仿生技术在演艺装备领域的应用初探*

郭克桥,尹海鹏,王 艳

(甘肃工大舞台技术工程有限公司，甘肃 兰州 730050)

0 引 言

自然界的任何一种生物发展到今天都可能经过上万年、百万年、甚至上亿年的自然选择，每一种生物都足以成为人类科技进步的伟大导师[1]。长期以来人类从自然界汲取灵感实现科技的飞跃式发展，如模仿飞禽制造出飞机、模仿蝙蝠制造出雷达，大到某一行业，小到某些零部件，都离不开仿生技术。仿生学兴起于20世纪50年代，是一个前沿、新颖、多元化的交叉学科，2005年Collins M W系统介绍了生物学和工程学结合的基本规律[2]，仿生理念拓展到形态与造型仿生、结构与美学、力学与意象、功能与机理、材料与组织及控制与系统等领域[3]。1990年日本模仿翠鸟流线形的头骨设计出时速超过320 km/h“类翠鸟头骨”的高铁，2000年Speedo公司模仿鲨鱼的V型褶皱研发了“鲨鱼皮”泳衣，德国FESTO公司受大象鼻的启发，研发出一款仿生机械臂[4]。

社会科学技术的发展在很多方面提升了演艺装备技术，进而极大地丰富了演艺从业者对现代艺术的表现表达形式，演艺装备工程领域，形态仿生技术可使演艺装备摆脱“傻、大、黑、粗”的传统印象，以生动、直观和更具表现张力的形式从演艺载体转变为演艺主体，同时通过给装备注入生命力和灵魂赋能演艺形式[5]，进而提升艺术的可观赏性。结合目前演艺装备现状和工程应用经验，笔者从形态仿生、力学仿生、材料仿生、系统仿生四个方面探讨仿生技术在演艺装备工程领域的应用，为仿生技术在演艺装备行业的深层次应用提供参考。

1 仿生学与工程学

图1(a)所示为1990年日本研制的时速超过320 km/h的高铁，“类矩形”的高铁车头穿过隧道时容易产生音爆，中津英治团队注意到高空俯冲捕鱼的翠鸟入水时几乎不产生水花，进而模仿翠鸟流线形的头骨设计出“类翠鸟头骨”高铁，仿生设计有效解决音爆问题的同时，还意外提速10%、降耗15%[6]。图1(b)所示为2000年Speedo公司研发的“鲨鱼皮”泳衣。2000年Speedo公司模仿鲨鱼的V型褶皱研发了“鲨鱼皮”泳衣，仿生设计大大减小了水流摩擦阻力，穿“鲨鱼皮”泳衣的运动员包揽了2008年前92%的游泳奖牌，致使2009年国际泳联不得不禁用“鲨鱼皮”泳衣[7]。图1(c)所示为德国FESTO公司受大象鼻的启发制造的仿生机械臂[4]，使机械工厂、家庭助手和农业自动化成为无限可能。2001年White模仿动植物细胞的自愈能力，研发了一种微胶囊自愈新材料，以修复外载荷下引起的微观裂纹，自愈研究表明该材料初次断裂后的强度愈合能力达到75%[8]。

图1 仿生应用案例

仿生的目的是应用生物学特征解决工程学问题，其过程如图2所示。仿生可以是简单的形状结构模仿，这类仿生可以更直观地从生活周围找到生物对象，同时仿生也可以是对生物对象的学习和灵感的激发，这类仿生则需要抽象性设计。英国科学家Vincent通过仿生地图建立了仿生学与工程学的关系，表达了生物特征到工程应用的关系和差异[3]，如图3所示。

图2 工程学问题的仿生解决方法

图3 Vincent仿生地图

2 仿生与演艺装备

2.1 形态仿生及应用

形态仿生是在外形结构和生理功能上模仿生物结构，也是目前最广泛、最直接的仿生应用方式，如多足机器人[9]和北京“鸟巢”[10]。21世纪初，随着室外秀场和主题乐园等新型演艺形式的兴起，朋克(PUNK)风格[11]的仿生演艺形式受到广泛追捧。图4(a)所示为“南特岛的机器”(Machines of the Isle Nantes)主题乐园蒸汽朋克风格的机械巨象[12]，它是演艺装备工程领域结构仿生应用的成功工程案例的代表。高12 m、长21 m，近50 t重的机械巨象两侧的露台式设计可搭载50名乘客，最高行走速度可达3 km/h，漫步在街头的机械巨象通过眨眼、喷水、嚎叫等特效与观众互动，给观众带来的朋克式压迫与震撼无可匹敌。为纪念中法建交50周年，2014年弗朗索瓦·德拉豪兹叶赫团队针对中国传统文化，量身打造了奇幻大型演艺装备——机械龙马[13],如图4(b)所示，高12 m、重达47 t的机械龙马可行走、腾跃，还能喷火、喷水，给观众带来震撼的视觉体验。在国内演艺装备领域，江苏无锡灵山小镇的拈花湾微笑广场人形雕塑由8套开合立柱和平移机构组成，如图4(c)所示，立柱上有45件可升降旋转的花瓣，通过智能控制聚合为高达20多米的巨人，让观众体验到人诞生于自然、终又回归于自然的韵味[5]。

