张有为，孙 虎

基于形态仿生的海上溢油回收装置设计与评估

张有为，孙 虎

(西华大学美术与设计学院，四川 成都 610039)

为解决海上溢油回收装置功能与形态单一的问题，提出一种自下而上的设计程序构建仿生设计方法。由综摄法求取生物特征意象集合以确定仿生目标集；结合哈里斯图表对目标集进行筛选以确定仿生原型；利用生物简化优化法分析仿生原型的结构特征关系，将结构特征与形态分析求得的设计要素进行耦合得到初步仿生造型设计方案；运用模糊数学中模糊集的概念对设计方案进行优先级排序；对择优方案进行模态分析，验证方案是否符合结构动力学要求，从而建立具有系统指导意义的仿生设计方法。利用方法指导设计，得到功能与形态间满足设计需求且高耦合度的蝠鲼仿生溢油回收装置。将该方法模型应用于产品仿生设计中，可以为海上应用类产品设计提供有效的理论指导，提高海洋技术类产品整体水平。

仿生设计；海上溢油回收装置；综摄法；模糊综合评价；动力学评估

自上世纪60年代斯蒂尔第一次提出仿生学概念以来，仿生研究成为开辟新技术路线的主要途径之一，已在众多学科领域中产出了大量的学术成果[1]。仿生设计是模拟自然和生物的各种特征或受自然和生物的启发而进行的广义设计[2]，其针对生物的结构、功能、形态、肌理、色彩等特征进行设计分析，对标产品需求，筛选出符合产品需求的生物特征属性，继而展开设计应用。当前，仿生设计解决的问题主要包括：产品美感、实用功能、象征语义3个方面[3]。针对仿生领域的设计研究主要集中在设计应用、设计方法和设计理论分析领域。如陈东良等[4]利用新月鱼尾鳍的传动方式设计了一种仿生多连杆鱼骨，有效降低了推进器以往结构的复杂程度；张阿维等[5]通过认知耦合构建了一种产品造型仿生设计方法以探索造型与情感语义间的关系；王丽梅[6]使用唐代金银器来探究仿生设计理念与相关技法。整体而言，仿生学在设计领域的应用大多是基于设计师主观判断下对设计结果的直接应用，在形态映射策略、特征语义关系耦合以及设计结果优化与评价等仿生设计的关键环节缺乏客观性和系统性[7]。本文从工业设计视角出发，改进一般仿生设计系统模型，量化模糊问题，以海上溢油回收装置为例进行设计应用，最后运用动力学知识验证该方法的合理性[8]。

1 研究背景

溢油事故作为海洋环境污染的重大源头之一，多年来一直是各国关注的焦点。据统计，每年通过各种途径泄漏入海洋的石油和石油产品约占世界石油总产量0.5%[9]。石油泄漏不仅会对海洋生态造成严重破坏，同时对人类健康、区域经济也会带来严重的危害[10]。

我国作为石油能源消费大国，2019年原油与石油对外依存度双破70%，因海运是我国石油运输的基本方式，所以对我国海洋环境保护工作带来一定的挑战。近半个世纪以来，各类措施的提出已将溢油问题基本稳定在可控小范围之内，但偶发溢油事故所造成的影响却越来越大[10]。因此，对于近海岸偶发性溢油问题的处理变得愈发重要。当前对溢油的处理主要有物理、化学、生物3类技术，其中以物理机械回收的方式污染性最小，加之技术的进步，已具备将水中溢油基本清除的能力，但如今常用的回收设备存在的功能与形态的单一却一直为人们所诟病[11-12]。针对这类问题，本文提出利用仿生学进行溢油回收装置的设计，以完善当前设计中所存在的不足。

2 生物仿生设计流程与研究方法

本研究采用自下而上的仿生设计程序，即从设计目标物到生物原型的方式进行设计系统流程图的构建[13]，如图1所示。

图1 仿生设计系统流程图

(1) 求取生物意象。确定设计目标物，运用综摄法对设计目标进行拆解、联想分析，得到生物特征意象。

(2) 确定生物形象。根据得到的生物意象进行生物形象的收集，罗列仿生设计要求，利用哈里斯图表对收集到的生物样本进行筛选，以确定仿生生物原型。

(3) 确定方案优次级。将确定的生物形象通过生物简化法进行特征提取及优化，将提取的生物特征与利用形态功能分析得到的设计要素进行匹配，进而得到不同侧重的创新设计方案，再对不同设计方案进行模糊量化评价以确定方案优次级。

