生物結(jié)構(gòu)仿生鞋類設(shè)計(jì)理念研究論文

　　摘要:從外觀和功能2方面入手，結(jié)合設(shè)計(jì)學(xué)、仿生學(xué)、生物學(xué)及運(yùn)動(dòng)工程學(xué)等知識(shí)，在對(duì)具體實(shí)例的分析中，系統(tǒng)地總結(jié)了生物結(jié)構(gòu)應(yīng)用在仿生鞋類設(shè)計(jì)上的設(shè)計(jì)理念，即多元化設(shè)計(jì)與形式美法則的結(jié)合，以及專業(yè)化設(shè)計(jì)與人機(jī)工程學(xué)的結(jié)合，并從動(dòng)態(tài)性、生命性、平衡性和環(huán)保性等角度出發(fā)，對(duì)其在鞋類設(shè)計(jì)上的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。通過(guò)探索生物結(jié)構(gòu)的奇巧精致，由表及里，為鞋類設(shè)計(jì)找到一種新方法和新原理，并以生物學(xué)理念為指導(dǎo)，使鞋類設(shè)計(jì)與自然達(dá)到高度的和諧統(tǒng)一。

　　關(guān)鍵詞:仿生設(shè)計(jì);生物結(jié)構(gòu);鞋類設(shè)計(jì);外觀;功能

　　隨著鞋類設(shè)計(jì)的發(fā)展和設(shè)計(jì)理念的進(jìn)步，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)師不僅僅滿足于外觀仿生，而是把眼光轉(zhuǎn)向生物內(nèi)部，尋求更深更內(nèi)在層次的發(fā)展，通過(guò)探索生物細(xì)胞、組織、器官等的形態(tài)、色彩、肌理、結(jié)構(gòu)和功能，把它們應(yīng)用于鞋類設(shè)計(jì)當(dāng)中，為鞋子的觀感和功能邏輯創(chuàng)造了新的可能。生物結(jié)構(gòu)是自然選擇與進(jìn)化的重要內(nèi)容，是決定生命形式與種類的因素，具有鮮明的生命特征和意義［1］。仿生設(shè)計(jì)可分為:仿生藝術(shù)造型設(shè)計(jì)和仿生工程設(shè)計(jì)［2］。仿生藝術(shù)造型設(shè)計(jì)以表現(xiàn)鞋子的造型美為目的，仿生工程設(shè)計(jì)的主要目的則是開發(fā)鞋子的功能。從造型設(shè)計(jì)角度看，生物結(jié)構(gòu)仿生鞋類設(shè)計(jì)的理念應(yīng)為多元化設(shè)計(jì)與形式美法則的結(jié)合;從功能角度講，則應(yīng)是專業(yè)化設(shè)計(jì)與人機(jī)工程學(xué)的結(jié)合。

　　1多元化設(shè)計(jì)與形式美法則的結(jié)合

　　生物物種、遺傳、生物系統(tǒng)有一個(gè)很重要的特性，那就是多樣性。從鞋類設(shè)計(jì)來(lái)講，不管是從設(shè)計(jì)取材、設(shè)計(jì)手法還是實(shí)現(xiàn)工藝等角度來(lái)看，都是朝著豐富多元的方向發(fā)展。

　　1.1設(shè)計(jì)取材多元化

　　生物結(jié)構(gòu)鞋類仿生設(shè)計(jì)取材可來(lái)自于任何一種生物的任何一種結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)角度也不僅僅是這些結(jié)構(gòu)的外形，也可以是各種功能機(jī)制。植物體的組織與功能、能量與物質(zhì)轉(zhuǎn)化、遺傳、復(fù)制、發(fā)育、調(diào)控、修復(fù)、代償、環(huán)境適應(yīng)機(jī)制等，都是鞋類設(shè)計(jì)和技術(shù)創(chuàng)新取之不竭的知識(shí)寶庫(kù)。鞋類設(shè)計(jì)的取材可以來(lái)源于植物的肌理結(jié)構(gòu)、疏水防粘結(jié)構(gòu)、動(dòng)力結(jié)構(gòu)等，如葉脈交叉網(wǎng)狀的支撐組織肌理，可用于鞋后跟的支撐結(jié)構(gòu)，竹葉的疏水性防粘性肌理，可以用作防水、防粘功能鞋的表面肌理或涂層等。植物可以感知外界環(huán)境發(fā)生感應(yīng)運(yùn)動(dòng)，周期性運(yùn)動(dòng)如花的開閉運(yùn)動(dòng)、葉的氣孔運(yùn)動(dòng)等，通過(guò)研究這些運(yùn)動(dòng)的機(jī)理，也許可以制造出可以隨外界氣流和溫度變化而開合的鞋面或大底材料，使得鞋子有一種感應(yīng)活動(dòng)的智能性，透氣性和散熱性可以得到很好的提升。

