仿生学在电动车设计中的应用

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仿生设计作为一种极具特色且应用广泛的设计方法，在电动车这个新的设计领域中必将起到不可替代的重要作用。

    1 设计的选择

    仿生设计是一种借助于大自然力量的优秀设计方法。环顾周围事物，都是生物经过千万年不断演化改进后的最佳结果，生物从出生开始就必须与环境搏斗以求生存。在此先天环境条件下，所有的生理结构、机能必须持续进化，以符合猎食与避免被猎食的生存基本需要，即达尔文在物竞天择理论中提到的：唯有大自然中最好的设计才有被保留下来的机会。而设计的过程就有如生物进化过程一般，从开始到最终结果包含了无数次实验、测试和修正，以达到最完美的程度。

    仿生设计学与旧有的仿生学成果应用不同，它是以自然界万事万物的“形”、“色”、“音”、“功能”、“结构”等为研究对象，有选择地在设计过程中应用这些特征原理进行设计，同时结合仿生学的研究成果，为设计提供新的思想、原理、方法和途径。在某种意义上，仿生设计学可以说是仿生学的延续和发展，是仿生学研究成果在人类生存方式中的反映。

    图1为玛莎拉蒂3200 GT款汽车，车身正侧面的造型犹如一条张嘴的小鱼，两个后视镜好象驼类或是奶牛的两只耳朵，让人产生亲近感，拉近人与车之间的距离。

    2 仿生设计的应用



    以往，仿生设计主要集中在对生物形态、色彩等表面层次的模拟，通过隐喻象征的手法将其抽象、概念化，借以表达产品独特的造型风格，这种设计模式所产生的产品造型不胜枚举。综观这些形态的设计，绝大部分是从产品的外型出发，然后再照顾到产品的功能。现代仿生学的研究成果使仿生设计正在从简单的形态模拟发展到模仿生物的构造及运动原理，形成由内而外的设计流程。仿生设计主要可分为形态、功能、结构和运动仿生设计等。

    2.1 形态仿生设计的应用

    这种设计方法是对生物体的整体形态或某一部分特征进行模仿、变形、抽象等，借以达到造型的目的。车身的仿生造型并没有优化电动车的某些性能，仅是赋予车体某种形态，含有一定的隐喻意义。这种隐喻意义可能出自设计师个人的喜好，也可能是考虑到大众的喜好，或某一消费人群的偏爱而赋予车体某一特定的生物造型。

    例如，为体现车辆的高速行驶感，车身造型常模仿猎豹、老虎等猛兽的形态，这些形态并不能降低风阻、提高车速，也不能加强车辆其它方面的性能。它仅仅是设计师赋予车身外观的某种隐喻含义，为设计添加一些特殊的趣味内涵，迎合消费人群的视觉与心理需求。如摩托车的造型犹如一只匍匐蓄势的猎豹，厚重结实的车身仿佛猛兽强健的肌肉，充满了力量。它不仅让人感到驾驶时风驰电掣的速度，还让使用者对产品安全、稳定的性能充满信心。

    这是一种由外而内的设计流程。先以产品的隐喻意义来探讨产品的外在形态，再进而讨论产品内部的结构意义。利用这种设计方法时，首先根据消费人群的心理找到对应的生物体，然后选取该生物体的整体形态或某一部分的细节形态进行分析、调整、变换。这种对生物体外部形态的分析，可以是抽象的，也可以是具象的。在此过程中重点考虑的是材料和加工工艺方面的问题。

    2.2 功能仿生设计的应用

    这种设计方法是对生物体的整体形态或某一部分特征进行模仿、变形、抽象等，借以达到设计目的。车身的仿生设计有助于某项或某几项功能的实现或提升。

    电动车的电池成本非常高，容量不大，且其功率较汽油发动机小。为了得到相应的速度和行驶里程，必须要减轻车身的重量并降低车辆行驶中地面和空气的阻力。这里有一些常见的手段：

    1 采用玻璃钢、铝合金等轻质材料，以减轻整车重量。

    2 通过行驶中空气产生的升力，抵消一部分车的重力。

    3 减小前脸面积，降低车辆行驶中的风阻。

    4 通过光滑流畅的车身形态，减小车辆行驶中空气的摩擦阻力。

    美国最近生产了一款燃料电动车，两侧的造型仿鸟类的翅膀，通过行驶过程中，空气对车身产生的升力抵消车体的一部分重量，从而达到节约功耗，提升车辆行驶速度的目的。



    图2是一款电动车。该车前脸造型模仿白暨豚的头部造型，白暨豚在漫长的进化过程中形成了良好的外部形态，以便在大海中高速、自如地游动。白暨豚与汽车在运行中具有类同的流体力学特征以及空气动力特征。利用它头部狭窄、光滑流畅的造型，减少车辆行驶中的空气阻力。

    该车被要求运行于起伏不平地形。所以，在设计过程中对车的接近角大小和前悬的尺寸有严格的要求。白暨豚有狭长的吻部，在设计过程中对吻部进行了抽象，缩短了它的长度。车轮在转动时会带起灰尘或泥浆，所以前轮的后部必须被遮蔽，以避免泥浆溅入驾驶室。为此，设计者选择了白暨豚头部弓起、吻部向下的形态进行模仿，在前脸的下部形成一道弧形，用以遮挡向后掠起的灰尘或泥浆。车头中部的凸起，仿自白暨豚的额头，它在造型上与下部的凸起相呼应，并起到横向加强筋的作用，优化了车头力学性能，防止运行中产生不必要的震动和意外撞击。

