工業設計造型基礎第5課：自然形態的尺度初探
工業設計造型基礎第5課：自然形態的尺度初探
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造型基礎的學習經常是建立在對自然的觀察和理解上。通過觀察與分析自然形態，汲取造型設計的營養。通過分析、了解自然形態的成因，可以掌握形態生成和創造的普遍規律。因為：
首先，自然形態是豐富多彩的，自然形態的多樣性和特異性超乎人們的想象，是一座形態的寶庫。
第二，自然形態的式樣存在明顯的規律性。它的形成和發展是適應自然界規律的結果，通過各種要素相互作用逐漸產生的。
無論自然形態還是人工形態，都可以理解作是形態要素根據一定原則的組合，這些形態構成原則是相通的。對自然形態的探索和分析，就是尋找和吸取這些經過自然公理驗證的原則。
自然形態尺度大小與形態相關性方面，具有較強的規律性。本章從自然形態的尺度角度出發，討論自然形態的“造型”原則。
第一部分：自然形態中的尺度規律
3.1 自然形態恰當的尺度
朱利安·赫胥黎在論述生物形態時曾經提到，“大小本身就是迷人的！”
“生物作為一種物理客體，自然選擇使他們具備有一定優勢的形狀。結果必然使他們具備了最適應大小的形態”[1]。比如，昆蟲的形態與它嬌小的身材相適應，巨獸的形態必然與它龐大的體型相適應。盡管昆蟲的形態千差萬別，巨獸也千姿百態，但我們通過比較不難發現，生物尺度大小與形態具有一定的規律性：
第一、 尺度差異與內部結構差異。
大型復雜動物在進步進化中發展出了結構復雜的內部器官。這不是內部的裝飾，而是它們身體變大的必然需求。小的生物不需要肺和復雜的胃腸結構，它們能通過體表進行呼吸和吸收，即可滿足整個身體的氧氣和營養需求。比如絳蟲這類簡單的動物，沒有內部器官，假如它們不斷的變大，形狀必須向狹長方向生長。一只絳蟲可以長達1米，但厚度不能超過2厘米，因為食物和氧必須從外表面直接滲入到身體的各個部分。當這種可塑性達到極限，它就會成為進化的犧牲品。因而，它們總保持一定的大小。
昆蟲通過外表面的折陷部分呼吸，氧氣也是由外表進入整個身體。如果軀體大的話，折陷部分必定非常多而且深。因而，昆蟲的大小也是有限的。如果太大，它的身體就要“全部折陷”，沒有內部器官的空間了。
大型動物的體積太大，無法通過體表面積來滿足全身氧氣和營養需要，因而必須通過內部器官來發展內表面積。肺本質上是表面褶皺豐富的袋，為氣體交換提供足夠的表面積；胃腸等消化器官本身不大，但是絨毛和褶皺增加了吸收營養的表面積，小型哺乳動物的胃腸沒有絨毛，也不需要絨毛。
由此可見，生物尺度大小差異，使它們的體積與表面積之比產生很大的差異。當形狀保持不變，體積增長比面積增長快。因為體積的增長是長度的立方（長3），而面積的增長只是長的平方（長2）。因為動物的許多生理功能依賴于表面積來進行，例如，呼吸、營養交換等，所以，體積與表面積的關系成為限制動物尺度與形態的重要因素。
這個道理同樣適用于人工形態。例如大型的交通工具（公交車、火車、輪船等）、大型的建筑（體育館、劇院等），我們需要充分考慮到它們的體積與表面積的關系，以及內部構造。如圖3-1，太陽能熱水器必須在保持體積的同時增大表面。
第二、 尺度差異與支撐結構差異。
小型的動物，如昆蟲，是由外骨骼來支撐整個身體。在生長過程中，只有蛻去外骨骼，分泌出一個與增大的身體相配的新外骨骼才能生長。在脫皮與再生長期間，身體是柔軟的。大型動物如果沒有支撐結構，在萬有引力的影響下，身體就會變成一堆肉泥，而小的動物則更容易保持身體的形狀。在水中，由于浮力、重力與壓力的關系與陸上不同，因而水中生物的支撐結構與尺度關系自成體系。