　　1.2設(shè)計(jì)手法多元化

　　多樣的設(shè)計(jì)手法，比如概括法、夸張法等，可以使生物結(jié)構(gòu)鞋類仿生設(shè)計(jì)展現(xiàn)出十分豐富多變的設(shè)計(jì)效果，對(duì)仿生原型進(jìn)行升華和藝術(shù)性加工，結(jié)合鞋的構(gòu)造特點(diǎn)，將會(huì)設(shè)計(jì)出很多極富創(chuàng)新性又符合鞋子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的鞋款。生物機(jī)體的完整性以及機(jī)體各部分之間相互聯(lián)系的統(tǒng)一性，是構(gòu)成美的形態(tài)特征之一［3］。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，也應(yīng)遵循這種“完整性”和“統(tǒng)一性”。不能為了仿生去刻意拼湊和嫁接，在幫部件和跟底部件的設(shè)計(jì)中，盡量將仿生特征巧妙的融合起來(lái)，呈現(xiàn)出具有完整性和統(tǒng)一性的作品。

　　1.3實(shí)現(xiàn)方式多元化

　　從外觀上來(lái)講，如何實(shí)現(xiàn)仿生鞋類設(shè)計(jì)的某種形態(tài)、肌理或結(jié)構(gòu)?一方面可以利用傳統(tǒng)工藝，例如，赫氏圓石藻是一種包覆著獨(dú)特碳酸鈣盤狀外殼的單細(xì)胞海洋浮游植物，它們的外殼像是鑲著花邊的棋子，精致美麗，可以用編織手法來(lái)實(shí)現(xiàn)這種圓環(huán)周圍鑲邊的形態(tài)。

　　1.4仿生設(shè)計(jì)與形式美法則

　　在設(shè)計(jì)靈感的捕捉多元化的同時(shí)，設(shè)計(jì)師應(yīng)在材質(zhì)肌理、幫部件造型、大底造型及配色方面，盡可能合理運(yùn)用變化與統(tǒng)一、對(duì)稱與均衡、對(duì)比與調(diào)和、節(jié)奏與韻律等形式美構(gòu)成法則，以使仿生鞋達(dá)到形式與內(nèi)容的高度統(tǒng)一。例如在確定某種仿生花紋在鞋面或大底上的比例時(shí)，應(yīng)考慮使用黃金比例，給人美的感受;再比如在模仿有機(jī)形態(tài)時(shí)，應(yīng)注重主次輕重、韻律起伏等。

　　2專業(yè)化設(shè)計(jì)與人機(jī)工程學(xué)的結(jié)合

　　生物界在進(jìn)化的自然選擇中，整體功能漸趨完美，自然界生物高效低耗，其機(jī)體完整的保障系統(tǒng)使自身的結(jié)構(gòu)和功能變得科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)、高效，是人類設(shè)計(jì)創(chuàng)新的原型［4］。把生物結(jié)構(gòu)的工程學(xué)原理及功能邏輯運(yùn)用在鞋類設(shè)計(jì)中，可以設(shè)計(jì)出更加符合人體需求的產(chǎn)品。同時(shí)，鞋子的功用越來(lái)越專業(yè)化、功能化，根據(jù)穿著環(huán)境、場(chǎng)合的需要，鞋應(yīng)具備某種特定的功能，而實(shí)現(xiàn)這種功能的最大效能，正是鞋類仿生設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一。

　　2.1符合特定功能的專業(yè)化仿生設(shè)計(jì)

