工业设计造型基础第5课：自然形态的尺度初探
工业设计造型基础第5课：自然形态的尺度初探
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造型基础的学习经常是建立在对自然的观察和理解上。通过观察与分析自然形态，汲取造型设计的营养。通过分析、了解自然形态的成因，可以掌握形态生成和创造的普遍规律。因为：
首先，自然形态是丰富多彩的，自然形态的多样性和特异性超乎人们的想象，是一座形态的宝库。
第二，自然形态的式样存在明显的规律性。它的形成和发展是适应自然界规律的结果，通过各种要素相互作用逐渐产生的。
无论自然形态还是人工形态，都可以理解作是形态要素根据一定原则的组合，这些形态构成原则是相通的。对自然形态的探索和分析，就是寻找和吸取这些经过自然公理验证的原则。
自然形态尺度大小与形态相关性方面，具有较强的规律性。本章从自然形态的尺度角度出发，讨论自然形态的“造型”原则。
第一部分：自然形态中的尺度规律
3.1 自然形态恰当的尺度
朱利安·赫胥黎在论述生物形态时曾经提到，“大小本身就是迷人的！”
“生物作为一种物理客体，自然选择使他们具备有一定优势的形状。结果必然使他们具备了最适应大小的形态”[1]。比如，昆虫的形态与它娇小的身材相适应，巨兽的形态必然与它庞大的体型相适应。尽管昆虫的形态千差万别，巨兽也千姿百态，但我们通过比较不难发现，生物尺度大小与形态具有一定的规律性：
第一、 尺度差异与内部结构差异。
大型复杂动物在进步进化中发展出了结构复杂的内部器官。这不是内部的装饰，而是它们身体变大的必然需求。小的生物不需要肺和复杂的胃肠结构，它们能通过体表进行呼吸和吸收，即可满足整个身体的氧气和营养需求。比如绦虫这类简单的动物，没有内部器官，假如它们不断的变大，形状必须向狭长方向生长。一只绦虫可以长达1米，但厚度不能超过2厘米，因为食物和氧必须从外表面直接渗入到身体的各个部分。当这种可塑性达到极限，它就会成为进化的牺牲品。因而，它们总保持一定的大小。
昆虫通过外表面的折陷部分呼吸，氧气也是由外表进入整个身体。如果躯体大的话，折陷部分必定非常多而且深。因而，昆虫的大小也是有限的。如果太大，它的身体就要“全部折陷”，没有内部器官的空间了。
大型动物的体积太大，无法通过体表面积来满足全身氧气和营养需要，因而必须通过内部器官来发展内表面积。肺本质上是表面褶皱丰富的袋，为气体交换提供足够的表面积；胃肠等消化器官本身不大，但是绒毛和褶皱增加了吸收营养的表面积，小型哺乳动物的胃肠没有绒毛，也不需要绒毛。
由此可见，生物尺度大小差异，使它们的体积与表面积之比产生很大的差异。当形状保持不变，体积增长比面积增长快。因为体积的增长是长度的立方（长3），而面积的增长只是长的平方（长2）。因为动物的许多生理功能依赖于表面积来进行，例如，呼吸、营养交换等，所以，体积与表面积的关系成为限制动物尺度与形态的重要因素。
这个道理同样适用于人工形态。例如大型的交通工具（公交车、火车、轮船等）、大型的建筑（体育馆、剧院等），我们需要充分考虑到它们的体积与表面积的关系，以及内部构造。如图3-1，太阳能热水器必须在保持体积的同时增大表面。
第二、 尺度差异与支撑结构差异。
小型的动物，如昆虫，是由外骨骼来支撑整个身体。在生长过程中，只有蜕去外骨骼，分泌出一个与增大的身体相配的新外骨骼才能生长。在脱皮与再生长期间，身体是柔软的。大型动物如果没有支撑结构，在万有引力的影响下，身体就会变成一堆肉泥，而小的动物则更容易保持身体的形状。在水中，由于浮力、重力与压力的关系与陆上不同，因而水中生物的支撑结构与尺度关系自成体系。
