生物结构仿生鞋类设计理念研究

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摘要:从外观和功能2方面入手，结合设计学、仿生学、生物学及运动工程学等知识，在对具体实例的分析中，系统地总结了生物结构应用在仿生鞋类设计上的设计理念，即多元化设计与形式美法则的结合，以及专业化设计与人机工程学的结合，并从动态性、生命性、平衡性和环保性等角度出发，对其在鞋类设计上的应用前景进行了展望。通过探索生物结构的奇巧精致，由表及里，为鞋类设计找到一种新方法和新原理，并以生物学理念为指导，使鞋类设计与自然达到高度的和谐统一。

关键词:仿生设计;生物结构;鞋类设计;外观;功能

随着鞋类设计的发展和设计理念的进步，越来越多的设计师不仅仅满足于外观仿生，而是把眼光转向生物内部，寻求更深更内在层次的发展，通过探索生物细胞、组织、器官等的形态、色彩、肌理、结构和功能，把它们应用于鞋类设计当中，为鞋子的观感和功能逻辑创造了新的可能。生物结构是自然选择与进化的重要内容，是决定生命形式与种类的因素，具有鲜明的生命特征和意义［1］。仿生设计可分为:仿生艺术造型设计和仿生工程设计［2］。仿生艺术造型设计以表现鞋子的造型美为目的，仿生工程设计的主要目的则是开发鞋子的功能。从造型设计角度看，生物结构仿生鞋类设计的理念应为多元化设计与形式美法则的结合;从功能角度讲，则应是专业化设计与人机工程学的结合。

1多元化设计与形式美法则的结合

生物物种、遗传、生物系统有一个很重要的特性，那就是多样性。从鞋类设计来讲，不管是从设计取材、设计手法还是实现工艺等角度来看，都是朝着丰富多元的方向发展。

1.1设计取材多元化

生物结构鞋类仿生设计取材可来自于任何一种生物的任何一种结构，设计角度也不仅仅是这些结构的外形，也可以是各种功能机制。植物体的组织与功能、能量与物质转化、遗传、复制、发育、调控、修复、代偿、环境适应机制等，都是鞋类设计和技术创新取之不竭的知识宝库。鞋类设计的取材可以来源于植物的肌理结构、疏水防粘结构、动力结构等，如叶脉交叉网状的支撑组织肌理，可用于鞋后跟的支撑结构，竹叶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层等。植物可以感知外界环境发生感应运动，周期性运动如花的开闭运动、叶的气孔运动等，通过研究这些运动的机理，也许可以制造出可以随外界气流和温度变化而开合的鞋面或大底材料，使得鞋子有一种感应活动的智能性，透气性和散热性可以得到很好的提升。

1.2设计手法多元化

多样的设计手法，比如概括法、夸张法等，可以使生物结构鞋类仿生设计展现出十分丰富多变的设计效果，对仿生原型进行升华和艺术性加工，结合鞋的构造特点，将会设计出很多极富创新性又符合鞋子结构特点的鞋款。生物机体的完整性以及机体各部分之间相互联系的统一性，是构成美的形态特征之一［3］。因此，在设计过程中，也应遵循这种“完整性”和“统一性”。不能为了仿生去刻意拼凑和嫁接，在帮部件和跟底部件的设计中，尽量将仿生特征巧妙的融合起来，呈现出具有完整性和统一性的作品。

1.3实现方式多元化

从外观上来讲，如何实现仿生鞋类设计的某种形态、肌理或结构?一方面可以利用传统工艺，例如，赫氏圆石藻是一种包覆着独特碳酸钙盘状外壳的单细胞海洋浮游植物，它们的外壳像是镶着花边的棋子，精致美丽，可以用编织手法来实现这种圆环周围镶边的形态。

1.4仿生设计与形式美法则

在设计灵感的捕捉多元化的同时，设计师应在材质肌理、帮部件造型、大底造型及配色方面，尽可能合理运用变化与统一、对称与均衡、对比与调和、节奏与韵律等形式美构成法则，以使仿生鞋达到形式与内容的高度统一。例如在确定某种仿生花纹在鞋面或大底上的比例时，应考虑使用黄金比例，给人美的感受;再比如在模仿有机形态时，应注重主次轻重、韵律起伏等。

2专业化设计与人机工程学的结合

生物界在进化的自然选择中，整体功能渐趋完美，自然界生物高效低耗，其机体完整的保障系统使自身的结构和功能变得科学、合理、经济、高效，是人类设计创新的原型［4］。把生物结构的工程学原理及功能逻辑运用在鞋类设计中，可以设计出更加符合人体需求的产品。同时，鞋子的功用越来越专业化、功能化，根据穿着环境、场合的需要，鞋应具备某种特定的功能，而实现这种功能的最大效能，正是鞋类仿生设计的目标之一。

