基于硅藻生物形态仿生的实验性家具设计研究

■余香怡，彭金美，田 康.，郭 琼 Yu Xiangyi & Peng Jinmei & Tian Kang & Guo Qiong

(1.华南农业大学材料与能源学院，广东广州 510642；2.东莞市轻工业学校，广东东莞 523900；3.罗马第一大学，意大利罗马 00185）

仿生设计是基于仿生学，对自然对象进行研究后根据设计需求进行特征及原理提取并完成方案设计的目的性设计行为[1]，对家具的创新设计实践具有重要作用[2]。自人类接触藻类生物以来，其已在食物、医学、农业领域得到大规模应用，但与家具设计进行结合较少。为寻求家具产品设计创新性突破，在此以仿生形态设计理论为依据进行实验性家具产品设计，探究藻类生物与家具产品设计结合的可能性，也为当代家具产品设计提供一些可供参考的研究方向与设计思路。

1 形态仿生设计概述

形态仿生设计在仿生设计中最常被运用，其设计重点在于对目标研究对象外部特征的识别提取与再创作[3]。在设计过程中需对仿生对象的“形”与“态”进行把握，“形”是对事物外部特征的客观描述，“态”是仿生形态的象征意义。

1.1 形态仿生设计方法

依据设计深度的不同，可将形态仿生分为具象形态仿生、抽象形态仿生和意象形态仿生[4]。

1.1.1 具象形态仿生

具象形态仿生作为最基础直观的生物形态仿生设计方式，追求设计结果与被仿生对象之间较强的视觉关联性[5]。在设计过程中注重对被仿生对象的突出外形特征进行抓取并进行概括性描摹[6]，因此对应产品在视觉上不仅抓人眼球且极具自然趣味，能够使用户自然地产生熟悉感[7]。

1.1.2 抽象形态仿生

抽象形态仿生也是对仿生对象典型特征的一种反映，但与具象形态仿生相比具有更高的概括性。抽象形态仿生是以仿生对象的形态特征为基础，在进行分析归纳后根据设计需要删繁就简提取目标元素，并进行抽象化处理应用于产品中[8]，最终实现形态超越而神态切合的设计效果[9-10]。抽象形态仿生既具有符号化的表现语言又形式感鲜明，能够诱发用户联想从而产生更多的情感共鸣[11]。

1.1.3 意向形态仿生

意象形态仿生讲求“形意结合”，其根本在于对仿生对象与产品之间潜藏关联的挖掘[12]，要求设计既具有仿生形态上的视觉感又意蕴深厚。比之抽象形态仿生，意向形态仿生的造型更为生动且意趣分明[13]，可给予用户更深层次的情感关怀与满足[14]。

■图1 形态仿生设计体系

1.2 形态仿生设计体系构建

形态仿生设计有由上及下与由下及上两种方式，与由上及下的方式相比，由下及上的设计方式对于仿生对象特征提取更开放多元，利于寻求创新性突破[15-17]，故选用由下及上的设计方式进行设计体系构建，共分为四个阶段（图1）。

1.2.1 设计概念及仿生对象确定

设计概念及仿生对象的确定作为整个设计过程中的方向性引导，直接影响到设计结果的有效性。设计师需在明确设计目标后，根据目标所要达到的视觉效果、语义内涵及情感展现等对各类对象进行分析比较以选取最终仿生目标。

1.2.2 仿生对象形态认知与特征提取

准确的特征提取需以深刻的形态认知为前提，设计师需明晰产品形态特征与用户认知之间的影响关系，并依此对应关系选择目标提取特征。对形态特征进行认知应先观察、分析并积累足够的形态特征信息量，从而了解个性与共性区分主次关系。

1.2.3 设计转化

设计转化是实现特征转换并完成方案视觉呈现的过程，在保证目标特征信息能够准确传达的基础上对其进行简化处理，此阶段可通过直接形态仿生、抽象形态仿生及意象形态仿生设计方法实现[18]。

1.2.4 有效性评价

有效性评价作为设计开发不可或缺的最后阶段，需对整个设计结果做出把控。有效性评价的评价因子众多，需根据设计目标选择目标评价因子。尽管设计目标影响评价因子的选择，但好的仿生形态设计方案是总能与目标评价因子形成较好契合的[19]。

2 硅藻的形态特征

由于藻类品种繁多，细胞形态上较为丰富且特殊的大多为硅藻门，因此本文挑选了最具代表性的硅藻细胞进行研究分析[20]。依据壳面花纹的不同，硅藻可被分为中心藻纲和羽纹藻纲2纲，其中以中心藻纲的小环藻属（Cvllotella）、直链藻属（Melosira）和根管藻属（Rhizosolenia）；羽纹藻纲的脆杆藻属（Fragillaria）、桥弯藻属（Cymbella）、双菱藻属（Surirella）、舟形藻属（Navicula）和羽纹藻属（Pinnularia）最为常见[21]，本次硅藻形态特征便基于此8个属进行分析。