(4) 确定最终方案。选取优良方案进行动力学评估，合理即确定最终方案，不合理则进行改进或依方案优劣次序选取方案再次进行验证。

2.1 生物特征意象匹配分析

根据已明确的设计目标，采用综摄法作为引导此阶段的主要分析方法进行生物意象的求取。综摄法又称提喻法，旨在通过以类比思考的方式发挥非理性思维的作用，从而为要解决的问题获得具有独创性和启发性的看法[14]。综摄法原有实施过程共分为8个步骤，为了更好地适应仿生设计在此阶段的应用，本文将其流程进行适度地增删修改，优化后如图2所示。①问题描述，即邀请所有人简要地讨论并描述该设计问题；②异质同化与同质异化，通过主持人引导参与者进行讨论，将原本具象的问题隐藏并提出更为广义且抽象的问题，而后将其归纳为一个具体的目标并对目标进行相关的类比联想，得到目标相关的类比集合；③元素删减，删除类比集合中相关联系较弱且重复的联想，从而得到有效的元素集；④联想匹配，对有效的类比元素集进行生物特征意象间的自由联想匹配，以获得生物特征意象。

图2 综摄法在仿生设计中的应用流程

2.2 仿生生物原型筛选

通过综摄法完成定性分析后，结合生物特征意象搜集大量不同形态的生物样本，进行归类处理，去除特征较弱的生物类型，从余下的类型中选取各自最具映射代表性的生物进行分析；之后，将产品围绕造型、功能、语义等特征进行解构，尽可能全面地罗列出仿生设计需求，并按照对项目的重要程度进行排序；最后，通过哈里斯图表分析得到各生物与设计需求间的契合程度关系，通过判断图表中“高塔”倒塌的难易程度判断所选生物的契合度高低，从而确定仿生生物原型，进入简化优化阶段。

2.3 生物的简化优化

生物的简化优化是对生物整体与局部结构进行特征提取的过程，在确定仿生生物原型后，突出特征形态对仿生设计与工业化生产显得尤为重要。

据视知觉有关研究表明，人在同一时间内所能关注的对象特征数量有限，一般5个左右视知觉分辨力将达到峰值，超过此值认知正确率将开始下降[15]，因此对特征的选取通常低于5个较为理想；此外，眼睛倾向于感知到较大的整体而非较小的局部[13]，因此视知觉系统会最大限度地将整体分离成最简洁突出的几个局部；同时，在一定限度内生物特征抽象程度越高，所获得的本质特征就越突出，生产制造也会更加便捷[13]。

基于上述理论描述构建生物简化优化流程(图3)，采用拓扑结构特征简化与式样组成成分特征简化相结合的方法对生物展开特征结构层次的分析(图4)，利用形态分析法对目标进行功能形态分析，将分析得到的设计要素与主要结构特征进行耦合，得到功能形态与生物间相对应的关系图谱，通过对应关系表为每一对生物局部特征关系进行抽象、秩序化、调和、对比等手法的优化，以完成生物的简化优化过程。