陆上的大型动物需要内骨骼支撑，“伽利略在1938年发表的《对话》中指出，大型动物的腿骨必定粗壮的不成比例，以提供与小型动物细腿相应的支撑力”[1]。我们都看得到，蚊子、蜘蛛具有细长的腿，相比而言，乌龟、狗和大象的腿显得粗而短。在造型设计中，同样需要解决支撑的问题，可以从自然物的支撑构造中得到许多启发，如图3-2。
第三、 尺度差异与“行为方式和机能”的差异。
人类由于受到自身体型尺度大小限制，无法体会到这个世界对大小不同的事物显得多么的不同。但是如果你尚能够回忆起一些童年的感受，就可以体会出一些大与小的不同。
当身高是成人一半的小孩摔倒时，他的重心落地时的动能，并不是成人的一半，而只有成人摔倒时动能的1／32。小孩较小尺度常常可以保护他们的身体。
人的行为和技能与身体的大小相适应，同样能够说明尺度和形态的适应性。我们不能比我们现在再高出两倍，那样体重会增加约8倍，远远超过我们两条腿承受支撑的程度。而且，站起或倒下的势能和动能将增大16至32倍，非人体所能经受。反之，如果人的身体缩小一半，就没有足够的力量使用棍棒、弓箭，假如缩小铅球或标枪运动员的体型，他们就很难创造好成绩。可见，人类身体的大小制约着人类的活动，而且在很大程度上定型了人类的生活方式。这反映出生物尺度和它的行为方式的联系。伽利略就曾经描述，当我们把鸽子的所有部位按原型增大到一定程度，鸽子就不能飞了。
尺度更小的生物的生活方式更加不同。昆虫可以爬上垂直的墙，可以从屋顶上轻柔地落下，在人看来不可思议。因为根据我们较大的身体感受来思考，我们主要受制于体重的控制。但是，对于表面积与体积比很高的小型动物来说，引力就微不足道，表面吸附力、摩擦力很容易抵消万有引力对它的下拉，它们主要受到体表力的控制，并以我们的经验所无法体会的方式活动。
这些由于体型大小差异造成的造型和机能的不同，值得我们去深思，启发我们摆脱从自身尺度出发的思维定势，创造出尺度与形态的和谐。
3.2 自然形态中恰当的比例和排布
从尺度的角度观察自然形态，另一个重要方面就是自然形态的中美好的比例和排布。
例如，蝴蝶翅膀上排列整齐的蝶鳞；蜻蜓翅膀上的脉纹同孔各自占有一定的位置，其密度的变化自上缘到下缘逐渐增加；干涸的土地上的裂纹；海螺壳优美的螺线等等。
这些恰当的比例和排布是生物生长和生存规律的体现，是生物在自然选择中获得的合理形态，在人们眼中它们显现出和谐的美感，给造型设计带来丰富的启发。对于造型设计来说，最重要的不是模仿自然形态优美的比例和排布方式，而是要理解这种比例和排布形成的原因，这才是其显现出美的原因。掌握了它们形成的原因才能够真正的创造出美的比例和排布，如图3-3。
3．3 自然形态的尺度美感
在人们眼中许多自然物的表现形式是美的，但是自然物本身的目的并不是为了表现美丽，仅仅是因为这种美丽的背后含有某些对它们生存有益的因素。而对我们的知觉来说，它们引人注目，是和谐的，让我们感觉到它们的美。所以自然物的美并不是直接目的，而是目的所表现出来的结果。
然而，人们注意的往往是这些结果，并把它作为一种审美经验，在造型设计中常常体现出来。人们常常把动物的形态、尺度和习性联系起来。往往凶猛、力量、速度与大型动物形态相联系；温顺、可爱、轻盈与小型动物形态相联系。在造型设计中，这种联系经常体现出来。如图3-4，汽车设计中，体型小的休闲车常被赋予可爱的大眼睛似的圆形车灯以及活泼的外形，容易与昆虫或小动物联系起来。较大的车常用深邃的眼神，用带圆角的方形或菱形的车灯以及矫健的外形，容易与猎豹等大型动物联系起来。