　　專業(yè)化功能設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)鞋和功能鞋上，隨著現(xiàn)代競(jìng)技體育、戶外體育等的細(xì)分，不同的項(xiàng)目和場(chǎng)合分別需要配備相應(yīng)功能的鞋子。例如，登山鞋的大底需要有超耐磨性能及卓越的抓地防滑性，這點(diǎn)可以借鑒山地上擅長(zhǎng)爬山的動(dòng)物，比如山羊。山羊有著驚人的攀爬能力，在險(xiǎn)峻的山峰上比猴子還靈活。山羊能攀巖的原因主要有以下3點(diǎn):(1)山羊的腳趾非常奇特，趾與趾之間的縫隙寬度超過(guò)其他任何分蹄動(dòng)物，適合插進(jìn)巖壁縫隙;(2)山羊蹄子上長(zhǎng)有一層堅(jiān)固的外壁，可以抓住陡峭山石;(3)山羊蹄內(nèi)部結(jié)構(gòu)柔軟而富有彈性，在身體前傾時(shí)可充當(dāng)一個(gè)“緩沖制動(dòng)器”。受此啟發(fā)，可以模仿山羊蹄，在登山鞋的外緣增加一圈堅(jiān)固的凸起，以抓住山石，并在大底上增加柔軟的內(nèi)墊，產(chǎn)生足夠彈性，使身體前傾時(shí)不會(huì)滑倒，甚至可以模仿山羊的分蹄結(jié)構(gòu)，將鞋頭分開，使攀爬時(shí)腳可以插進(jìn)巖壁縫隙。

　　2.2仿生鞋類設(shè)計(jì)和人機(jī)工程學(xué)的結(jié)合

　　現(xiàn)代化鞋類設(shè)計(jì)更加注重與人機(jī)工程學(xué)的結(jié)合，仿生鞋類設(shè)計(jì)也不例外。楦型和幫面設(shè)計(jì)多注重舒適性、抱腳性、防扭傷性等，大底的設(shè)計(jì)上則更多的關(guān)注穩(wěn)定性、防滑性、耐磨性及為穿著者提供運(yùn)動(dòng)助能的效用［5］。彪馬品牌2013年推出的MobiumElite跑鞋引入了一整套“動(dòng)態(tài)適足科技”，其中最讓人眼前一亮的設(shè)計(jì)就是MobiumBand彈力繩，它模仿人腳肌腱的工作原理，當(dāng)鞋底受到壓力時(shí)，大底就會(huì)在彈力帶的壓力下，先擴(kuò)張?jiān)偈湛s，先擴(kuò)張產(chǎn)生更好的緩沖效果，緊隨其后的收縮就產(chǎn)生反饋的動(dòng)力，給穿著者下一步的助力。因此，仿生設(shè)計(jì)與人機(jī)工程學(xué)的緊密結(jié)合，可以使專業(yè)化鞋設(shè)計(jì)的功能性實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，上升到一個(gè)全新的位置。

　　3生物結(jié)構(gòu)仿生鞋類設(shè)計(jì)方向展望

　　3.1動(dòng)態(tài)性和變化性

　　3.1.1動(dòng)態(tài)性

　　基于生物的設(shè)計(jì)，離不開其力學(xué)美和動(dòng)態(tài)美，每種生物最精巧玄妙之處，在于其能動(dòng)機(jī)理、力與動(dòng)態(tài)的完美結(jié)合。鞋子，也不應(yīng)僅僅只是具有某種功效的“盒子”，更是一個(gè)生命的有機(jī)體，其本身也可以具備可動(dòng)性。例如，基于鳥類原型的仿生童鞋，可以在其幫面上設(shè)計(jì)翅膀和某種牽引裝置，使得兒童在行走時(shí)，羽翅可以跟隨腳的運(yùn)動(dòng)而擺動(dòng)，增加趣味性和互動(dòng)性。另外在特殊的場(chǎng)合，如秀場(chǎng)、舞臺(tái)等，可以讓模特或者舞者穿上類似的鞋，以增加舞臺(tái)效果、話題性和情趣性。

　　3.1.2變化性此外，還可以從生命的變化過(guò)程進(jìn)行仿生。

　　基于這種變化過(guò)程的啟發(fā)，可以使鞋子在不同的時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生某種變化，包括顏色、面料、用途等方面的變化。例如，受蛇蛻皮的啟發(fā)，可以設(shè)計(jì)出一系列可以逐層剝棄的鞋子，這種鞋的面料由多層天然纖維織物構(gòu)成，彼此之間用可溶于水的高分子聚合膠粘連，噴上水之后，鞋的最外層便能輕松剝離，而被剝離出來(lái)的局部，可以作為新的配件繼續(xù)使用，更深層次的體現(xiàn)了仿生理念。