陸上的大型動物需要內骨骼支撐，“伽利略在1938年發表的《對話》中指出，大型動物的腿骨必定粗壯的不成比例，以提供與小型動物細腿相應的支撐力”[1]。我們都看得到，蚊子、蜘蛛具有細長的腿，相比而言，烏龜、狗和大象的腿顯得粗而短。在造型設計中，同樣需要解決支撐的問題，可以從自然物的支撐構造中得到許多啟發，如圖3-2。
第三、 尺度差異與“行為方式和機能”的差異。
人類由于受到自身體型尺度大小限制，無法體會到這個世界對大小不同的事物顯得多么的不同。但是如果你尚能夠回憶起一些童年的感受，就可以體會出一些大與小的不同。
當身高是成人一半的小孩摔倒時，他的重心落地時的動能，并不是成人的一半，而只有成人摔倒時動能的1／32。小孩較小尺度常常可以保護他們的身體。
人的行為和技能與身體的大小相適應，同樣能夠說明尺度和形態的適應性。我們不能比我們現在再高出兩倍，那樣體重會增加約8倍，遠遠超過我們兩條腿承受支撐的程度。而且，站起或倒下的勢能和動能將增大16至32倍，非人體所能經受。反之，如果人的身體縮小一半，就沒有足夠的力量使用棍棒、弓箭，假如縮小鉛球或標槍運動員的體型，他們就很難創造好成績。可見，人類身體的大小制約著人類的活動，而且在很大程度上定型了人類的生活方式。這反映出生物尺度和它的行為方式的聯系。伽利略就曾經描述，當我們把鴿子的所有部位按原型增大到一定程度，鴿子就不能飛了。
尺度更小的生物的生活方式更加不同。昆蟲可以爬上垂直的墻，可以從屋頂上輕柔地落下，在人看來不可思議。因為根據我們較大的身體感受來思考，我們主要受制于體重的控制。但是，對于表面積與體積比很高的小型動物來說，引力就微不足道，表面吸附力、摩擦力很容易抵消萬有引力對它的下拉，它們主要受到體表力的控制，并以我們的經驗所無法體會的方式活動。
這些由于體型大小差異造成的造型和機能的不同，值得我們去深思，啟發我們擺脫從自身尺度出發的思維定勢，創造出尺度與形態的和諧。
3.2 自然形態中恰當的比例和排布
從尺度的角度觀察自然形態，另一個重要方面就是自然形態的中美好的比例和排布。
例如，蝴蝶翅膀上排列整齊的蝶鱗；蜻蜓翅膀上的脈紋同孔各自占有一定的位置，其密度的變化自上緣到下緣逐漸增加；干涸的土地上的裂紋；海螺殼優美的螺線等等。
這些恰當的比例和排布是生物生長和生存規律的體現，是生物在自然選擇中獲得的合理形態，在人們眼中它們顯現出和諧的美感，給造型設計帶來豐富的啟發。對于造型設計來說，最重要的不是模仿自然形態優美的比例和排布方式，而是要理解這種比例和排布形成的原因，這才是其顯現出美的原因。掌握了它們形成的原因才能夠真正的創造出美的比例和排布，如圖3-3。
3．3 自然形態的尺度美感
在人們眼中許多自然物的表現形式是美的，但是自然物本身的目的并不是為了表現美麗，僅僅是因為這種美麗的背后含有某些對它們生存有益的因素。而對我們的知覺來說，它們引人注目，是和諧的，讓我們感覺到它們的美。所以自然物的美并不是直接目的，而是目的所表現出來的結果。
然而，人們注意的往往是這些結果，并把它作為一種審美經驗，在造型設計中常常體現出來。人們常常把動物的形態、尺度和習性聯系起來。往往兇猛、力量、速度與大型動物形態相聯系；溫順、可愛、輕盈與小型動物形態相聯系。在造型設計中，這種聯系經常體現出來。如圖3-4，汽車設計中，體型小的休閑車常被賦予可愛的大眼睛似的圓形車燈以及活潑的外形，容易與昆蟲或小動物聯系起來。較大的車常用深邃的眼神，用帶圓角的方形或菱形的車燈以及矯健的外形，容易與獵豹等大型動物聯系起來。
