仿生设计在汽车造型设计中的应用研究

虞泽熔　任钟鸣

摘要：汽车作为大宗消费品，其造型设计直接影响着消费者的购买决策和汽车的市场竞争力。仿生设计作为一种大众熟知的设计理念，可以为汽车设计创新提供灵感和思路，进而提升汽车的附加值和竞争力，提升汽车品牌的形象和影响力，因此被诸多汽车造型设计师在实际设计过程中应用。文章重点探讨仿生设计在汽车造型设计中的应用，首先全面回顾仿生设计应用在汽车造型设计领域的相关文献和研究成果，包括但不限于其历史背景、原理、现状和未来发展趋势等。其次，通过剖析国内外几个经典的仿生设计案例，从形式与功能、色彩与肌理两个方向介绍仿生设计在汽车造型设计中的应用，并从多个层面探讨仿生设计在汽车造型设计中的具体应用流程和操作技巧。最后，基于上述研究，针对汽车造型设计师尤其是在校研究人员对仿生设计的实际应用提出几点建议，以期为汽车品牌制造商、设计从业人员及相关专业的学生提供有益的参考和借鉴。

关键词：仿生设计；汽车；造型设计；流线型

中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2023）18-0-03

1 仿生设计应用在汽车造型设计中的相关研究

1.1 仿生设计和汽车造型设计

仿生设计是一种基于生命科学的设计概念。其灵感来源于自然界，以自然界物体为蓝本，通过研究和模拟其形态、结构、功能、色彩及微观肌理等，运用到设计的研发创新和优化迭代上。核心理念是通过深入了解自然、学习自然，在工程、建筑、工业设计等领域应用自然原理和机制，以达到更加节能、高效、环保的可持续发展目的。汽车造型设计是指在满足汽车安全性、美观性、空气动力学性能等条件下，对汽车车身的外在形态进行设计的过程［1］，是艺术设计与工程技术的有机结合，不仅需要手绘配色、等比例模型雕刻等艺术设计技能，更涉及工艺水平、材料选择、制造安装等方面的工程技术。从设计目的和知识结构的层面看，两者比较契合。理论上，仿生设计能够为汽车设计师提供合理的理论依据和设计方法。

1.2 仿生设计应用在汽车造型设计中的国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

汽车造型设计的专业性、复杂性强，加之国内汽车造型设计研究起步较国外稍晚，因此我国关于仿生设计应用于汽车造型的专业书籍和文献有限。李卓森的《现代汽车造型》、严扬的《汽车造型设计概论》、李光亮和金纯主编的《汽车造型设计》等，都是通过单独章节概述性地讲解汽车造型仿生设计方法和流程。蔡江宇和王金玲主编的《仿生设计研究》、孙宁娜主编的《仿生设计》虽然都系统性地阐述了仿生设计的基本理论、现状及发展趋势，借助仿生设计个案深入浅出地剖析了仿生设计方法与流程，但对汽车造型仿生板块只用了少量笔墨交代。同时，知网中大部分艺术类相关文献的研究内容仅针对车身造型开展形态仿生设计研究，且只是直接复制模仿生物原型的外观特征。

在实际应用方面，国内近些年以动物为灵感来源的案例层出不穷，比如长城旗下的欧拉“猫”系列、比亚迪基于e平台研发的“海洋生物”系列、注重越野体验的哈弗大狗、荣威推出的“龙猫”和“鲸”系列等，都是直接以动物命名的车型。与2008年以熊猫为原型进行形态仿生设计的吉利熊猫不同，仅从外观看，上述车型与生物原型的联系似乎并不紧密，准确地说是一种以生物原型为符号对象，满足用户意象需求的情感仿生设计。此外，从仿生对象可以看出，国内汽车设计师已经有了迎合女性用户群体的意识，并且开始出现女性设计师主导设计、女性用户合作共创的趋势，这是“她经济”辐射到汽车行业的必然结果，虽然可能只是品牌方的一种获客方式。

1.2.2 国外研究现状

国外仿生设计的历史可以追溯到公元前4世纪，当时的古希腊哲学家亚里士多德提出了“四因说”，其认为艺术家模仿自然，自然是质料因，作品的存在方式或状态是形式因，艺术家是动力因，模仿活动就是创造活动，即设计过程。但直到20世纪50年代，“仿生学”的概念才被提出。1960年，俄亥俄州召开了首届仿生学研讨会，正式定义仿生学：对自然界生命体的原理进行研究与模仿，为解决人类生活难题提供新的技术或理论支撑的学科。自此，仿生设计概念逐渐被推广并应用于各个领域。早在仿生学概念被确定之前，汽车造型设计师就已经建立起了较为成熟的仿生设计体系并付诸实践，且值得注意的是，国外汽车造型的仿生设计与空气动力学以及流线型设计密不可分。20世纪20年代，一战后的西方国家科技及工业化进步迅速，经济和社会的发展催生了以自然界感性曲线为核心的艺术流派——装饰派艺术，并影响了汽车行业。加之一战、二战爆发期间航空技术军用转向民用和经济萧条，急需别样的汽车造型设计作为卖点吸引顾客，共同促成了模仿自然曲线的流线型汽车的产生。

