论计算机模拟在仿生设计中的应用
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作者:杨晴雅
摘 要：随着人类科技的飞速发展与进步，计算机模拟成为进行仿生设计的主要方法之一，同时也成为仿生设计过程中的必要步骤。本文通过对计算机模拟仿生设计的应用的阐述，以期能够给相关研究者提供一定的借鉴与参考。
关键词：仿生设计;计算机模拟;应用研究
利用计算机模拟法进行仿生设计，是仿生设计中的主要方法之一。合理地应用计算机，能够使得仿生设计的质量得到更好的保证与提升，减少仿生设计中结构、形态等出现问题的可能。所以，从事仿生设计和研究的人员，要在实际的学习工作实践中，结合前人和自身的设计经验，对计算机进行合理、有效的运用。鉴于此，本文主要分析计算机模拟在仿生设计中的应用要点，力图从计算机模拟方面为推进仿生设计的发展贡献一点力量。
1 仿生设计中计算机模拟的重要性
近些年来，由于世界科技的高速发展，计算机技术也在不断进步，其应用范围也越来越广泛，利用计算机模拟进行仿生设计已经得到了人们的广泛关注。所谓计算机模拟，主要指的是利用计算机对仿生模本和仿生制品的特性、属性、结构进行分析，将仿生设计与计算机模拟进行有效的结合。由于仿生设计涉及的领域比较广，将计算机模拟应用到仿生设计中，不仅能够提高设计师的设计效率，而且能对仿生设计进行最佳化的选择，并对仿生设计进行可行性与功能性的筛选。
除此之外，在仿生设计中，利用计算机进行模拟，能够为设计研究者提供更多的设计灵感，在设计过程中可以更加灵活地对设计方案进行更改，并得到最佳化的选择;可以使得仿生设计的内部结构和外部形态更加合理，进一步提升仿生设计的效率和效益。这就要求仿生设计研究者需要不断学习新的、更先进的计算机模拟软件，改善原有的仿生设计方案，提高仿生设计方案的实施效率。
2 基础理论解析
2.1 仿生学理论解析
2.1.1 仿生学的含义
（1）传统定义：仿生学定义最早是从信息科学，更具体地说，是从控制科学与工程就开始的。
仿生学传统狭义定义是，研究生物体接受、传递、加工及其机制，并将之作为模拟对象，来设计各种自控机的科学。后来在仿生学研究不断深化的形势下，又产生了仿生学传统广义定义，即仿生学是“研究生物界各种各样的特征（包括物质、能量、信息等），并以之作为模拟对象，来改善现代技术设备并创造新技术”。
在仿生学传统定义中，无论是狭义定义、广义定义，还是后来演变的定义，都是在下列条件下定义的：一是仿生模本都是生物，即动物、植物、微生物;二是仿生模拟都是非生物制造。
（2）现代定义：随着现代社会不断发展，人类对自然界的探索也在不断深入，仿生学也经历了孕育—发展—成熟的不同历程，进入了下一个全新的发展阶段。仿生学的定义也随着现代科学技术的发展，特别是与生命科学、医学、保健科学等的深入结合，得到了进一步的丰富、拓展和提升。
仿生学现代的狭义定义，即为仿生学传统的广义定义，而现代的广义定义可表述为，学习、模拟生物、生活和生境制造，包含自然或人造生命及其组件的人工制品。定义中所体现的不仅是仿生模本从生物拓展到生活与生境的突破，更是仿生模拟实现了非生物制造与生物制造的紧密结合;仿生制品不仅仅是人工制品，而且是直接包含有生命体或其组件。
现代广义定义中对仿生学还有进一步的表述，即仿生学是学习、模拟大自然，在建造的人工制品中实现回归自然的仿生发展理念和发展模式的科学。
现今，在交叉学科的渗透和影响下，仿生学的研究内容有了进一步拓展。将生物、生境及生活中一切对人类需求有用的信息，均作为仿生模本被模拟。同时，仿生模拟也加快了从“形似”向“神似”迈进的步伐，仿生制品也从传统的非生命仿生制品向包含生命组件的仿生制品和具有完整生命的仿生制品方向发展。[1]
2.1.2 仿生学研究内容
（1）生物研究：生物研究分为纯生物学研究、生物现象研究、生物学已有成果研究及模本生物研究。