图3 生物简化优化流程

图4 拓扑结构特征简化分析

2.4 确定方案优次级

对于经过简化优化所耦合成的多组设计方案，采用一级模糊综合评价法对其进行评价打分，对所有设计方案进行备选优次级的排序。

(1) 隶属度与模糊子集概念。

隶属度：元素与模糊集合之间的关系(即元素隶属于模糊集合的程度)。

模糊子集：设(讨论对象全体)是论域，称映射即

确定了上的模糊子集，映射μ称为的隶属函数，μ()称为对的隶属程度，简称隶属度。

设=(r)，0≤r≤1，其中r为隶属度，为模糊矩阵。

(2) 模糊评价步骤。

步骤1.设定评价因素集合={1,2,3,···,u}；

步骤2.确定对应评价因素的权重系数向量={1,2,3,···,a}；

步骤3.确定评语集={1,2,3,···,v}；

步骤4.进行单因素评价得到r={r1,r2,r3,···,r}，将所有单因素评价进行关联构造出模糊矩阵；

步骤5.计算权重向量与模糊矩阵的综合评价向量为

其中，Ä为矩阵乘法运算符；

步骤6.若求得矩阵内各矩阵元素相加不等于1，则将所得不同方案的综合权重向量进行归一化处理，如式(3)和式(4)，再根据隶属度最大原则进行比较排序，令

3 海上溢油回收装置仿生设计实例

3.1 生物特征意象的求取

将综摄法应用于海上溢油回收装置仿生设计流程以求取生物特征意象，实施过程如下：

(1) 首先对设计目标进行简短地描述说明，针对描述说明提取关键词(即主要目标)有：海洋、仿生设计、溢油回收等。

(2) 利用综述法异质同化思考原则将主要目标进行归纳，最后得到“海洋生物”与“回收”2个隐匿原本问题的目标关键词。

(3) 组织专业人员进行小组讨论，对“回收”这个未限定且抽象的词汇进行同质异化的类比联想，统计得到词汇集合={可循环，环保，可降解，节约，资源再利用，存储，过滤，清洁，分类，效率，分拣，······}，将集合中的词汇元素进行近义词、包含关系词、具象词以及无用词汇的删减，得到子集0。

(4) 以小组的形式结合0进行自由联想(生物特征的强行连接)，得到对应生物意象集合0ʹ={巨大的肚子，宽广的躯体，嘴巴大，圆润，速度快，形态特征少，力气大，结实的肌肉，皮肤硬，虑食特征，反刍特征，······}。

3.2 确定仿生生物原型

(1) 结合得到的“海洋生物”目标关键词与“生物意象”集合0ʹ，通过咨询相关人士并查询资料，选取大量相关生物作为初选样本。利用亲和图(KJ)法进行归类处理，最终选取3种生物作为仿生参考原型，见表1。

表1 仿生参考原型

(2) 在确定一定数量仿生参考原型后，通过解构分析得到标准的重要程度排序，并利用哈里斯图表对选择的参考原型进行评分等级的打分，评分等级设定为偶数四等级“--，-，+，++”，分别代表“差、中等、良好、优”对应分值为“-2，-1，1，2”，当存在“+2”或“-2”评分时，需在“-1和-2”或“+1和+2”2个方框内涂上颜色。参照所有设计要求进行打分后，将评分分别填入对应生物的图5中，通过3组参考原型契合度的直观呈现，择优选取前口双吻蝠鲼作为产品的仿生生物原型。

3.3 双吻前口蝠鲼特征认知与耦合设计

3.3.1 特征认知

通过拓扑结构特征简化分析，得到双吻前口蝠鲼的特征认知排序如图6所示(所有重要特征已通过红色描边进行凸显)。

与同纲生物对比得到二级结构中头部、躯干、尾巴均属于双吻蝠鲼重要特征结构；三级结构中嘴巴、头鳍、胸鳍、鳃裂、马甲状斑纹、尾根部与躯干间的连接突起属于重要特征结构；四级结构中细长牙齿属于重要特征结构；而与同属阿氏蝠鲼比较得到具有唯一性的显著结构特征为：嘴巴、马甲状斑纹与尾根部连接；再根据拓扑相邻关系原则，躯干、胸鳍与尾根部突起具有不被拓扑关系影响的整体最简局部特点，可进行结构组合化一的整体设计，以满足人的视知觉感知倾向。通过上述对特征结构的分析，进而得到具体特征强弱排序，见表2。

图5 哈里斯图表分析

表2 生物特征强弱排序

3.3.2 耦合设计

(1) 通过对溢油回收装置进行功能形态分析并结合特征强弱次序关系，得到功能形态特征与生物结构特征间的耦合匹配关系，见表3。

表3 功能形态与生物结构特征间的耦合关系

(2) 通过提取特征线进行拟合优化，对部分生物结构特征进行满足功能需求的调和处理、满足工业生产与本质凸显的抽象化处理以及凸显对比效果的夸张处理，特征线优化结果见表4。