1914年，Castagna汽车公司以A.L.F.A 40-60 HP底

盘为基础设计了一款名为“Aerodinamica”的轿车，这是有据可考的第一款流线型轿车。低阻化的造型设计使其最高时速达到139 km/h，但因仿水滴状的封闭车身无法将发动机产生的热量和噪声排出，所以乘坐的舒適性极差。一战结束后，大量原本从事飞行器设计的工程师涌入汽车设计行业，带动了新一轮汽车设计热潮，仿生学和空气动力学更是大规模地应用在汽车造型设计上。

1921年9月，奥地利飞机工程师埃德蒙德·兰普勒（Edmund Rumpler）设计的水滴车在柏林车展上亮相，其结构布局与Castagna大不相同，兰普勒并没有使用回转体式的水滴型车身，而是选择了介于马车构型与水滴型之间的翼型车身。可以说，“Tropfenwagen”是历史上首款运用空气动力学设计的量产车型，其在大众的风洞基地测得风阻系数仅为0.28。

兰普勒推出水滴车的同时，奥地利设计师保罗·加雷（Paul Jaray）在德国腓特烈斯哈芬的风洞中对不同构型的几何形体进行了试验，发现几何体离地间隙越小，其风阻越大。与飞机不同，受地面影响，上下对称的形体，其流场并不对称，这导致车身后端上表面气流分离产生较大的真空区，继而形成逆向压力梯度，因此当时设计师普遍认为的低风阻水滴型车身其实并不是最理想的汽车形体。通过研究车身构型和地面效应，加雷提出了一种组合式的翼型车身，由类似机翼的底层部分和类似飞艇“吊舱”的上层部分组成，整体呈流线型。这个设计概念影响了众多品牌，宝马、奔驰、欧宝、标致、菲亚特、迈巴赫、克莱斯勒等都相继推出流线造型的量产车或概念车。

1931年，奥地利工程师汉斯·雷德温卡（Hans Ledwinka）在保罗·加雷的协助下将流线型引入其设计的Tatra V570概念车，而在德国入侵捷克后，大众攫取了该车所有的知识产权（包括Tatra T77和T87等），并使用在了Ferdinand Porsche设计的KdF-Wagen上，即大众甲壳虫的原型车。因此从时间节点看，大众甲壳虫的车身造型更多借鉴了20世纪30年代初诸多使用流线型设计的车型，而不是大众普遍认知中的所谓效仿甲壳虫自然形态特征和结构。

在流线型设计风潮的推动下，出现了两个极端车型——T150C和Schl?rwagen。前者是法国流线型设计的代表作，其优美的车身曲线和姿态颠覆了20世纪20年代形式追随功能的设计理念。后者别称“哥廷根之蛋”，车身外壳造型完全是一滴沿壁下滑的水珠，将四个轮组都包裹在内，理想的空气动力学外形使其拥有0.186的风阻系数，是低风阻设计的登峰造极者。

20世纪二三十年代是世界汽车工业第一個发展巅峰，虽然该时期经济萧条，但汽车造型设计天马行空，且设计思想影响深远。直到二战后，北美和欧洲汽车造型风格歧化，又在70年代遭遇石油危机和政策收紧，到如今更加注重实用、高效的车型占据市场主流，车身造型趋于统一，缺乏个性和创意。

2 仿生设计在汽车造型设计中的具体应用

仿生设计是通过研究和模拟生物的形态、结构、功能、色彩及微观肌理，实现创新研发。基于生物特征认知层次和产品构成要素的关联性［2］，汽车造型设计对仿生设计的应用主要可分为两大方向：形式与功能（形态、结构和功能）、色纹（色彩和肌理）。不管是自然界的事物还是人工制品，其形态、结构和功能都相互统一、相互作用，结构是形态的基础，形态是结构的外显，大多数情况下结构决定功能，功能映射结构；色纹指事物具备的色彩与肌理，对应汽车造型设计中的CMF设计，即颜色、材质纹理以及处理工艺。

2.1 形态、结构与功能仿生设计应用

汽车作为商品，需要用造型美感打动消费者，使其产生购买欲望或加深印象。自然界的事物经过千百万年演变固化后的形态具备天然美，这种美是客观的、合理的。因此，形态仿生设计通过模仿其外部形态特征并应用到汽车造型设计中，能够直观地增强车辆造型的美感。形态仿生一般有具象仿生和抽象仿生两种形式。在实际运用中，由于汽车造型的复杂性，直接模仿某种生物的外部形态存在一定的困难，所以通常选择抽象提炼，概括出生物原型的形态特征，再将其运用到设计中。例如，保时捷经典的青蛙前脸和鸭尾就是抓住蛙眼外凸和鸭子尾羽曲线的特征，保持野性的同时带有些许俏皮感，让人感觉生动可爱，这也成为保时捷汽车的家族基因。同时，鸭尾造型还具备空气动力学效应，可以减少车辆尾部的升力。