　　3.2生命性和融合性

　　3.2.1生命性

　　仿生設(shè)計(jì)的最高境界就是使產(chǎn)品具備生物活性，即具備生化基礎(chǔ)，使產(chǎn)品自身?yè)碛袘?yīng)激能力、新陳代謝能力等。在未來(lái)10a，生物與科技的融合將會(huì)是最前沿的領(lǐng)域之一，在鞋業(yè)界也是如此。設(shè)計(jì)者ShameesAden和MartinHanczyc已發(fā)明出一種由3D印刷技術(shù)和有機(jī)組織生成的運(yùn)動(dòng)鞋原型，它可以根據(jù)腳部壓力進(jìn)行膨脹和收縮，是一個(gè)具有適應(yīng)與再生能力的組織，因此穿起來(lái)就像一只腳一樣。但是，這種原型目前也只能保存在保護(hù)液中。也許在未來(lái)，技術(shù)的發(fā)展可以使這種組織走出實(shí)驗(yàn)室，真正走進(jìn)生活，那么鞋子這種產(chǎn)品就不僅僅是工業(yè)產(chǎn)物，而真正成為了人類身體的一部分。這里所說(shuō)的“生命性”，不僅是指真正意義上的生命，還可以是看似具有生命一般的“智能性”。如可以模擬某種鱗片結(jié)構(gòu)，在鞋內(nèi)設(shè)置氣溫、濕度感應(yīng)裝置，使得溫、濕度高至某臨界點(diǎn)時(shí)，鱗片就像具備生命一般自動(dòng)張開，排出氣流和水汽，溫、濕度下降到一定程度時(shí)，鱗片又會(huì)自動(dòng)閉合，實(shí)現(xiàn)保溫作用。

　　3.2.2融合性

　　鞋一旦具有了生物活性，便能更好的和腳融為一體，適應(yīng)腳的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)，真正意義上達(dá)到了“裸足”的效果。人腳的組成除了骨骼就是肌肉，試想，能否用一種類似于肌肉的材料去制鞋，使得鞋成為腿部腳部具有生命機(jī)能的一部分?這種人工肌肉由碳纖維束制成，質(zhì)量超級(jí)輕，牢固程度堪比鋼鐵，用它來(lái)制作鞋子，可以使鞋成為腳部肌肉的一部分，具有真正的動(dòng)力特性和生命機(jī)能。這里的“融合性”還體現(xiàn)在:鞋的各個(gè)部分，鞋面、鞋跟、鞋底的界限會(huì)越來(lái)越模糊，有機(jī)的融為一體，生物恰好為人們提供了很多綜合交織的范例，使得鞋的各個(gè)結(jié)構(gòu)和功能成為一個(gè)綜合的整體。

　　3.3平衡性和高效性

　　3.3.1平衡性

　　不管是樹枝的平衡性生長(zhǎng)，還是恒溫動(dòng)物保持恒溫的機(jī)理，或是生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡等，處處都體現(xiàn)著生物結(jié)構(gòu)和生物系統(tǒng)的平衡性。鞋的穩(wěn)定性和緩沖性是一對(duì)互相矛盾的性能，好的鞋子和氣墊應(yīng)該兼?zhèn)湮�震效果和能量回歸效果，而生物在漫長(zhǎng)進(jìn)化史中所具備的功能，使得它們的功能結(jié)構(gòu)具有很好的平衡性。因此，可以參考善奔跑的林地動(dòng)物，例如貓科動(dòng)物的足底和腿部性能，是什么樣的結(jié)構(gòu)和機(jī)制使得它們同時(shí)具備良好的緩沖性和穩(wěn)定性，搞清楚這點(diǎn)，或許就得到了平衡這兩者的好辦法。鞋面材料如果過(guò)于柔軟，往往不具備很好的保護(hù)性能，如果過(guò)硬，則易磨腳、易疲勞。如何平衡保護(hù)性能和柔軟度這兩者的關(guān)系，可以借鑒鱗甲類動(dòng)物表皮的機(jī)理，其鱗片結(jié)構(gòu)往往既具有很好的靈活性，又具有很好的防沖擊性能�？梢杂糜捕容^佳的材料，以鱗片形式排布于鞋面，這樣就使得鞋子兼?zhèn)浜芎玫谋Ｗo(hù)性和柔韌性。因此，要平衡鞋的各個(gè)生物力學(xué)性能之間的關(guān)系，可以多從仿生設(shè)計(jì)入手，從生物身上取經(jīng)，將會(huì)獲得很大的啟發(fā)和裨益。