图4 形态仿生与演艺装备

不同于其他工程领域，形态仿生技术在演艺装备工程领域的应用更直接、更具有优势，可通过选择生物对象直接解决工程问题，如图2所示。同时，形态仿生的演艺装备还能显著增强艺术表达效果，使文化和科技的融合更深、更广。

2.2 力学仿生及应用

力学仿生是抽象出生物结构的合理特性和优势并融入到产品的整体或局部设计，提升装备的静、动力学性能，工业领域中的常用型材就是力学仿生的产物。我们知道植物茎秆主要用于吸收、输送和储存营养物质并起支撑叶冠、果实和抗自然灾害的作用，圆形茎秆可以从力学角度进行讨论。如表1(a)所示，设圆形直径为D，其周长为L=πD，面积为S=πD2/4，对于相同周长的正方形，其面积可表示为S1=π2D2/16=πS/4，明显有S>S1，即相同周长条件下圆形截面有更大的面积，进一步的，相同高度的圆柱体则具有更大的体积，也即圆柱形植物茎秆在吸收、输送和储存营养物质时更有优势，这便是植物进化为圆形茎秆的主要原因之一。另一方面，植物暴露在自然界，容易受到风雪等恶劣天气的影响，如表1(b)所示。根据相关力学知识，风压为p的风作用于圆形截面的时所受的风力为F=0.8 Pa，而作用于方形截面的时所受的风力为F1=1.5 Pa，显然圆形茎秆在抗风压方面也具有显著优势，这也是植物进化为圆形茎秆的另一个原因。对于一些草本植物，茎秆通常为空心，如表1(c)所示。同样根据力学知识，圆形截面的抗弯截面系数W=πd3/32[14]，抗扭截面系数为T=πd3/16[14]，那么对于空心直径为d的圆形截面抗弯截面系数W1=(1-β4)πd3/32，抗扭截面系数为TV1=(1-β4)πd3/16，其中β=d/D，分析易知，空心植物壁厚降低到实心截面的20%，抗弯截面系数和抗扭截面系数只降低到实心截面59%，但质量却降低了64%，这便是草本植物进化空心茎秆的原因，为进一步提高抗扭强度，某些植物又进化出茎节，工程师们便以此仿生设计出常见型材。

表1 植物茎秆进化力学分析

目前在演艺装备领域，建设方对大体量的设备需求越来越多，在大体量设备上合理应用力学仿生技术，可显著改善结构的静、动力学性能。根据工程经验，笔者曾仿王莲[1]结构设计过水上大型浮动平台骨架结构，此文以此案例讨论演艺装备领域力学仿生方向。王莲拥有世界上水生植物中最大的盘状叶片，最大直径可达3 m以上，叶脉成肋条状、似伞架，最大承载力可达60～70 kg，如图5(a)所示，故而王莲叶脉结构广泛应用于承重仿生结构。尤其是室外涉水演艺装备在结构、功能和使用环境等方面与王莲构型更具有相似性，甚至可以“无缝衔接”。以最大半径为100 mm调整王莲实物叶脉图，如图5(b)所示，描绘局部叶脉简图，研究了王莲的结构特点，研究表明：①王莲叶脉单元结构呈现出良好的对称性，如图5(c)所示；②各级叶脉间距比值近似黄金分割数，如图5(d)所示；③上级叶脉是相邻下两级叶脉的空间组合，如图5(e)所示；④辅叶脉之间呈交错排列，如图5(f)所示。通过对王莲结构特点的研究，经仿生设计，笔者将王莲结构抽象应用于某大型水上浮动表演舞台的设计，相较于原结构设计，力学仿生的结构设计在结构自重下降约27%的同时动、静力学性能更优，节能降耗效果十分显著。

图5 力学仿生与演艺装备

进入21世纪，人们更加注重大型重金属元素带来的视觉震撼，力学仿生技术给大体量设备的应用提供了设计思路，上述仿生应用案例使大型水上浮动平台骨架设计原材料成本降低，考虑后期加工、安装、人工、运输等成本，可使一套演艺装备机电系统的成本降低30%以上，节能降耗明显。此外作者还仿龟壳结构设计升降台架体、仿胯骨设计升降台支撑等，但总体而言，演艺装备应用仿生设计案例相对较少，仿生对象也有待进一步拓展。