表4 生物结构特征线提取与拟合优化

注：红线为生物原生结构特征线，蓝线为几何优化后的拟合特征线

(3) 将上述2步设计分析得到的结果与前文视知觉感知特点(生物特征通常选取4个较为合适)相结合进行设计，得到下列4组设计方案，如图7所示。

3.4 海上溢油回收装置设计方案模糊评价

根据一级模糊综合评价法，对4种仿生设计方案进行评估。经德菲尔法得到评价因素={造型美感度1，结构功能耦合度2，生产制造便捷性3，象征语义契合度4}；目标权重={0.3,0.4,0.2, 0.1}；评语集={优1，良2，中3，差4}。制作评价量表，邀请设计人员、海洋学相关专业学者共10人组成专家团队，对4个仿生方案进行综合评价分析，得到模糊综合评价结果(表5)。

图7 仿生设计方案

表5 仿生方案模糊综合评价结果

通过表5数据构建4组设计方案的模糊矩阵分别为

由式(2)可得4个设计方案的模糊综合评价向量分别为

1={0.17,0.49,0.32,0.02}

2={0.09,0.28,0.39,0.24}

3={0.15,0.40,0.45,0.00}

4={0.36,0.51,0.11,0.02}

所有矩阵内元素相加结果为1，因此直接通过最大隶属度原则，得到设计方案的评价排序为：方案4>方案1>方案3>方案2。通过方案的优次级排序，选取方案4首先进入动力学评估环节。

4 动力学评估

安全稳定行驶是海上使用装备设计需要着重考虑的，而对装备稳定行驶影响较大的外因莫过于海浪与鱼群的干扰。为了使溢油回收装置能够较好的在近海岸工作，避免其与海浪及驱鱼装置的工作频率太过接近而引发共振危险，因此需要对仿生装置结构进行动力学评估，以便择优选取最适合方案或对方案进行更进一步的可行性改进。

4.1 驱鱼装置工作频率与近岸波浪频率求取

(1) 根据已有研究可知，大多数鱼类能够听到的声音范围在50～1 000 Hz之间，少数能听到高于3 kHz的声音[16]。因此装置结构的固有频率取值应在 0～50 Hz或1～3 kHz之间。

(2) 海岸边的波浪主要是由风力形成，由风浪、涌浪等组成，具有一定的规则性。通过查阅、整理海浪监测类文献可知，我国几大海域各地区间近岸海浪一般平均周期的大致范围见表6[17-23]，数据由式(5)对其进行一般平均频率的求取，最终得到我国海域近岸海浪一般平均频率取值约在0.10～0.67 Hz之间。因此装置结构的固有频率取值也应尽量大于1 Hz。

4.2 模态分析

模态分析作为动力学的评估方法，是研究结构动力特性的方法之一，一般应用于工程振动领域，可求解固有频率、阻尼比与模态振型等参数。

表6 我国海域海浪监测一般平均周期

解决多自由度体系的动力平衡方程式，即

其中，[]为质量矩阵；[]为阻尼矩阵；[]为刚度矩阵；{()}为外载荷向量。若[]与[]为常数，即视为线性动力问题。

对于固有频率，可通过分析无荷载的动态响应求取，继而得到简化后无阻尼系统的平衡方程

因振动系振幅不全为0，则

利用ANSYS Workbench软件对模型进行壳体的线性瞬态分析，壳体选取具有较好防腐蚀性质的镍铬钢与钛合金材质。通过自由振动求取固有频率，因前6阶为刚体移动自由模态，其频率为0，故而从第7阶振型开始依次向后取到第12阶共6个主要振型来代表装置的结构属性。在仿真分析中镍铬钢从第7阶振型开始其固有频率为160.98 Hz，随阶数的增加呈现递增趋势，其分析云图如图8所示。而钛合金材质其7～12阶的固有振动频率分别为：25.823 Hz，26.285 Hz，26.611 Hz，32.362 Hz，32.482 Hz，48.709 Hz (图9)。