汽车造型不能仅停留在外观模仿上，作为交通工具，更需满足用户对功能的需求。生物的形态和结构是自然选择和进化的结果，而外在形态和内在结构共同决定了生物赖以生存的功能。通过需求分析，对汽车和生物的功能进行双向匹配，建立关联，观察和分析生物实现某种功能的条件和机制，并将其还原或优化后移植到汽车造型设计中。例如，车身需要减轻重量、降低风阻，还要保证结构稳定，有一定的强度。奔驰Bionic概念车的工程师就通过筛选自然界的大量生物，找到了拥有理想空气动力学外形的箱鲀作为仿生样本。其按照鱼身制作1︰1模型进行实验，研究分析其外形低阻化的原理。根据鱼身流线设计出仿生原型，对其进行试验和迭代，最后得到了风阻系数仅为0.19的实用紧凑型车身。并且其在车身基础上，通过仿真建模将车身和地盘以一种“软清除”的方式优化，即有选择地将零件应力较小部位的材料清除，对高荷载部位进行加固，生成轻量化、高强度的网状镂空结构。这是对生物骨骼结构的仿生运用，将生物的生长机制移植到工业制造中。

2.2 色彩与肌理仿生设计应用

色纹指的是色彩和肌理，对应产品外表的颜色和纹理、材质以及表面处理工艺，通常来说，产品外在表现形式会首先被用户感知，其次才是产品的功能体验和文化内涵。运用色彩与肌理仿生设计能提升汽车外观的吸引力，刺激感性用户的消费欲望。例如，孔雀求偶展开尾羽时会自主调控羽小支皮层的排列结构，周期结构产生的衍射现象能够形成特定波长的可见光颜色。这种结构色具备色素色达不到的色彩明度及饱和度，将其运用到车漆和灯饰上可以增强汽车的差异性，且不易氧化褪色的特性能够延长产品的生命周期。自然界生物表面肌理的微观结构具备优异的性能：荷叶、水黾腿表面的纳米结构使其拥有阻碍水滴浸润的超疏水性，可用于汽车车窗玻璃和后视镜等表面自清洁设计；河豚体表的刺状结构和鲨鱼盾鳞的肋条结构都具有减阻效果［3］，可作用于汽车表面减少风阻、降低能耗等。

3 仿生设计在汽车造型设计中的应用原则

3.1 注意取舍

在进行形态仿生设计时，要对生物原始形态进行合理简化，并采用适当的图形语言将其融入汽车造型设计，表达生物造型特征。该过程应当保留生物形态特点，舍去部分细节，切忌照搬照抄。针对造型特征的认知分析、提取、简化等流程中可能造成的信息失真问题，可使用层次分析法、形状文法、深度学习等相关理性工学方法，对生物形态向产品转化的关键环节加以约束，为后续操作提供正确的设计信息输入。

3.2 回归功能

应用仿生设计时，需贯彻形态、结构和功能统一原则，平衡美学和实用性之间的关系，另外，需注重不同用户层次的功能需求，优化用户体验［4］。

3.3 重视实验

在汽车造型设计中，原型试验是应用仿生设计的一个重要环节。仿生设计需要在实验的基础上进行，通过实验测试获得的数据和反馈，可以帮助设计师得出更加有效和科学的结论和方法。

4 结语

本文主要探究了仿生设计在汽车造型设计中的应用，通过对一些典型设计案例的分析，探讨了仿生设计的具体应用方法和操作技巧，并在此基础上提出了相关建议和注意事项。总之，将仿生设计应用在汽车造型设计中是一种有效的方法，可以为汽车造型设计提供灵感和参考，通过研究各种生物，将其原理机制与汽车设计相结合，从功能出发兼顾美学要素，提升汽车的审美性、安全性、舒适性、能源经济性等。

参考文献：

［1］ 诸葛晓宇.电动汽车车身造型设计研究［D］.武汉：武汉理工大学，2013.

［2］ 刘德喜，李鹏.仿生设计在产品设计中的应用探讨［J］.家具与室内装饰，2018（11）：68-69.

［3］ 崔乃刚，陈亮，曹伽牧，等.水下航行体减阻技术综述［J］.宇航总体技术，2023，7（1）：1-13.

［4］ 侯雅乔.浅析汽车仿生设计实践及其在我国的应用前景［J］.工业设计，2018（12）：40-41.

作者简介：虞泽熔（1998—），男，浙江舟山人，硕士在读，研究方向：产品造型艺术与应用实践。

任钟鸣（1985—），男，山东聊城人，博士，副教授，研究方向：工业设计。