研究的意义,综述了仿生设计及相关技术研究的现状,指出了当前研究存在的问题,确定了本论文的主要研究内容。
(2)分析了产品形态的涵义,阐述了产品形态的分类和生物形态的基本元素,综述了基于仿生的产品形态设计的内涵与特征,根据仿生学研究的一般方法,提出了理想的形态仿生设计模型、产品形态仿生设计综合模型和流程。
(3)将形态仿生设计与逆向工程有机地联系起来,通过洗衣机的逆向设计,形成了适用于简单的产品形态仿生模型曲面重构方法。给出了生物特征的简化原则和方法,并依据生物模型实例进行了生物模型特征简化的分析。解决了形态仿生设计过程中遇到的逆向工程问题和形态仿生设计中自由曲面的连接与合成问题,并通过实例验证了其可行性。
(4)依据生物进化理论和遗传算法的一般规则,在MATLAB平台上利用简单的产品模型(夹子)和生物模型(鲨鱼),对二者进行基于遗传算法的数字化(数字化)产品形态仿生设计实例研究,研究效果较为明显,解决了基于遗传算法的数字化产品形态仿生设计中的有关问题。提出了数字化产品形态仿生设计构想；给出了基于智能推理技术的产品形态仿生设计流程；最后还提出了基于进化神经网络和粒子群优化算法的产品形态仿生设计流程。
(5)最后对形成的产品形态仿生设计实例进行相关研究并对最终形成的仿生产品形态实例予以评价。
Product shape design concerns practical and aesthetic needs of the people, which directly influence market competition. The success of a product depends to a great extent on its shape and color scheme. In comparison with product functions, product shapes are better breakthrough points in terms of improvements and innovation. However, based on traditional methods, it is difficult to realize product shape innovation either. Designers apply bionics design continually since products exist. Furthermore, the recent design tendency shows a significant preference towards the concept of harmonious development between human and nature. Thus, bionic design, as a powerful method to break traditional concepts, has been paid more attention.
A successful product should have following characteristics. Firstly, the product should have visual appeal, which makes consumers feel more connected. Secondly, the product should be flexible and adaptive, which could meet the unique needs of the consumers. Thirdly, the product should be pleasurable, which leads consumers cherish nature and life. All of the characteristics could be realized by bionic design and "living examples" could be seen all over the natural world.
Bionic design is a specific method to design and create products with inspirations gained from the natural world. Shape bionic design is a method to design product shape by simulates and fits sizes, appearances and colors of natural beings through certain artistic treatments.
Based on the status of both foreign and local research of bionic design, this paper did further research on a number of key issues. The main contents are as follows:
(1)The significance of bionic shape design is demonstrated and the status of relative research is summarized. Major problems in current research are pointed out and the main contents in this paper are determined.
(2)The meaning of product shape is analyzed. Basic elements based on types of products and characteristics of natural beings are elaborated. Features of product shape design based on bionic method are summarized. This paper proposed an ideal shape design model and process based on general methods of bionic research.
(3)This paper integrates bionic shape design and reverse engineering. This paper proposed a simple method for surface reconstructing suitable for bionic shape design through a reverse engineering research on a washing machine. Principles and methods for simplifying creature characteristics are proposed and analyzed through a case on creature model. Problems in reverse engineering and surface reconstructing are solved and tested.
(4)This paper did a quantitative research on MATLAB based on basic rule of evolution theory and genetic algorithm through a case of product model (clip) and creature model (shark). According to the effective results, relative problems in quantify product shape based on genetic algorithm are resolved. The idea of bionic shape design via digitization and the specific process based on intelligent reasoning technology are proposed. The paper also proposed a design process based on neural network and intelligent reasoning technology.
(5)This paper analyzes and assesses the results of the case and did relative research in the last place.
