摘要 由于自然界存在着残酷的优胜劣汰，生物体为了顺应这种变化和选择，发展出了不同的特点和优势，他们大多有独特的外形，特殊的功能和合理的结构。科学家也通过仿生的思维方式，将这些特点和优势，移植到了人类的科学研究，工程技术中去。本文通过一些仿生案例，以阐明仿生思维在形态、结构、肌理、功能，意象等方面的应用，从而更好地理解仿生元素在设计中运用的方法和内涵，为将来进一步的设计创新提供参考。
关键词 仿生；仿生设计；设计创新
中图分类号U442 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）82-0091-02
0 引言
仿生学（Bionics）是基于对自然界生物体特性的研究，从生物体不同层面（宏观，微观）出发，着重于模仿生物特殊结构，功能，材料等的一门科学。仿生学这个名词来源于希腊文“Bio”，意思是“生命”，字尾“nic”有“具有……的性质”的意思。其最初是在1960年全美第一届仿生学讨论会上，由科学家J.E.Steele提出。伴随着人们对自然界生物体认识的深入和工程科学的进步，仿生学也为机械结构，材料科学，控制科学，信息科学和空气动力学等工程领域的研究提供了一条全新的思路。
1 仿生学的出现及其发展
早期仿生学的应用，主要体现在对生物形态和功能的模仿。据《杜阳杂编》记载，唐朝有个韩志和，“善雕木作鸾、鹤、鸦、鹊之状，饮啄动静与真无异，以关戾置于腹内，发之则凌云奋飞，可高达三丈至一二百步外，始却下。”]这也说明我国古代劳动人民对飞鸟的飞行动作和姿态，进行了细致的观察和研究，同时这也是最早的仿生设计活动之一。进入近现代，人们对飞行器的仿生进行了更加深入的研究。19世纪初期，英国空气动力学的奠基人之一凯利，在研究了山鹬的身体纺锤形态后，得出了一种阻力更小的流线型结构，同时其根据鸟类翅膀外形，设计出一种流线型的机翼断面曲线，对早期航空技术的诞生做出了巨大的贡献。
进入20世纪，仿生学概念大规模的出现在了结构，材料，航空航海等领域的研究中。例如，在1936年，英国动物学家James Gray通过对海豚游速，肌肉，皮肤构造等方面的研究，发现海豚之所以能在海洋中快速巡游，灵活转弯，不仅得益于其仿梭状的流线型体型，更重要的是他的弹性皮肤的特殊构造，这种特殊构造可以在海豚巡游时产生一层“自适应表面”，可有效防止湍流或紊流的产生，帮助海豚降低游动时的阻力[1]。苏联也在20世纪60年代，重点研究了水生动物（如海豚）皮肤形态，为舰艇设计提供了一条新的仿生思路[2]。灯泡最早出现于19世纪初，早期的灯泡是由电池和各种发光材料（铂丝，碳棒，碳丝）构成的，但是在人们使用的过程中，能量中只有很小的一部分转变成为光，其余大部分的都以热能的形式浪费掉，而且在一些极端环境下，传统的照明光源会带来极大的危险，例如矿井，排爆现场。科学家发现自然界中许多发光生物，如细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和鱼类等，发光但不产生热，所以这种光被称为“生物冷光”。通过研究后，科学家利用某些化学方法得到了类似于生物光的冷光，解决了极端环境下照明的难题。
2 设计元素中的仿生理念
仿生设计学，是基于传统仿生学和设计学基础之上新兴的一门学科，其主要服务于设计创意，主要研究能够给设计活动带来重要启示或实际意义的生物体，以生物体的“形”、“结构”、“功能”、“行为方式”等为主要研究对象，提取出能够指导设计活动的元素来进行创新设计。目前，主要设计类型中，如工业设计，建筑设计，服装设计中都有仿生元素的体现。
2.1 形态和结构中的仿生
建筑的形态和结构往往是千变万化的，如何能够有机组织各种形态、结构、功能成为一种综合的整体，自然界中生物已经给了我们很多启示与范例。建筑中的形态仿生是最为常见的，这种设计创新手法不仅仅体现在对建筑造型的创新，更可以借助造型创造出新的结构体系或者反映特殊的文化寓意。西班牙近代建筑大师安东尼奥·高迪（Antonio Gaudi i Cornet，1852-1926），在其众多代表作中，包括米拉公寓，古埃尔公园，圣家族大教堂，都有明显生物流线型有机形态。如位于巴塞罗那的米拉公寓，基本造型就是提取了海洋波浪的形态，同时在一些建筑细节中，例如阳台的护栏就模仿了海藻的蜿蜒变化形态，使得整体建筑富有海洋般的动感，充分体现了地中海气候下，巴塞罗那这座海滨城市独特的浪漫气息。
建筑中的有机形态并不是意味着要牺牲合理的结构，相反，只要运用得当，仿生的有机形态与合理的结构是互利共生的。纽约环球航空公司航站楼不仅是外形仿生的著名作品，而且埃罗﹒萨里宁还和威廉﹒加德纳（William Gardner）在结构上建造四瓣组合式薄壳，中间有缝隙采光，四瓣薄壳则由下部的Y形柱支撑，这与人的头盖骨的拼合极为相似。航站楼应用这种结构不仅解决了自由曲线造型的难点，而且在结构与形式上又能达到有机的融合[3]。