纯生物研究是基于生物专业或对生物的兴趣，研究生物系统各个层次的结构、功能、行为、控制、生长发育、起源、进化，以及生物与周围环境的关系等。这是基础研究，也是仿生学的生物学基础。
生物现象伴随着生命全过程，时有发生，新颖，机理隐秘，有时甚至是偶发，容易引起人们的好奇、兴趣，甚至成为爱好，驱使人们去探索、去研究。由于人們好奇心所产生的探索生物现象奥秘的动力是难以估量的，其研究成果产生的影响也是不可估量的。虽然对生物现象的最初研究并无仿生学应用背景，但是，正是人类对生物奇异现象的好奇、对探索生物现象奥秘的兴趣和对明晰生物特异现象机理的向往，才产生了对人类社会具有巨大价值的仿生发明与创造。
对已有的生物学成果的研究主要有两个方面，一是大面积进行分析、提纯、凝练、归类、集成，为仿生学研究做好战略储备;二是带着明晰的需求，有目的地寻找有可能用于仿生学的生物学研究成果——这是应用基础研究，研究成果有潜在的或明确的仿生应用前景。生物学已有成果研究的对象是生物学领域已被研究和已形成的成果，有仿生学应用的大背景，但多数暂无具体应用目标。现对其进行探索的目的就是要对已有成果的特点、规律、原理等进行归类，进一步系统深入分析，以备仿生学应用;抑或有具体应用目标，寻找适于目标应用的已有成果。
根据工程实际需求，选择典型生物模本进行研究。这是应用基础研究，研究成果有明确的仿生学应用目标。模本生物的研究就是带着工程中的具体技术难题到生物界寻找灵感，有明确的工程需求和具体的应用目标;且生物界已有研究成果不能满足工程需求，必须在生物中优选符合工程需求的生物模本，通过研究后，将其功能结构原理直接进行仿生应用。
（2）生活研究：以人类自身的自然生命、生活智慧、生活现象等为模本，提取人类生活的精髓，进行更贴近人们生活、更高层面的直接或抽象仿生。人类具有和其他生物不同的思维模式，人类利用这些不同的思维模型来发现自身生活中具有的规律和哲理，这些都可作为仿生模本进行仿生行为。 （3）生境研究：生境及人类与生物生存的环境，这里主要是指自然环境、自然生态，以及常见的或偶发的自然现象。这是人类赖以生存、不可或缺的条件，也是保证人类得以发展的重要条件;是仿生学的重要养分，也是重要的提供仿生模本的途径。
（4）自然界运行规律研究：仿生学的根本宗旨就是学习，模拟大自然的运行法则。当人类的发展理念和经济发展模式与大自然不协调，人类面临重大的经济难题和严重的环境危机时，对自然界运行规律的研究将是最为重要和最为迫切的。[1]
2.2 仿生设计理论解析
2.2.1 仿生设计基本概念
仿生设计是模拟自然界中的生物信息、生境、规律等特征，进行原创性的设计。简单来说，仿生设计就是模仿生物的各种特征或受生物启发而进行的广义设计。[2]
仿生设计学，又称为设计仿生学，是关于研究生命、生物形状、功能、结构、色彩、声音、材料、意向，甚至情感、趣味等物质与精神特征的设计科学。仿生设计是仿生学与艺术设计相结合的边缘性交叉学科，也是20世纪末到21世纪初人类科学发展的新方向和新成果。仿生学和仿生设计有着共同的研究内容和对象。仿生学的原理和研究成果迅速地运用到立体设计中，包括工业设计、环境艺术设计、服装设计等领域;同时，其也被运用到平面设计中，包括海报设计、装饰设计、标志设计等。[3]
仿生设计的基础是仿生学，仿生设计小于仿生学，是仿生学的研究在设计领域的实践，是仿生学各个交叉学科中的一种。仿生设计融合了仿生学研究的方式方法，并将其运用到设计领域。仿生设计的灵感同样来自自然界万物，是创造人与自然和谐的重要方法与手段。
2.2.2 仿生设计的特征
仿生设计平衡了人、自然、科技三者之间的关系，其具有四大特征，分别为：
（1）实物性。仿生设计的核心是仿生制品，而仿生制品必须是真实的、确实存在的实物性物品。仿生设计将仿生模板的形态、功能、结构、肌理、色彩等要素应用到仿生制品中。这时的仿生制品就相当于一个载体，这个载体寄托着人们生存发展的需求，同时也寄托着人们向往大自然的精神上、情感上的需求。