一个成功的产品至少应该有以下特点：一是形态仿生的宜人性,它可使人与产品之间产生亲近感。二是产品的形态的灵活性和适应性,它可最大限度地满足顾客的个性需求。三是产品形态的愉悦性,它能唤起人们珍爱自然与生命的潜意识。这些特点都可以通过形态仿生设计得以实现,自然界到处充满活生生的“优良设计”实例。
仿生设计是指从自然界的生物机体中获得灵感,将其应用于创造对象(产品)的方法。产品形态仿生设计,就是对生物体几何尺寸、外形和色彩进行模仿与变形,并通过相应的艺术处理手法把它运用到新产品形态设计中。
基于对产品形态仿生设计国内外研究现状的了解,本文针对其中存在的若干关键问题进行了深入研究,主要内容如下：
(1)概括了产品形态仿生设计技术研究的意义,综述了仿生设计及相关技术研究的现状,指出了当前研究存在的问题,确定了本论文的主要研究内容。
(2)分析了产品形态的涵义,阐述了产品形态的分类和生物形态的基本元素,综述了基于仿生的产品形态设计的内涵与特征,根据仿生学研究的一般方法,提出了理想的形态仿生设计模型、产品形态仿生设计综合模型和流程。
(3)将形态仿生设计与逆向工程有机地联系起来,通过洗衣机的逆向设计,形成了适用于简单的产品形态仿生模型曲面重构方法。给出了生物特征的简化原则和方法,并依据生物模型实例进行了生物模型特征简化的分析。解决了形态仿生设计过程中遇到的逆向工程问题和形态仿生设计中自由曲面的连接与合成问题,并通过实例验证了其可行性。
(4)依据生物进化理论和遗传算法的一般规则,在MATLAB平台上利用简单的产品模型(夹子)和生物模型(鲨鱼),对二者进行基于遗传算法的数字化(数字化)产品形态仿生设计实例研究,研究效果较为明显,解决了基于遗传算法的数字化产品形态仿生设计中的有关问题。提出了数字化产品形态仿生设计构想；给出了基于智能推理技术的产品形态仿生设计流程；最后还提出了基于进化神经网络和粒子群优化算法的产品形态仿生设计流程。
(5)最后对形成的产品形态仿生设计实例进行相关研究并对最终形成的仿生产品形态实例予以评价。
Product shape design concerns practical and aesthetic needs of the people, which directly influence market competition. The success of a product depends to a great extent on its shape and color scheme. In comparison with product functions, product shapes are better breakthrough points in terms of improvements and innovation. However, based on traditional methods, it is difficult to realize product shape innovation either. Designers apply bionics design continually since products exist. Furthermore, the recent design tendency shows a significant preference towards the concept of harmonious development between human and nature. Thus, bionic design, as a powerful method to break traditional concepts, has been paid more attention.
A successful product should have following characteristics. Firstly, the product should have visual appeal, which makes consumers feel more connected. Secondly, the product should be flexible and adaptive, which could meet the unique needs of the consumers. Thirdly, the product should be pleasurable, which leads consumers cherish nature and life. All of the characteristics could be realized by bionic design and "living examples" could be seen all over the natural world.
Bionic design is a specific method to design and create products with inspirations gained from the natural world. Shape bionic design is a method to design product shape by simulates and fits sizes, appearances and colors of natural beings through certain artistic treatments.
Based on the status of both foreign and local research of bionic design, this paper did further research on a number of key issues. The main contents are as follows:
(1)The significance of bionic shape design is demonstrated and the status of relative research is summarized. Major problems in current research are pointed out and the main contents in this paper are determined.
(2)The meaning of product shape is analyzed. Basic elements based on types of products and characteristics of natural beings are elaborated. Features of product shape design based on bionic method are summarized. This paper proposed an ideal shape design model and process based on general methods of bionic research.
(3)This paper integrates bionic shape design and reverse engineering. This paper proposed a simple method for surface reconstructing suitable for bionic shape design through a reverse engineering research on a washing machine. Principles and methods for simplifying creature characteristics are proposed and analyzed through a case on creature model. Problems in reverse engineering and surface reconstructing are solved and tested.
(4)This paper did a quantitative research on MATLAB based on basic rule of evolution theory and genetic algorithm through a case of product model (clip) and creature model (shark). According to the effective results, relative problems in quantify product shape based on genetic algorithm are resolved. The idea of bionic shape design via digitization and the specific process based on intelligent reasoning technology are proposed. The paper also proposed a design process based on neural network and intelligent reasoning technology.
(5)This paper analyzes and assesses the results of the case and did relative research in the last place.
引文
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[2]孙宁娜,董佳丽.仿生设计[M].湖南：湖南大学出版社,2010：2-18.
[3][日]荣久庵宪司等.不断扩展的设计一日本GK集团的设计理念与实践[M].杨向东等译.长沙：湖南科学基础出版社,2004：23-37
[4]上海指南工业设计有限公司.产品设计指南[M].北京：清华大学出版社,2006：30-42.
[5]高楠.工业设计创新的方法与案例[M].北京：化学工业出版社,2005：29-54.
[6]于帆.仿生造型设计[M].武汉：华中科技大学出版社,2005：1-78.
[7]人民网：香山科学会议探讨“仿生学的科学意义与前沿”[EB/OL].2003-12-16. http://www.people.com.cn/GB/keji/1056/2249107.html
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