2.2 肌理与质感中的仿生
20世纪，科学家通过对海洋生物（海豚和鲨鱼）的表皮进行研究，来探索他们能够在复杂的海洋环境中自由快速游动的原因。1960年，科学家克莱默（Kramer）通过研究，提出假设：由于海豚皮肤的自适应性，水流可稳定流过海豚表面，使发生紊流的转折点推后，从而减少了海水在海豚表面的粘附阻力[4]。同样是以减小阻力为目标，国内外的研究机构对鲨鱼进行了一系列研究探索。研究表明，“鲨鱼皮效应”可以带来完美的减阻效应，其优异的减阻原理在于其表皮的三维互锁式盾甲鳞沟槽（即V型肋条结构），美国宇航局也将这种皮肤肌理结构应用于飞行器和船舶的表面，获得了良好的减阻效果。他们在NACA飞机的表面贴上V型沟槽膜后，阻力减小了6.6%[5]；同时，美国宇航局的这项减阻技术，应用在了泳衣制造商SPEEDO研发的革命性泳衣产品“鲨鱼皮”的研发中，这种FASTSKIN泳衣充分运用了仿生学的原理和技术 并在21世纪初的几届运动会中创造了奇迹，尽管如今，国际泳联甚至禁止运动员再使用鲨鱼皮泳衣，因为其拥有较高科技含量，违背了奥运不借助外力的本质。但是对水生动物防阻能力的研究，还在不断的影响着人类的生活方式。
水生动物普遍具有非光滑表面，能够保证其在运动时的减阻要求，同样陆地动物中，也有非常好的抗粘减阻的例子，在松散的土壤环境中，汽车的轮胎和坦克的履带就会粘附大量的土壤，降低了工作效率，造成了不必要的能耗。但是蜣螂却可以在同样的环境中来去自如，蜣螂（Dung Beetle），鞘翅目蜣螂科，其周身分布凹坑型非光滑表面，在凹坑产生有气，无土和无水的区域，会限制潮湿土壤的粘附，这样就可以保证蜣螂在松散的土壤中行动而不粘附，这大大的提高了其工作效率。根据这种非光滑表面，科研人员设计的推土板和犁头具有良好的防粘脱附性，在相同土壤环境中，相对于传统滑犁，仿生20犁降阻12.7%，仿生35犁降阻18%，省油12.6%[6]。
2.3 功能和意象中的仿生
现代科技中的雷达技术，大大的提高了夜间或可视化程度较低环境下，飞行器的安全行驶难题，这也得益于蝙蝠带给我们的启示，蝙蝠之所以能够在黑暗环境中自如的飞行，是因为其探路依靠的不是眼睛，而是嘴和耳朵，在飞行过程中，蝙蝠快速有力的收缩咽喉肌，从而产生超声波，这种超声波大多频率在20 000Hz以上，并且以蝙蝠的嘴或鼻子（取决于发声点）为中心点，形成一个层层环绕的圆环形，当声波遇到阻挡后就会返回，传回到蝙蝠巨大的耳廓中，内耳和大脑再将声波转换成信号，从而让蝙蝠知道前方阻碍物的大小，形状，远近等信息，所以，蝙蝠可以在完全黑暗的环境中来去自如。科学家也根据蝙蝠可以随时根据目标调整修改脉冲参数和方向的特点，有效的提高了雷达的灵敏度。
在古代中国，“蝙蝠”也是我国传统民俗文化吉祥如意的意象代表之一，广泛的应用于建筑装饰，刺绣艺术，家具造型和纹饰中，通过“蝠”，“福”谐音之借，蝙蝠图样逐渐成为一种约定俗成的吉祥意象，如常见的五福捧寿，五只蝙蝠围绕在团型寿字纹周围，呈现出一种众星捧月之势，它们又分别代表五种“福”（寿、富、康宁、攸好德、考终命）。[7]这也正是借由“蝙蝠”这个客体的“象”来表达人们追求的，一种主体上对“福”的“意”，并最终让人们存留于意识当中，只要看到蝙蝠这种图像符码就会自然而然的联想起吉祥如意的彩头。
3展望
自然界的优胜劣汰，造就了不同生物体不同的特点和优势，无论从宏观视角还是微观角度研究这些特点和优势，都会给人类设计的发展带来了无限的灵感，仿生设计也作为一门新兴的边缘学科，向着一条多学科交叉，智能化，微观化的方向在不断发展。只有不断加强多学科协作，建立完善的研究和观察体系，才能让设计在仿生的世界中走的远。
参考文献
[1]梁建宏，等.仿生机器鱼技术研究进展及关键问题探讨[J].机器人技术与应用，2003.
[2]岑海堂，等.结构仿生新发展[J].机械设计，2003.
[3]刘先觉.仿生建筑的新趋向[J].世界建筑，1996.
[4]李光吉，等.具有非光滑表面的仿生减阻材料的研究简介[J].材料研究与应用，2008.
[5]LEE S J，JAN Y G.Control of flow around a NACA 0012 airfoil with a micro-riblet film[J].J Fluids and Structures，2005.
[6]Ren LQ，Tong J，Li JQ，et al.Soil adhesion and biomimetcs of soil-engaging component s： A review.J Agriculture Engineering，2001.
[7]陈佳君.论北京恭王府之蝙蝠意象[J].毕节学院学报，2009.