當固有經驗尺度被沖破的時候，會產生另一種情況。就像科幻影片中經常表現的主題一樣，一只小蜜蜂很不起眼，但當把它們原樣放大到足夠大的時候，會讓人產生恐怖的感覺。當一個自然對象尺度發生變化時，過程中會出現明顯的視差，變幻對象的形象變成了另外一種形象，原來溫順可愛的可能變得令人生畏，貓和虎形象之間的差異性就很好地說明了這一點。在造型設計時要注意對造型比例尺度的把握，對原有形態各部分之間的比例作相應的調整，以校正尺度變化后因視差產生的心理感受。
3．4 超視覺尺度的自然形態對造型設計的啟示
人類是視覺動物，主要依靠眼睛和外界建立聯系。長久以來人們都是依靠自己的視覺經驗生產和生活。人類的眼睛具有估量物體大小，辨別物體形狀，測定速度，感知色彩種種能力。但是隨著科學的發展，人們逐漸認識到，人的眼睛雖然非常敏感精確，但是觀察的世界卻很有限，眼睛只能觀察到接近人體尺度的物體，在我們周圍存在許多我們完全看不見的事物。這些事物的存在形式和形態對我們而言是很陌生和新奇的。
如圖3-5所示，人眼睛的觀察范圍集中在人體尺度附近，所以人的造型活動也集中在與人體尺度接近的范圍內，但是自然界中的事物其線度可以小到10 m，也可以大到10 m。遠遠的超出了人們的視野。這些超人體尺度的自然事物的存在形式和形態，帶給人們新鮮的視覺感受，對人們的造型活動同樣具有重要啟示。
如果我們的視覺能夠拓展到正常范圍以外，就能看到這個全新的世界。我們會得到全新的視覺經驗，對我們的生活和生產來說無疑是一個新的沖擊。我們的眼睛，即使是貼近物體觀察，也只能看見直徑為十分之一毫米的物體，相當于一粒細沙的大小。大約四百年前顯微鏡問世，人們第一次看到了微生物。一滴水里面蘊藏著無數肉眼看不到的微生物，它們奇異的形態超乎人們的想象，就像來自外星球的太空船，初次看見很難相信，竟然有這樣形態奇特、這樣微小的生物。人們很難用我們現有的視覺經驗和思維去理解它們的形態。這些微觀形態的發現對人們的視覺是一個新的刺激，對造型設計也會產生一定的影響。如圖3-6，是一些微生物的形態。
現代技術的發展，可以使人們輕而易舉的觀察到微觀世界和宏觀宇宙，人們對超視覺尺度的形態了解越來越多。人們在造型設計方法中開始借鑒這些超尺度事物新穎的形態和形式，并且開始了解它們的結構和存在方式。總之，換一個視角去觀察世界，就會有許多新的發現和創新。
第二部分 產品仿生設計初步介紹
自然，是人類賴以生存的環境。自從人類祖先出現在這個星球上以來，人類自身進步與發展過程就是一個向大自然學習的過程。為了在與大自然抗爭的過程中取得更大的生存空間和抵御外來的侵害與傷害，人類祖先學會了從自然界中直接獲取所需的工具和材料，并在后來的使用過程中逐漸改造，最終開始制造工具。人類期望能擁有自然生物的某些杰出能力，許多用品直接取材于自然生物。出于對食肉猛獸尖牙利爪的向往，人類開始了使用切割工具的時代，石刀石斧的出現到后來各種金屬質地的刀斧，是一個從取用自然工具到創造工具的發展過程。魚刺骨針的利用、盛水容器的使用，都是為了實現被需求的連接功能和空間功能，是對自然界中刺和殼的創造性利用。
界中直接選擇得來的。
在長期的進化過程中，人類始終保有對于自然的崇拜和學習精神，這些在各種創造中得到了很好的體現。很早以前就出現的風箏，是人類實現飛翔夢想的一種精神寄托。在對飛鳥長期的觀察和不斷的模仿探索中，人們逐漸掌握了這種飛行的技能。最初風箏的形態都是各種鳥類和昆蟲，如雄鷹、燕子、蜻蜓、蝴蝶等，直接道出了所模仿的對象。
一、產品仿生設計的研究方法和分類
產品仿生設計主要是通過類比的方法，尋求產品與自然有機物之間可能存在的相互聯系。