2.3 材料仿生及应用

材料仿生是在材料的外形结构、力学性能分析的基础上，抽象设计出一种新材料，以弥补常规材料的不足或缺陷。人类祖先早已有仿生材料的应用，最早的仿生材料是华夏民族先祖设计的“土坯墙”，即在土中混合植物枝条或秸秆的混合物做房屋墙体，长期实践也证明这种仿生材料的合理性。仿生材料广泛应用于各工程领域，如在演艺装备领域，为取得良好的隔音效果和较小比重，在音乐罩面板上采用铝蜂窝夹层板，如图6(a)所示，以此衍生出生活中常见的夹层纸板等，如图6(b)所示。

图6 演艺装备领域的仿生材料

众所周知，木材因具备良好的可加工性能、小比重、较强的抗振能力被广泛应用于演艺装备工程领域。图7(a)即为国内、外舞台演出木地板典型装修方案[15]，包括一层面板、两层毛板、一层木龙骨、抗振阻尼垫和隔水防潮层。然而木材材料性能也存在诸多的不足，如耐火性能差、隔水性能差、力学性能差(包括抗断裂能力、抗劈裂能力和抗压强度等)，并且木材的材料参数也不稳定，如比重、泊松比等，这些材料参数会因木材品种不同、产地不同、使用环境不同、温度不同产生明显差异，同时大量使用木材对环境并不友好，不符合国家绿色可持续发展和“碳达峰、碳中和”战略。近年来室外秀场的兴起使水中演艺装备应用更加广泛，木材的缺陷限制了其在演艺装备工程领域的进一步应用。借鉴机床领域的树脂混凝土[16]，如图7(b)所示，以石料为主承载料、金属车削废料为增强纤维、金属磨削颗粒为填料、树脂作为粘接剂，设计一种仿生新材料，满足水中或潮湿环境下或替代部分演艺装备中的木材。研究表明：这种新材料具备显著的防火性能、热稳定性、抗振能力、隔水防潮能力和力学性能，与传统的木材相比更有优势。近年来，室外秀场的兴起使水中演艺装备应用更加广泛，以绿色发展为设计理念，针对行业特点设计一种新材料代替演艺装备领域部分木材的应用意义深远。

图7 材料仿生与演艺装备

2.4 控制仿生及应用

控制仿生在故障机理和风险分析的基础上，赋予装备系统自愈功能，让装备系统像生物一样实现故障自修复，提高装备系统寿命和降低报废或停机维修的概率。目前，现代机电工程领域普遍接受德国Isermann教授提出的“五块论”体系，北京化工大学高金吉教授认为机电系统组成的“五块论”是不完整的，应考虑仿生设计，将人和动物的自愈功能赋予机器[17]。演艺装备领域，台面尺寸受限的升降台刚度不足是演艺装备工程领域常见的缺陷之一，工程中通常通过在升降台支撑部件处设计拉紧装置，如图8(a)所示，通过钢丝绳产生的张力减小台面的挠度值，实现刚度修复，有时也可以通过在事前设计同类装置，使升降台台面预先产生反向挠度，如图8(b)所示，通过产生拱形来提升升降台的相对刚度。事实上，在演艺装备工程领域升降台上的载荷常为随机载荷，很难实现理想的刚度修复。如何使升降台机电系统运行中实时分析刚度超过阈值的原因和产生条件，通过智能控制器和执行器适时适量地改变系统的刚度、阻尼和质量矩阵，如图8(c)所示，施加自愈力实现刚度实时自修复才是最理想的设计。

图8 系统仿生与演艺装备

更多情况下，演艺装备的联动过程带来的故障具有很大的不确定性，可通过设计故障自愈调控系统，来减少紧急停车维修概率，进而减少停车损失并降低维修成本，同时减少机器对人的依赖程度以提升演艺装备的安全性能。

3 总结与展望

仿生技术在提高产品的性能、节能降耗、降低停机维修成本、提高机电系统寿命和提升系统安全性能方面有显著优势。相较于其他工程领域，仿生技术在演艺装备工程领域有更加广阔的应用前景，文中在形态仿生、力学仿生、材料仿生和控制仿生四个方面上介绍了仿生技术在演艺装备工程领域的应用方向及简单案例。未来的演艺装备可以根据功能需求直接采用仿生设计，也可以通过对生物不同生理结构、运动机理深入研究，充分发挥仿生技术在演艺行业的借鉴与指导作用。同时在工程实践当中可知，仿生学是生物相关学科，是与工程学、机械学、材料学等众多学科相互交叉的全新研究领域，科研人员与工程技术人员紧密协作、多学科互补互助，未来仿生技术在促进演艺装备行业的应用和发展上必定会发挥出更优越的先进性。