（2）整体性。仿生设计是一套完整的设计系统。通过对仿生模本整体的形态、结构、功能、规律等进行研究与模仿，选择出符合人类需求的特征，将其应用到仿生制品中，改善已有的科学技术工程，并创造出新的技术。仿生设计对于自然界的学习和模仿是综合性的、理性化的结果，整合了自然界生物的信息系统后的结果。
（3）自然性。仿生设计是对自然界生物信息的学习和模仿，自然就拥有了自然的属性。从远古时代工具的发明开始，拥有自然属性的仿生活动就充斥在人类的生活与发展活动中。除了仿生模本形态、结构、色彩等的自然属性之外，设计理念也有着自然的属性——和谐共生。
（4）美学性。仿生设计是人类自然美学的体现，因其借鉴、学习、模仿的对象就是自然界中的生物，而自然界的生物就是美的产物。歌德（Johann Wolfgang von Goethe）在《对自然的简单模仿、手法、风格》中提到，“大自然和艺术是一个整体，大自然本身就是艺术品，而艺术品又是艺术家对大自然深刻观察的产物。设计作为人类掌握世界的第五种方式，也将自然本身的美学意义进行最大化”。[3]贡布里希（E.H.Gombrich）说：“有一种秩序感的存在，它表现在所有设计风格中，而且，我们相信它跟人类在生物遗传之中……我相信，有机体在为生存而进行的斗争中发现了一种秩序感，这不仅是因为他们的环境在总体上是有序的，而且是因为知觉活动需要一个框架，以作为从规划中划分偏差的参照。”[4]从这段话我们可以看出，一部分秩序感来源于自然界生物先天的遗传功能，大自然具备这种有秩序的美，这种有秩序的美通过人们的仿生行为被人们应用到了仿生制品中。仿生制品提供给人们使用，人们也就拥有了大自然这种秩序美感。这说明仿生设计承载了大自然的美学价值。
2.3 计算机模拟理论解析
计算机模拟法是利用计算机，在软件上面进行仿生制品的结构系统模型的建立，可以对仿生模本和仿生制品进行设计、研究、分析、调整、实践等，是从设计到完成过程中重要的一环。仿生设计研究者科学地利用计算机从而进行模型的构建，使得仿生设计方案在更加完善的同时对可能出现的问题进行解决方案的设计，保证了设计方案的科學性。
计算机模拟法有两个重要的步骤：一是建立模型;二是模型分析。模型建立的科学性、准确性、完整性、系统性对后续的分析、调整、优化有着直接的影响，因此模型分析这一步骤至关重要。模型分析是根据模型复现在实际情况系统中仿生制品的情况，通过模型来研究可能会出现的问题或状况;同时，通过观察研究模型的变化，寻求最优化的结构和最佳的设计方案。在设计阶段，利用计算机进行模拟，建立模型，可以任意地修改、变换、调整，节约时间也节约资源。
现如今，人类开发出各种各样的计算机模拟软件，选择合适的软件来进行计算机模拟也十分关键，选择适当的模拟软件是科学、精准地模拟和表现仿生设计实际状况的保障。这么多种类的模拟软件，所以在进行建立模型和模型分析时，应该根据仿生模本与仿生制品的特性、属性、结构等因素，选取出最佳的模拟软件进行分析。
3 计算机模拟在仿生设计中的应用分析
3.1 计算机模拟
在仿生设计领域，计算机模拟具有很大的优越性。它可以解决很多在仿生模型上复杂的却无法用其他手段解决的问题，可以利用它模拟已发生或未发生的多种不同的情况，可以实现具体的实物模型无法达到的微观层面等等。因此，计算机技术不仅仅是科技发展或其他学科可以利用的手段，也是仿生设计研究重要的方法。
3.1.1 建立仿生模型
在构建仿生设计方案的结构时，仿生设计研究人员需要做好相应的计算机模拟设计工作，要将仿生设计更加直观地表达出来，有效弥补二维设计图纸语言的不足。这时，对于仿生模型的建立就显得尤为重要。 仿生模型是对仿生模本结构、形态、功能等方面等进行模拟，利用计算机进行模型的架构，这种模型可以是物理模型或数学模型，静态模型或动态模型，连续模型或离散模型等。[1]
在仿生模型的设计研究阶段，设计研究者需要结合仿生模本内外部的各个细节，进行最佳化的处理;仿生设计研究者可以结合相关研究人员提出的意见，对仿生模型进行合理的改进。
3.1.2 分析仿生模型
仿生模型建立的正确性、科学性、准确性，对后续的研究至关重要，因此对仿生模型进行分析与评估就显得尤为重要了。