当固有经验尺度被冲破的时候，会产生另一种情况。就像科幻影片中经常表现的主题一样，一只小蜜蜂很不起眼，但当把它们原样放大到足够大的时候，会让人产生恐怖的感觉。当一个自然对象尺度发生变化时，过程中会出现明显的视差，变幻对象的形象变成了另外一种形象，原来温顺可爱的可能变得令人生畏，猫和虎形象之间的差异性就很好地说明了这一点。在造型设计时要注意对造型比例尺度的把握，对原有形态各部分之间的比例作相应的调整，以校正尺度变化后因视差产生的心理感受。
3．4 超视觉尺度的自然形态对造型设计的启示
人类是视觉动物，主要依靠眼睛和外界建立联系。长久以来人们都是依靠自己的视觉经验生产和生活。人类的眼睛具有估量物体大小，辨别物体形状，测定速度，感知色彩种种能力。但是随着科学的发展，人们逐渐认识到，人的眼睛虽然非常敏感精确，但是观察的世界却很有限，眼睛只能观察到接近人体尺度的物体，在我们周围存在许多我们完全看不见的事物。这些事物的存在形式和形态对我们而言是很陌生和新奇的。
如图3-5所示，人眼睛的观察范围集中在人体尺度附近，所以人的造型活动也集中在与人体尺度接近的范围内，但是自然界中的事物其线度可以小到10 m，也可以大到10 m。远远的超出了人们的视野。这些超人体尺度的自然事物的存在形式和形态，带给人们新鲜的视觉感受，对人们的造型活动同样具有重要启示。
如果我们的视觉能够拓展到正常范围以外，就能看到这个全新的世界。我们会得到全新的视觉经验，对我们的生活和生产来说无疑是一个新的冲击。我们的眼睛，即使是贴近物体观察，也只能看见直径为十分之一毫米的物体，相当于一粒细沙的大小。大约四百年前显微镜问世，人们第一次看到了微生物。一滴水里面蕴藏着无数肉眼看不到的微生物，它们奇异的形态超乎人们的想象，就像来自外星球的太空船，初次看见很难相信，竟然有这样形态奇特、这样微小的生物。人们很难用我们现有的视觉经验和思维去理解它们的形态。这些微观形态的发现对人们的视觉是一个新的刺激，对造型设计也会产生一定的影响。如图3-6，是一些微生物的形态。
现代技术的发展，可以使人们轻而易举的观察到微观世界和宏观宇宙，人们对超视觉尺度的形态了解越来越多。人们在造型设计方法中开始借鉴这些超尺度事物新颖的形态和形式，并且开始了解它们的结构和存在方式。总之，换一个视角去观察世界，就会有许多新的发现和创新。
第二部分 产品仿生设计初步介绍
自然，是人类赖以生存的环境。自从人类祖先出现在这个星球上以来，人类自身进步与发展过程就是一个向大自然学习的过程。为了在与大自然抗争的过程中取得更大的生存空间和抵御外来的侵害与伤害，人类祖先学会了从自然界中直接获取所需的工具和材料，并在后来的使用过程中逐渐改造，最终开始制造工具。人类期望能拥有自然生物的某些杰出能力，许多用品直接取材于自然生物。出于对食肉猛兽尖牙利爪的向往，人类开始了使用切割工具的时代，石刀石斧的出现到后来各种金属质地的刀斧，是一个从取用自然工具到创造工具的发展过程。鱼刺骨针的利用、盛水容器的使用，都是为了实现被需求的连接功能和空间功能，是对自然界中刺和壳的创造性利用。
界中直接选择得来的。
在长期的进化过程中，人类始终保有对于自然的崇拜和学习精神，这些在各种创造中得到了很好的体现。很早以前就出现的风筝，是人类实现飞翔梦想的一种精神寄托。在对飞鸟长期的观察和不断的模仿探索中，人们逐渐掌握了这种飞行的技能。最初风筝的形态都是各种鸟类和昆虫，如雄鹰、燕子、蜻蜓、蝴蝶等，直接道出了所模仿的对象。
一、产品仿生设计的研究方法和分类
产品仿生设计主要是通过类比的方法，寻求产品与自然有机物之间可能存在的相互联系。