根据云图显示结果表明，结构的属性与产品材质有关，当方案4使用钛合金材质进行设计时，溢油回收装置的尾端与背部靠中心两侧位置在工作中最易发生变形，其主要振型的固有频率不在近岸海浪的大致频率和驱鱼装置的工作频率之间，故该方案不易发生共振危险，符合结构动力学特征。

4.3 装置溢油回收功效评估

选取影响溢油回收效率的主要因素，将上述分析所得仿生方案与当前市面上主流溢油回收装置进行影响因素对应效果的对比，结果见表7。

由对比分析可知，设计得到的蝠鲼装置其所回收溢油无需二次加工、溢油回收占比速率与机器速度关联较小(能量驱动浪费小)，且环境因素限制也较小，具备较好地回收效果，满足设计要求。

表7 溢油回收装置参照对比

5 结束语

引入仿生学知识构建仿生设计流程，不仅能很好地解决海上溢油回收装置功能与形态间存在的单一局限性问题，同时也能较好地迎合大众的审美意识。在对生物原型的确定阶段，引入综摄法与哈里斯图表法进行判断而非倚靠个人的主观猜想，能更好地找到高匹配度的生物原型，继而通过简化优化后得到更加理想化的特征结构，提升产品设计要素与生物特征结构间相互耦合的关联性。此外，利用模糊集概念理性地对方案进行量化模糊计算，可更合理地得出方案的优先级排序。最后，为了保证蝠鲼仿生装置的使用安全，在后期通过动力学仿真，科学地评价方案的可行性与有效性，给海上溢油回收装置设计方案的选择与改进提供了可靠的数据与方向。

当前该方法的构建主要从产品出发围绕功能与造型展开研究，而对用户情感需求的思考略显不足，这也为接下来方法模型的深化与完善提供了方向。

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Design and evaluation of offshore oil spill recovery devices based on morphological bionics

ZHANG You-wei, SUN Hu

(School of Fine Arts and Design, Xihua University, Chengdu Sichuan 610039, China)

In order to address the problem of the single function and form of the offshore oil recovery device, a method of bionic design, which was constructed using the bionic design program from bottom to up, was proposed. Firstly, in order to determine the bionic target set, the set of intentional images of the biological features was obtained using the synectics method. Secondly, the Harris chart was employed to screen the target set to determine the bionic prototype. Thirdly, the biological simplification and optimization method was utilized to analyze the structural feature relationship of the bionic prototype, and couple the structural features and the main design elements obtained using the approach of morphology analysis, thereby producing a preliminary design plan of bionic modeling. Fourthly, the concept of fuzzy sets in fuzzy mathematics was used to rank the design plans to determine the priority. Fifthly, the best design plan was selected for modal analysis to verify whether the plan could meet the requirements of structural dynamics, thus establishing a bionic design method that could shed light on the whole system.Based on this method that could guide the design, we could obtain the oil spill recovery device of manta ray bionic style, which could meet the design requirements and was of high coupling degree between function and form. By applying the constructed design model to the bionic design of products, it can provide effective theoretical guidance for the design of the marine application product, and help elevate the overall level of marine technological products.

bionic design; offshore oil spill recovery device; synectics method; fuzzy comprehensive evaluation; dynamic evaluation

TB 472

10.11996/JG.j.2095-302X.2022050927

A

2095-302X(2022)05-0927-09

2022-02-25；

2022-05-16

25 February，2022；

16 May，2022

四川省哲学社会科学重点研究基地-现代设计与文化研究中心项目(MD22E017)

Sichuan Provincial Key Research Base of Philosophy and Social Sciences-Modern Design and Culture Research Center (MD22E017)

张有为(1997-)，男，硕士研究生。主要研究方向为工业设计、仿生设计。E-mail：1403179831@qq.com

ZHANG You-wei (1977-), maser student. His main research interests cover industrial design, bionic design. E-mail：1403179831@qq.com

孙 虎(1982-)，男，教授，硕士。主要研究方向为产品创新设计、装备设计、信息交互设计等。E-mail：14344380@qq.com

SUN Hu (1982-), professor, master. His main research interests cover product innovation design, equipment design, information inte-raction design, etc. E-mail：14344380@qq.com