分析仿生模型这一过程，可以通过试验，观察模型各变量之间的全部变化。这些变化中有合理的也有不合理的变化存在，因此，分析仿生模型，可以提前设计出应对不合理变化的解决方案。通过多次的试验，可以修改模型的结构、参数等，最终得到最佳化的仿生设计方案。再将最佳化的设计方案应用到仿生制品的制作中，可以使得仿生制品具有合理性、科学性、准确性等特点。
3.2 相似模拟法
相似模拟法是根据仿生模本的结构特性，创建一个与仿生模本相似的模型，然后通过模型来间接研究模本的特征规律。因此，相似模拟法首先要设计制作出模型，建立与模本相似的模型，而且在有多个模本时，要设计制作多个模型。模型的各个要素必须要与模本相对性的要素相似，相对性要素的相似指数越高，模型与模本的相似度便越高，这样研究出的结果才会更加贴近模本。
制造设计并作出模型后，便可以开始获得数据了。在研究实践的工作中，有时很难利用现有的理论基础去研究分析并解决出现的困难和问题，然而又很难将仿生模本直接拿到面前进行分析研究，这时模型的制作就显现出它的重要了。采用相似模拟法，建立与模本相似的模型，對相似的模型进行相似条件下的分析与研究，将会更加容易掌控研究过程，更容易调整研究参数和条件，也更容易取得设计研究的成功。
3.3 计算机模拟原则
在利用计算机进行仿生设计的研究工作时，需要进行仿生建模。仿生建模是指利用专业的计算机建模类软件进行模型的建立，如CAD、3D MAX、UG、Rhino、Sketch up、Creo、CATIA等。借助这些软件建立的仿生模型，可以使得设计研究者对仿生模本的分析更加透彻，对仿生制品的结构、特性等更加明确，这样可以更加精确地确定设计方案，制造出仿生设计产品。
在进行仿生建模时，需要遵循功能性、简单性、准确性和可识别性这4个原则。
第一，功能性。不同的模本有着不同的功能特性，不同的功能对应着不同的仿生模型，因此需要在明确仿生制品的功能性选择后，选择不同的仿生模本，这样才能在准确提取功能特性的情况下进行模型的建立。
第二，简单性。模型建立的过程中，在满足仿生设计要求的前提下，应抛去复杂烦琐的结构因素，提取主要因素，舍弃次要因素。分清主次并确定优先顺序，是实现仿生设计最佳化的重要方法。
第三，准确性。利用计算机建模时，模型的准确性是决定和保障之后研究工作的科学性、准确性的重要条件，因此建模时要保证模型的合理性和准确性。当模型出现问题时，后续的研究工作将无法展开或展开后得到错误的结果。
第四，可识别性。模型必须具有仿生模本的特性和识别性，其功能、形态、特性、肌理等都需按照正确的描述和方法进行表达。按照模型来制作的仿生制品才具有仿生模本的特性和识别性。
不同的仿生模本也可能出现多种模型，从仿生模本不同的功能、特性等出发，就会得到不同的仿生模型。因此在建立模型时，可以根据仿生模本不同的特点进行分析和研究，具体问题具体分析。
4 结语
本文首先对计算机模拟在仿生设计中的重要性进行阐述，再对仿生理念和计算机模拟的基础理论进行解析，最后分析了计算机模拟是如何应用在仿生设计中的。
对于计算机模拟在仿生设计中的应用这一研究领域，其实践远远走在了理论的前面，实践较多，但相关的理论研究却十分欠缺。计算机模拟法对于仿生设计有着极大的帮助意义和启发意义，仿生设计的应用研究也同样具有深远的现实意义。因此，笔者希望本课题能够填补一些国内外相关理论研究的空白。
参考文献：
[1] 任露泉，梁云虹.仿生学导论[M].北京：科学出版社，2016：3-6，10-18，324.
[2] 余秀欣.论仿生设计的原创性方法在现代创新设计中的应用[J].艺术百家，2006（2）：93.
[3] 蔡江宇，王金玲.仿生设计研究[M].北京：中国建筑工业出版社，2013：12-13，17.
[4] 贡布里希（英）.秩序感[M].杭州：浙江摄影出版社，1987：13.
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