“类比法”即“类比推理”，“根据两个对象某些属性的相同，推出它们其他属性也可能相同的间接推理。类比推理是一种或然性的推理，表达的是主观直观印象。”这也是产品仿生设计的特征之一，形态表达的直观性。
产品仿生设计从模仿形式上划分，可分为具象仿生和抽象仿生。从表现形式与应用上，可分为形态仿生、色彩仿生、功能仿生、结构仿生和表面肌理仿生。
功能性语义的表达
功能性语义的表达，其最大的特点是“形式服从功能”，产品的形式从产品的功能因素中提取设计元素，最初的产品都是按照其功能所要求的形式来造型的，利用产品本身的结构作直白性的表达。有些功能全新的产品在设计制造的最初阶段，在找不到表达自己的恰当形式的情况下，往往会借用一些和自己功能类似的已有的产品形式。如早期汽车的外形，简直就是一辆没有马拉的马车。后来，随着技术的发展，汽车的速度提高了，空气阻力成了实现其功能的一个重要障碍，就不得不服从空气动力学的规律，将汽车的外形设计成流线型。
示意性语义的表达
产品的示意性语义要表达的是和产品使用方式相关的信息。对于产品的使用过程，消费使用者都有一个从不会到会的过程，产品示意性语义就是要表达和使用方式有关的信息，在各种控制仪表和控制按钮的设计上，调节旋钮表面的纹路肌理是表达产品使用方式的一个很重要的方面，粗糙的表面肌理表示需要用力转动，使用力量较大，调节精度不高；而按钮细腻的表面肌理表现的则是轻微精细的调节方式与功能。在各种把手的设计中，示意性语义的表达显得尤为突出，粗糙的表面和很深的纹理，表达需要用力抓握的含义。对于需要转动的各种功能机构，通常采取圆或弧的形式，如转动调节按钮的圆形、汽车方向盘圆盘形、扳动式的档位调节杆的下部顺着调节方向的弧形突台等。而对于需要装配或是互相联合配套使用的工具的设计，通常在联结结合部位设计很明显的共同特征，以表达相互之间的整体配合示意语义。同样，也会在同样的部位作些明显的小变化表达相互之间的可拆分语义。
象征联想性语义的表达
人类通过自己制造出来的各种产品的外观形式来传达各种信息，产品的外在形式除了显示它的功能和使用方式之外，还可以传达附带的象征信息。这些附带的象征联想信息用来传达产品代表什么，它的品质性能状况，使用者的社会阶层和社会地位如何等等。产品的象征联想性语义的表达过程是借用人所共识的具有代表性的形象来表达的，这种形象可以是具象的，也可以是抽象的。象征联想性语义借用的是形象的内在含义，如流线型代表速度；有机形态代表生命与活力；鸽子代表和平等；白色及极地动物让人联想到冰天雪地的寒冷。只有遵循人们的心理经验，才能使象征性语义的创造更容易与表达受众沟通。如车身和飞机机身的设计采用流线型而给人以快速便捷的感觉；豪华轿车以超常的体量感来表达其尊崇品质和气势，各种冰箱冷柜采用白色来表达其冷冻冷藏功能特征。
情感及趣味性语义的表达
相对于其他语义层面的内容，情感及趣味性语义表达最真挚的对于人的关怀，对于生活的热爱。情感性设计语言表达的是对于使用者使用过程的悉心观察和体会，对于使用者的各种感受感同身受，并进最大的努力去满足各种需求，减少因考虑疏漏而出现的不必要的附带麻烦。各种金属把手上皮套的保暖作用，儿童用品的圆角防碰撞伤害处理，老年用品的省力易用设计，都表达出了设计师对使用者使用状态和感受的关注。
二、产品仿生设计表达方式的分析
直白的表达方式