　　3.3.2高效性

　　在“物競(jìng)天擇，適者生存”的自然法則中，生物體結(jié)構(gòu)往往符合“以最少材料”構(gòu)成“最大合理空間”的要求，為人們提供了“優(yōu)良設(shè)計(jì)”的典范。因此在仿生設(shè)計(jì)的時(shí)候，要去尋找和探索其最高效的結(jié)構(gòu)。黃金分割比例眾所周知，其實(shí)還有一個(gè)被稱為黃金角的數(shù)值137.5°，植物的莖葉和果實(shí)幾乎都是按照137.5°的模式排列的，這樣植物的莖葉和果實(shí)就可以占有最大的空間，最有利于植物的生長(zhǎng)。這便是生物結(jié)構(gòu)的“高效性”。因此，在設(shè)計(jì)鞋的大底花紋或者防滑系統(tǒng)的時(shí)候，不妨試試137.5°這個(gè)黃金角，或許在某種花紋的黃金角度下，鞋的防滑性和抓地力是最好的。“高效”是人類應(yīng)該從生物身上所學(xué)到的理念，尋求高效的仿生功能，對(duì)于提高鞋功能研發(fā)效率和推動(dòng)鞋業(yè)發(fā)展，有著很好的作用。

　　3.4環(huán)保性和可持續(xù)性

　　仿生設(shè)計(jì)最終極的追求是認(rèn)清生命本質(zhì)，在向自然的學(xué)習(xí)與追問中，尋找解決客觀問題的最高效低耗的方法。以染料為例，現(xiàn)今鞋用染料絕大多數(shù)是用化學(xué)染料和助劑染色，它們直接或間接地對(duì)環(huán)境造成污染，那么能否運(yùn)用一種其本身結(jié)構(gòu)就能通過(guò)物理作用顯現(xiàn)色彩的結(jié)構(gòu)生色纖維?可以借鑒南美洲藍(lán)閃蝶翅膀鱗片的多層立體柵欄式結(jié)構(gòu)，通過(guò)反射、折射、繞射等作用，顯現(xiàn)美麗的色彩(見圖8)。所以，在仿生鞋類設(shè)計(jì)原材料的選取上，應(yīng)多從生物體結(jié)構(gòu)入手，來(lái)研發(fā)新型環(huán)保材料，多選用天然的、可再生、可降解的材料，同時(shí)應(yīng)加大仿生技術(shù)創(chuàng)新，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)�？沙掷m(xù)發(fā)展。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　在生物結(jié)構(gòu)仿生服裝設(shè)計(jì)已經(jīng)相當(dāng)普遍和成熟的時(shí)候，鞋尤其是非運(yùn)動(dòng)功能鞋的仿生設(shè)計(jì)，并未深入到一定層次�；�于生物結(jié)構(gòu)的仿生鞋類設(shè)計(jì)，正是由表及里、由淺入深，從生物學(xué)出發(fā)，探索生物內(nèi)在結(jié)構(gòu)的奇巧以及生命本質(zhì)的奧秘，從形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能等方面展開設(shè)計(jì)，為鞋類設(shè)計(jì)提供一種新原理、新方法和新途徑，豐富了鞋的潮流風(fēng)范和文化內(nèi)涵，并通過(guò)探索腳－鞋－環(huán)境三者間的平衡，從最深層次的生命與自然的和諧關(guān)系中，找到仿生設(shè)計(jì)的本質(zhì)追求，以自生、再生、競(jìng)生和共生為理念，在為人類帶來(lái)功能完備、結(jié)構(gòu)精巧、用材合理、外觀美妙的鞋子的同時(shí)，使鞋類設(shè)計(jì)生產(chǎn)與自然達(dá)到高度的和諧統(tǒng)一。

　　作者:杜昭 姚云鶴 單位:四川大學(xué)皮革化學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川大學(xué)制革清潔技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室

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