2.1符合特定功能的专业化仿生设计

专业化功能设计主要体现在运动鞋和功能鞋上，随着现代竞技体育、户外体育等的细分，不同的项目和场合分别需要配备相应功能的鞋子。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，这点可以借鉴山地上擅长爬山的动物，比如山羊。山羊有着惊人的攀爬能力，在险峻的山峰上比猴子还灵活。山羊能攀岩的原因主要有以下3点:(1)山羊的脚趾非常奇特，趾与趾之间的缝隙宽度超过其他任何分蹄动物，适合插进岩壁缝隙;(2)山羊蹄子上长有一层坚固的外壁，可以抓住陡峭山石;(3)山羊蹄内部结构柔软而富有弹性，在身体前倾时可充当一个“缓冲制动器”。受此启发，可以模仿山羊蹄，在登山鞋的外缘增加一圈坚固的凸起，以抓住山石，并在大底上增加柔软的内垫，产生足够弹性，使身体前倾时不会滑倒，甚至可以模仿山羊的分蹄结构，将鞋头分开，使攀爬时脚可以插进岩壁缝隙。

2.2仿生鞋类设计和人机工程学的结合

现代化鞋类设计更加注重与人机工程学的结合，仿生鞋类设计也不例外。楦型和帮面设计多注重舒适性、抱脚性、防扭伤性等，大底的设计上则更多的关注稳定性、防滑性、耐磨性及为穿着者提供运动助能的效用［5］。彪马品牌2013年推出的MobiumElite跑鞋引入了一整套“动态适足科技”，其中最让人眼前一亮的设计就是MobiumBand弹力绳，它模仿人脚肌腱的工作原理，当鞋底受到压力时，大底就会在弹力带的压力下，先扩张再收缩，先扩张产生更好的缓冲效果，紧随其后的收缩就产生反馈的动力，给穿着者下一步的助力。因此，仿生设计与人机工程学的紧密结合，可以使专业化鞋设计的功能性实现质的飞跃，上升到一个全新的位置。

3生物结构仿生鞋类设计方向展望

3.1动态性和变化性

3.1.1动态性

基于生物的设计，离不开其力学美和动态美，每种生物最精巧玄妙之处，在于其能动机理、力与动态的完美结合。鞋子，也不应仅仅只是具有某种功效的“盒子”，更是一个生命的有机体，其本身也可以具备可动性。例如，基于鸟类原型的仿生童鞋，可以在其帮面上设计翅膀和某种牵引装置，使得儿童在行走时，羽翅可以跟随脚的运动而摆动，增加趣味性和互动性。另外在特殊的场合，如秀场、舞台等，可以让模特或者舞者穿上类似的鞋，以增加舞台效果、话题性和情趣性。3.1.2变化性此外，还可以从生命的变化过程进行仿生。基于这种变化过程的启发，可以使鞋子在不同的时间段内产生某种变化，包括颜色、面料、用途等方面的变化。例如，受蛇蜕皮的启发，可以设计出一系列可以逐层剥弃的鞋子，这种鞋的面料由多层天然纤维织物构成，彼此之间用可溶于水的高分子聚合胶粘连，喷上水之后，鞋的最外层便能轻松剥离，而被剥离出来的局部，可以作为新的配件继续使用，更深层次的体现了仿生理念。

3.2生命性和融合性

3.2.1生命性

仿生设计的最高境界就是使产品具备生物活性，即具备生化基础，使产品自身拥有应激能力、新陈代谢能力等。在未来10a，生物与科技的融合将会是最前沿的领域之一，在鞋业界也是如此。设计者ShameesAden和MartinHanczyc已发明出一种由3D印刷技术和有机组织生成的运动鞋原型，它可以根据脚部压力进行膨胀和收缩，是一个具有适应与再生能力的组织，因此穿起来就像一只脚一样。但是，这种原型目前也只能保存在保护液中。也许在未来，技术的发展可以使这种组织走出实验室，真正走进生活，那么鞋子这种产品就不仅仅是工业产物，而真正成为了人类身体的一部分。这里所说的“生命性”，不仅是指真正意义上的生命，还可以是看似具有生命一般的“智能性”。如可以模拟某种鳞片结构，在鞋内设置气温、湿度感应装置，使得温、湿度高至某临界点时，鳞片就像具备生命一般自动张开，排出气流和水汽，温、湿度下降到一定程度时，鳞片又会自动闭合，实现保温作用。

3.2.2融合性

鞋一旦具有了生物活性，便能更好的和脚融为一体，适应脚的形态和运动，真正意义上达到了“裸足”的效果。人脚的组成除了骨骼就是肌肉，试想，能否用一种类似于肌肉的材料去制鞋，使得鞋成为腿部脚部具有生命机能的一部分?这种人工肌肉由碳纤维束制成，质量超级轻，牢固程度堪比钢铁，用它来制作鞋子，可以使鞋成为脚部肌肉的一部分，具有真正的动力特性和生命机能。这里的“融合性”还体现在:鞋的各个部分，鞋面、鞋跟、鞋底的界限会越来越模糊，有机的融为一体，生物恰好为人们提供了很多综合交织的范例，使得鞋的各个结构和功能成为一个综合的整体。