自然生物体形态和功能之间的联系有些表现得直接易懂，有些则显得很含蓄隐讳。在长期的社会文明发展的过程中，各种自然形态的形式与功能为人们所了解熟知，特别是那些形态十分独特且功能表现十分明显的生物，一直以来为人类的生产生活提供了丰富的参考借鉴对象。在设计过程中直接利用自然有机物原有的形态和相应的功能，利用抽象简化的方式加以整理利用。这种直白的表达方式，有很多都是对原有自然形态的继承，通过现代材料和工艺进行重新制作，在保持原有功能形态的同时加入现代审美意识。各种葫芦形的酒瓶花瓶等容器，就是对葫芦形态的直接利用，早期的酒壶更是直接取用葫芦来做容器。
联想性的表达方式
产品仿生设计中联想性的表达方式更多的是与产品的功能品质有关，通过相关联的自然有机物形态来表达产品的功能品质和性能特征。这样，在理解某种形的涵义的时候，总是根据某种形态所特有的导向性寓意，而将特定的品质特征赋予拥有这特定形的产品，从而达到对产品形态意义的理解。产品仿生设计联想性表达方式应用的就是这种关联性，运用到很多在人们思维中十分确定思维导向关系，如同鱼与水的关系，流线型与速度的关系等。具体到个别形象的联想寓意，能具体说明联想关联的特征。以企鹅、北极熊等动物与冰箱之间的关联性联想为例，不难找出他们之间的共同点：共同指向“冰冷”这一概念。由于其特殊性，只要提到企鹅、北极熊，最容易联想到的就是他们所生存的冰冷的环境，而这种对于冰冷的联想正是冰箱灯制冷设备所要表达的产品功能品质概念。伊莱克斯公司就曾设计生产了一款形似企鹅的冰箱，很好的利用到了联想性表达方式的优点。
示意性的表达方式
工业产品设计有很多我们习以为常的示意性细节设计。仔细思考一番会发现，这种简单得几乎成了一种符号的细节其实是经过长期的摸索提炼总结出来的。主要表达在产品的操作方式及功能区域划分示意上。在形态方面，各种操作把手做成手掌虚握时的负形，按钮及键盘按键表面凹面如同手指的负形，有些踏板上也有如同脚印的凹面，都直接表达出了功能的操作方式。在表面肌理方面，对于需要抓握的手柄或把手区域将肌理做得很粗糙。在色彩方面，运用最多的是警告色，对于危险或是提醒需要高度集中注意的产品，通常应用对比强烈的鲜艳显眼的色彩来吸引注意，引起视觉紧张同时传达危险的提示信息。
生活情趣化的表达方式
自然形态中有很多特色鲜明的形象，有的憨厚笨拙，有的聪明机警，有的又显得灵性十足、惹人怜爱。仿生设计中情趣化的表达方式正是利用了自然形态中或笨拙或灵活的形象，来表达与之相适应的使用氛围和生活乐趣。
产品使用方式情趣化是仿生设计最大的特点之一，几乎所有的仿生设计都包含这种因素。情趣化仿生设计以一种幽默乐观的方式表达设计师对于产品的理解，对于生活的激情和热爱。各种各样情趣性的仿生设计不胜枚举，让人从视觉感觉到使用体验都十分享受。
人文性的表达方式
各个地区的人在长期的生产生活中，与某种生物之间形成了特定的伙伴关系，生物的形象已经渗入到人们的思维中，形成了某种特定的价值概念或活动概念。就像驯鹿在加拿大人生活中的地位，各国国花的象征意义，人们信仰中的某种生物形象等。
就中国传统文化来说，与中国悠长的农业文化相联系在一起的是各种家禽家畜，与民族信仰联系在一起的是龙凤虎鹤等吉利祥瑞的形象，与书生文化联系在一起的则是松竹梅的气节…。传统文化中有很多值得发掘的富有内涵的生物形象，在设计中加以创造性的运用，对设计的本土化和文脉的延续有很大的参考价值。
各种小猪造型的储钱罐的设计，与中华民族对于“豕”的价值概念理解有密切的联系，从大家熟知的“家”的构字概念中可以得知，猪一直是财富的象征，养猪也是日积月累生财的过程，正好能表达储蓄理财这一概念。闹钟的小鸟造型，正好应了一句古诗：“春眠不觉晓，处处闻啼鸟。”
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