“類比法”即“類比推理”，“根據兩個對象某些屬性的相同，推出它們其他屬性也可能相同的間接推理。類比推理是一種或然性的推理，表達的是主觀直觀印象。”這也是產品仿生設計的特征之一，形態表達的直觀性。
產品仿生設計從模仿形式上劃分，可分為具象仿生和抽象仿生。從表現形式與應用上，可分為形態仿生、色彩仿生、功能仿生、結構仿生和表面肌理仿生。
功能性語義的表達
功能性語義的表達，其最大的特點是“形式服從功能”，產品的形式從產品的功能因素中提取設計元素，最初的產品都是按照其功能所要求的形式來造型的，利用產品本身的結構作直白性的表達。有些功能全新的產品在設計制造的最初階段，在找不到表達自己的恰當形式的情況下，往往會借用一些和自己功能類似的已有的產品形式。如早期汽車的外形，簡直就是一輛沒有馬拉的馬車。后來，隨著技術的發展，汽車的速度提高了，空氣阻力成了實現其功能的一個重要障礙，就不得不服從空氣動力學的規律，將汽車的外形設計成流線型。
示意性語義的表達
產品的示意性語義要表達的是和產品使用方式相關的信息。對于產品的使用過程，消費使用者都有一個從不會到會的過程，產品示意性語義就是要表達和使用方式有關的信息，在各種控制儀表和控制按鈕的設計上，調節旋鈕表面的紋路肌理是表達產品使用方式的一個很重要的方面，粗糙的表面肌理表示需要用力轉動，使用力量較大，調節精度不高；而按鈕細膩的表面肌理表現的則是輕微精細的調節方式與功能。在各種把手的設計中，示意性語義的表達顯得尤為突出，粗糙的表面和很深的紋理，表達需要用力抓握的含義。對于需要轉動的各種功能機構，通常采取圓或弧的形式，如轉動調節按鈕的圓形、汽車方向盤圓盤形、扳動式的檔位調節桿的下部順著調節方向的弧形突臺等。而對于需要裝配或是互相聯合配套使用的工具的設計，通常在聯結結合部位設計很明顯的共同特征，以表達相互之間的整體配合示意語義。同樣，也會在同樣的部位作些明顯的小變化表達相互之間的可拆分語義。
象征聯想性語義的表達
人類通過自己制造出來的各種產品的外觀形式來傳達各種信息，產品的外在形式除了顯示它的功能和使用方式之外，還可以傳達附帶的象征信息。這些附帶的象征聯想信息用來傳達產品代表什么，它的品質性能狀況，使用者的社會階層和社會地位如何等等。產品的象征聯想性語義的表達過程是借用人所共識的具有代表性的形象來表達的，這種形象可以是具象的，也可以是抽象的。象征聯想性語義借用的是形象的內在含義，如流線型代表速度；有機形態代表生命與活力；鴿子代表和平等；白色及極地動物讓人聯想到冰天雪地的寒冷。只有遵循人們的心理經驗，才能使象征性語義的創造更容易與表達受眾溝通。如車身和飛機機身的設計采用流線型而給人以快速便捷的感覺；豪華轎車以超常的體量感來表達其尊崇品質和氣勢，各種冰箱冷柜采用白色來表達其冷凍冷藏功能特征。
情感及趣味性語義的表達
相對于其他語義層面的內容，情感及趣味性語義表達最真摯的對于人的關懷，對于生活的熱愛。情感性設計語言表達的是對于使用者使用過程的悉心觀察和體會，對于使用者的各種感受感同身受，并進最大的努力去滿足各種需求，減少因考慮疏漏而出現的不必要的附帶麻煩。各種金屬把手上皮套的保暖作用，兒童用品的圓角防碰撞傷害處理，老年用品的省力易用設計，都表達出了設計師對使用者使用狀態和感受的關注。
二、產品仿生設計表達方式的分析
直白的表達方式