3.3平衡性和高效性

3.3.1平衡性

不管是树枝的平衡性生长，还是恒温动物保持恒温的机理，或是生态系统的动态平衡等，处处都体现着生物结构和生物系统的平衡性。鞋的稳定性和缓冲性是一对互相矛盾的性能，好的鞋子和气垫应该兼备吸震效果和能量回归效果，而生物在漫长进化史中所具备的功能，使得它们的功能结构具有很好的平衡性。因此，可以参考善奔跑的林地动物，例如猫科动物的足底和腿部性能，是什么样的结构和机制使得它们同时具备良好的缓冲性和稳定性，搞清楚这点，或许就得到了平衡这两者的好办法。鞋面材料如果过于柔软，往往不具备很好的保护性能，如果过硬，则易磨脚、易疲劳。如何平衡保护性能和柔软度这两者的关系，可以借鉴鳞甲类动物表皮的机理，其鳞片结构往往既具有很好的灵活性，又具有很好的防冲击性能。可以用硬度较佳的材料，以鳞片形式排布于鞋面，这样就使得鞋子兼备很好的保护性和柔韧性。因此，要平衡鞋的各个生物力学性能之间的关系，可以多从仿生设计入手，从生物身上取经，将会获得很大的启发和裨益。

3.3.2高效性

在“物竞天择，适者生存”的自然法则中，生物体结构往往符合“以最少材料”构成“最大合理空间”的要求，为人们提供了“优良设计”的典范。因此在仿生设计的时候，要去寻找和探索其最高效的结构。黄金分割比例众所周知，其实还有一个被称为黄金角的数值137.5°，植物的茎叶和果实几乎都是按照137.5°的模式排列的，这样植物的茎叶和果实就可以占有最大的空间，最有利于植物的生长。这便是生物结构的“高效性”。因此，在设计鞋的大底花纹或者防滑系统的时候，不妨试试137.5°这个黄金角，或许在某种花纹的黄金角度下，鞋的防滑性和抓地力是最好的。“高效”是人类应该从生物身上所学到的理念，寻求高效的仿生功能，对于提高鞋功能研发效率和推动鞋业发展，有着很好的作用。

3.4环保性和可持续性

仿生设计最终极的追求是认清生命本质，在向自然的学习与追问中，寻找解决客观问题的最高效低耗的方法。以染料为例，现今鞋用染料绝大多数是用化学染料和助剂染色，它们直接或间接地对环境造成污染，那么能否运用一种其本身结构就能通过物理作用显现色彩的结构生色纤维?可以借鉴南美洲蓝闪蝶翅膀鳞片的多层立体栅栏式结构，通过反射、折射、绕射等作用，显现美丽的色彩(见图8)。所以，在仿生鞋类设计原材料的选取上，应多从生物体结构入手，来研发新型环保材料，多选用天然的、可再生、可降解的材料，同时应加大仿生技术创新，优化产业结构，发展循环经济，实现绿色环保可持续发展。

4结束语

在生物结构仿生服装设计已经相当普遍和成熟的时候，鞋尤其是非运动功能鞋的仿生设计，并未深入到一定层次。基于生物结构的仿生鞋类设计，正是由表及里、由浅入深，从生物学出发，探索生物内在结构的奇巧以及生命本质的奥秘，从形态、结构、功能等方面展开设计，为鞋类设计提供一种新原理、新方法和新途径，丰富了鞋的潮流风范和文化内涵，并通过探索脚－鞋－环境三者间的平衡，从最深层次的生命与自然的和谐关系中，找到仿生设计的本质追求，以自生、再生、竞生和共生为理念，在为人类带来功能完备、结构精巧、用材合理、外观美妙的鞋子的同时，使鞋类设计生产与自然达到高度的和谐统一。

作者:杜昭 姚云鹤 单位:四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室 四川大学制革清洁技术国家工程实验室

参考文献:

［1］严丹.设计思考———产品设计创新能力开发［M］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［2］崔荣荣，唐虹，卢阳.服饰设计与仿生学［J］.南通工学院学报(社会科学版)，2003(1):60－62.

［3］徐恒醇.设计美学［M］.北京:清华大学出版社，2006.

［4］李昕，潜铁宇.和谐与共生———产品仿生设计的生物学原理［C］.2007国际工业设计研讨会暨第12届全国工业设计学术年会，南昌，2007.

［5］韩建林.浅析现代竞技运动鞋创新设计理念［J］.中国皮革，2012，41(6):166－167.