    这类设计是先找到对应物的生物原理，通过对生物的感知，形成对生物体的感性认识，再从功能出发，对照生物原形进行定性的分析。

    2.3 结构仿生设计的应用

    从对生物结构如骨骼、关节、肌肉组织等进行了解，可以发现并解释生物机能产生的原因。研究生物的结构形态，在感性认识的基础上，除去无关因素并加以简化，提取生物模型，目的是研究生物体本身的结构原理。

    车身上的各个覆盖件都附着在车架上，车架就好比动物的骨骼，而附着于车架的覆盖件是动物的表皮，传动系统是动物的肌肉，电动机就是心脏。现在有些汽车造型设计师是先决定车的外观，再反推车身的内部结构--整个设计过程就好像由表皮到肌肉、骨骼，让人觉得有悖于常理。

    根据结构仿生设计的流程，设计师可以先按特定种类电动车功能的要求，选择具有对应特征生物的骨骼，进行分析、变化，将其运用于车架的造型。在此基础上再决定钢瓶、燃料电池组、电动机控制器、电动机和传动系统等内部功能构件的布置，然后确定座舱空间及其空间的划分，最后用各种覆盖件将车体封闭。

    如图3，车身侧面的通风口，模仿了鲨鱼的鳃裂。这种模仿不仅限于形态的模仿，还有其功能上的意义。汽车在高速行驶时，阻力来源于空气对车身正面的阻力以及侧面的摩擦，而且车身底部的升力也使汽车行驶的平稳性大大降低。侧翼的导流口可减少汽车高速行进时侧面空气的阻力，增强行驶中的稳定性。



    这是一种由内而外的设计方法，先不必理会产品的最终形态是什么，从电动车的内部结构出发，实现汽车功能及其运动方式，然后再慢慢延伸为特定造型。这种设计方法暗合建筑师沙利文在上世纪初提出的口号“形式追随功能”。

    2.4 运动仿生设计的应用

    世界著名的设计师西特·米德设计了一种回转平衡行走的货车，用于北极周围运送给养和器材。他就是反思大象的重量与其游牧的习性产生的灵感：大象行进时，其质量是通过踝关节和脚间距离来分配到每一个脚掌和扇形跗骨上，由于脚的收缩，重量可以减轻而不致于陷入泥泞。根据这个仿生原理，他在行走这一方式上复制出了象脚的自然功能--可以交错扩张和收缩的机械，从而使巨大质量的车辆可以如动物般行驶。

    生物界的蜘蛛共有8条腿，在行走的时候总会4条腿撑着地，这样可以保持稳定的动态平衡。依靠这种优势，蜘蛛可以在不同的路况下像在平地上一样行走。仿生蜘蛛机构正是基于这一特点而设计的。仿生蜘蛛机构由减速系统、定轴轮系机构、空间连杆机构、触摸开关电路组成。它可以模拟蜘蛛的爬行，可以在路况较差的情况下平衡行走，且力矩大，运动精确，是一种值得重视的仿生机构。

    该方案通过齿轮定轴轮系机构，将原动力通过一个空间运动转化为连杆的空间运动。而空间的运动正是模拟了蜘蛛的生物运动--包括抬腿、向前迈腿、向后蹬腿，完成一个循环，从而实现行走。机构的平衡性通过调整连杆的不同步调来实现。触摸开关是模仿蜘蛛的神经系统：当有人触摸其身体的时候，电动机开始工作，蜘蛛向前行走，模拟它受惊吓疾步前行的状态。

    3 结论

    在这个电动车即将大行其道的时代，对电动车辆设计的需求必将大幅增加。车身的造型设计是一个人和环境相互交缠的、复杂的过程。在这个过程中，必须处理好结构、功能、形式、色彩以及这些元素之间的协调配合。而自然界的各种生物历经千万年的生态演化，正是各种因素完美结合的典范，汽车设计师应从自然界的存在中体会、理解并掌握这些仿生原理，将之灵活应用。

    仿生设计拓宽了我们创意思考的源泉，提示我们遇到问题时回到问题本身，也许可以发现必然的解决途径。通过对自然界的认识与观察，主动发现设计与自然界现象千丝万缕的关联，进一步优化这种关联。这种联系性对于设计师而言，决不仅仅存在于动植物的外观，事实上透过进一步的研究，可以发觉更多生物与生物间、生物与周围环境间的相关议题，这些议题均可为汽车设计领域提供更多的思考方向。

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关于仿生学在电动车设计中的应用，以下是我的回复：

仿生学在电动车设计领域的应用日益广泛。其灵感来源于自然界生物的结构和特性，如借鉴鸟类翅膀的空气动力学原理优化车身线条，降低风阻，提升能效；仿照生物骨骼结构设计车架，提高车身刚性与轻量化的平衡。此外，仿生学在电池系统、电机控制等方面也有应用。这些应用不仅提升了电动车的性能，也推动了电动车设计的创新与发展。未来，随着科技的进步，仿生学在电动车领域的应用将更加深入和广泛。