2.1 常见硅藻成像及外形特征

硅藻是细胞壁硅化并形成套合壳瓣结构的真核藻类，多为单细胞生物，有时也会集成细胞群体[20]，其常见种类显微细胞成像及外形特征分析如表1所示。

表1 常见硅藻的成像及外形特征

2.2 常见硅藻细胞表面纹样肌理特征

常见硅藻细胞表面纹样肌理特征具体分析如表2所示。

3 设计实践

3.1 设计概念及仿生对象确定

以藻类中形态较为特殊的硅藻为形态仿生设计的目标提取对象，符合将藻类与家具设计进行结合，探究此两者设计结合可能性与创新性的实验目的。从表1、表2中对较具代表性的硅藻形态特征进行分析可知，硅藻细胞形态各异且独具特色、辨识度高，故从中选取细胞外形特征及纹样肌理都较为特殊的舟形藻作为本次试验对象代表，进行实验性家具设计。

表2 微观视角下常见硅藻的细胞成像及表面肌理

3.2 仿生形态认知与特征提取

通过显微成像可清晰探知舟形藻的形态结构特征：舟形藻呈两头窄中间宽的小舟形，细胞中央具有中央节和点纹，中央节两端为对称的肋状连接结构（图2）。提取舟形藻的舟形与对称的肋状连接结构进行草图模拟，绘制完成后对其肋状连接结构进行简化及弯曲变形，得到结果如图3所示。为配合家具的实际使用，以图3提取得到的对象为基础，结合家具中座椅的特征，进行结构上的优化以及三维转换。在增加了后椅腿及宽阔的座面后不断对各个结构部件之间的连接方式、整体比例及线条曲度等都进行了适度的调整优化，使其高度、靠背曲线等都符合人体曲线，最终形成Navicula Chair的基本框架结构（图4）。

■图2 舟形藻细胞形态

■图3 对象特征提取

■图4 设计转化草图

■图5 Navicula Chair最终效果图

■图6 Navicula Chair实物模型

■图7 Navicula Chair与舟形藻的形态对比

3.3 方案视觉呈现

根据舟形藻形态特征提取后进一步演化得到的设计草图，运用3ds Max进行模型构建，并在建模过程中进一步撇除多余结构。由于舟形藻本身所具备的颜色较为单一，故根据Navicula Chair造型所具备的线条感与科幻感，选择颜色缤纷的金属质感喷漆进行配合，得到Navicula Chair的最终设计效果，呈现如图5所示。为更好地对本次设计结果进行最终评价，笔者运用3D打印技术对Navicula Chair进行了实物模型的打样，最终打样成品如图6所示。

3.4 有效性评价

产品形态仿生设计的有效性评价是基于形态仿生设计，对产品的外部表现、功用、规律等进行评估[9]。根据本次实验的设计目标，以最终设计成果与目标仿生对象的相似性、视觉呈现的可观赏性及产品功能需求可用性为评价因子进行有效性评价。

（1）与目标仿生对象的相似性评价：Navicula Chair在视觉上生物形态特征明显，较好地保留了舟形藻两头窄中间宽的小舟形、两端对称的肋状连接结构、中央节和点纹等突出特征又与舟形藻的形态有所区别，符合生物形态仿生设计的设计要点（图7）。

（2）产品功能需求可用性评价：Navicula Chair具备座椅的基本结构，整体线条流畅且能够较好地贴合人体曲线，在用户进行使用时能够对背部有一定的支撑作用，符合座椅用于坐的使用需求。

（3）视觉呈现可观赏性评价：Navicula Chair选用金属质感喷漆进行表面喷涂，不仅固色永久且其整体造型与色彩配合融洽具备一定的视觉观赏性，与市场现有产品之间形成了一定的差异，与设计目标的差异化、创新性要求契合。

综上所述，本次以舟形藻作为硅藻细胞代表，进行基于生物形态仿生的家具设计实验具备较好的有效性，证明了将藻类与家具设计进行结合的可行性。

4 结语

藻类资源丰富且性状优异具有广阔的探索与应用空间，但与现有家居产品设计的结合仍寥寥。其造型丰富多样且特征分明，是极好的生物形态仿生对象[22-23]。通过对硅藻的形态特征进行深入研究后，有针对性地对其微观细胞形态和细胞表面肌理等进行梳理总结。并以此为切入点，结合生物形态仿生设计的设计流程及方法，进行实验性的设计实践，证明藻类与现代家具产品设计进行结合的可能性。设计师在进行家具设计的过程中，可以大胆探求不同自然生物与家具之间的联系，寻求更多的创新突破。