自然生物體形態和功能之間的聯系有些表現得直接易懂，有些則顯得很含蓄隱諱。在長期的社會文明發展的過程中，各種自然形態的形式與功能為人們所了解熟知，特別是那些形態十分獨特且功能表現十分明顯的生物，一直以來為人類的生產生活提供了豐富的參考借鑒對象。在設計過程中直接利用自然有機物原有的形態和相應的功能，利用抽象簡化的方式加以整理利用。這種直白的表達方式，有很多都是對原有自然形態的繼承，通過現代材料和工藝進行重新制作，在保持原有功能形態的同時加入現代審美意識。各種葫蘆形的酒瓶花瓶等容器，就是對葫蘆形態的直接利用，早期的酒壺更是直接取用葫蘆來做容器。
聯想性的表達方式
產品仿生設計中聯想性的表達方式更多的是與產品的功能品質有關，通過相關聯的自然有機物形態來表達產品的功能品質和性能特征。這樣，在理解某種形的涵義的時候，總是根據某種形態所特有的導向性寓意，而將特定的品質特征賦予擁有這特定形的產品，從而達到對產品形態意義的理解。產品仿生設計聯想性表達方式應用的就是這種關聯性，運用到很多在人們思維中十分確定思維導向關系，如同魚與水的關系，流線型與速度的關系等。具體到個別形象的聯想寓意，能具體說明聯想關聯的特征。以企鵝、北極熊等動物與冰箱之間的關聯性聯想為例，不難找出他們之間的共同點：共同指向“冰冷”這一概念。由于其特殊性，只要提到企鵝、北極熊，最容易聯想到的就是他們所生存的冰冷的環境，而這種對于冰冷的聯想正是冰箱燈制冷設備所要表達的產品功能品質概念。伊萊克斯公司就曾設計生產了一款形似企鵝的冰箱，很好的利用到了聯想性表達方式的優點。
示意性的表達方式
在產品設計中，有很多我們習以為常的示意性細節設計。仔細思考一番會發現，這種簡單得幾乎成了一種符號的細節其實是經過長期的摸索提煉總結出來的。主要表達在產品的操作方式及功能區域劃分示意上。在形態方面，各種操作把手做成手掌虛握時的負形，按鈕及鍵盤按鍵表面凹面如同手指的負形，有些踏板上也有如同腳印的凹面，都直接表達出了功能的操作方式。在表面肌理方面，對于需要抓握的手柄或把手區域將肌理做得很粗糙。在色彩方面，運用最多的是警告色，對于危險或是提醒需要高度集中注意的產品，通常應用對比強烈的鮮艷顯眼的色彩來吸引注意，引起視覺緊張同時傳達危險的提示信息。
生活情趣化的表達方式
自然形態中有很多特色鮮明的形象，有的憨厚笨拙，有的聰明機警，有的又顯得靈性十足、惹人憐愛。仿生設計中情趣化的表達方式正是利用了自然形態中或笨拙或靈活的形象，來表達與之相適應的使用氛圍和生活樂趣。
產品使用方式情趣化是仿生設計最大的特點之一，幾乎所有的仿生設計都包含這種因素。情趣化仿生設計以一種幽默樂觀的方式表達設計師對于產品的理解，對于生活的激情和熱愛。各種各樣情趣性的仿生設計不勝枚舉，讓人從視覺感覺到使用體驗都十分享受。
人文性的表達方式
各個地區的人在長期的生產生活中，與某種生物之間形成了特定的伙伴關系，生物的形象已經滲入到人們的思維中，形成了某種特定的價值概念或活動概念。就像馴鹿在加拿大人生活中的地位，各國國花的象征意義，人們信仰中的某種生物形象等。
就中國傳統文化來說，與中國悠長的農業文化相聯系在一起的是各種家禽家畜，與民族信仰聯系在一起的是龍鳳虎鶴等吉利祥瑞的形象，與書生文化聯系在一起的則是松竹梅的氣節…。傳統文化中有很多值得發掘的富有內涵的生物形象，在設計中加以創造性的運用，對設計的本土化和文脈的延續有很大的參考價值。
各種小豬造型的儲錢罐的設計，與中華民族對于“豕”的價值概念理解有密切的聯系，從大家熟知的“家”的構字概念中可以得知，豬一直是財富的象征，養豬也是日積月累生財的過程，正好能表達儲蓄理財這一概念。鬧鐘的小鳥造型，正好應了一句古詩：“春眠不覺曉，處處聞啼鳥”。
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