浅谈仿生设计在列车上的应用

[摘 要]仿生设计由来已久，许多具有开创意义的科学进步，灵感都源自大自然。两种看似风马牛不相及的事物，仿生学却将二者联系在了一起。随着技术的发展，列车速度不断提升，风阻越来越大，随之带来的问题越来越多，工程师开始放眼大自然寻找答案，列车仿生设计应运而生。形态仿生与色彩仿生是列车仿生设计的重要形式。

[关键词]仿生；列车；审美；形态；色彩

中图分类号：TG303.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0295-01

仿生设计由来已久，科学家研究鸟儿的身体构造发明了飞机，研究鱼儿的身体构造发明了潜水艇。许多具有开创意义的科学进步，灵感都源自大自然。令人讨厌的苍蝇看似与宏伟的航天事业风马牛不相及，但是仿生学却将二者联系在了一起。根据苍蝇的嗅觉器官的功能构造，研制出一种奇特的小型气体分析仪器。工程师仿照鲸鱼形体，改进船体设计，大大提高轮船的航行速度，建筑师根据“薄壳结构”，设计出轻盈省料的建筑物。当人类的研究、设计遇到瓶颈，把眼光放诸到大自然中，都会有意想不到的收获。

最初的铁路机车，速度有限，风阻影响较少，设计上并未太多考虑仿生设计。随着技术的发展，列车速度不断提升，风阻越来越大，随之带来的问题越来越多，比如：高速列车的风阻问题、列车超高速子弹头列车过隧道的音燥问题、列车交错时的震动问题等等。工程师开始放眼大自然寻找答案。

列车仿生设计是科学与美学的有机结合。列车运行在一个开放变化的环境中，列车在设计上就需要考虑：列车的功能属性、形式美感、列车与周边环境的协调性、本土文化。

列车形态仿生设计

列车形态仿生设计给人以亲和、自然的感觉。以动物为原型设计的列车，较为容易被大众所接受。因此，猎豹、海豚、鲨鱼、鹰等体现速度的自然形态被广泛的吸取应用的列车设计中。

一、为满足运行速度为目的的功能性仿生设计是列车形态仿生设计的一种重要应用形式。速度决定形态。随着动车组速度的不断提高，动车组的阻力将明显增大，当动车组速度达到200km/h时，空气阻力占运行总阻力的70%左右，当动车组速度达到300km/h时，空气阻力占运行总阻力的85%左右。动车组运行中消耗的能量的大部分都用来克服空气阻力。高速列车的速度要求，列车的造型需要圆润为主，以达到尽量小的风阻，良好的行车性能。进而出现了一系列仿生流线形的高速列车。应用仿生设计方法，除了具有自然界存在的形态易于为大众所接受的优势外，还与列车的速度与空气动力学性能息息相关。

案例分析：以唐山轨道客车有限责任公司时速250公里动车组为研究对象，主要以其形态抽取过程对列车形态仿生设计过程进行分析。这款车的设计灵感来自于鲨鱼。（见图1）

1.仿生设计需求分析：从产品设计需求来看，该动车组设计要求体现速度感，具有良好的空气动力学性能、安全、舒适、环保、符合中国人的审美需求。自然界中存在大量流线体型的生物，可以从自然界中寻求仿生对象。

2.确定仿生对象：设计灵感：动感＼速度＼力量＼精确＼性格＼魅力＼流线＼魅力。从行动敏捷，能够体现速度感的动物中选取了鲨鱼，鲨鱼具有非常出色的流线特征，鲨鱼的形体能够有效减小阻力快速前进。鲨鱼的这种出色的流线特征，非常符合动车组对空气动力学的要求。

3.提取仿生特征和造型手法：确定仿生对象后，经过对鲨鱼进行详细观察和分析，用强调整体的抽象方法对鲨鱼的外形进行提取，选取了鲨鱼流线形体、特色下颚以及独特的鳃裂形态。

4.形态细化处理：要将鲨鱼的主要形态结构特征准确转化成列车形态结构特征必须对鲨鱼主要形态结构特征本质抽取、提炼。在保持鲨鱼主要形态特征的基础上，将鲨鱼模型逐步向车的形态方向转变。按照平断面尺寸比例将鲨鱼的外部轮廓调整处理成动车组车顶平滑的边线轮廓，曲面车顶延伸至前端上部，形成一个整体大弧面的设计结构，确定了车辆和谐的总体造型特征，展示了雅致、纯粹、永恒与流畅。

5.设计修改与评价：按照1：20 的比例制作了车头模型，进行风洞试验，测试列车的空气动力学性能，将车头模型与鲨鱼进行对比，继续细致推敲鲨鱼形态的每一个细节是否满足列车对空气动力学的性能要求，对不合理的细节进行调整。最终投入生产的鲨鱼造型的动车组大幅降低了运行阻力和噪音，能耗更低。（见图2）

二、为解决运行所产生的问题的仿生设计是列车形态仿生设计的深层次应用。大自然的奥秘不胜枚举。列车造型仿生设计除了给人美观亲和、生机勃勃的感觉外，最大的优点在于非常有利于空气动力学布局。在大自然优胜劣汰、适者生存的规律下，动物要中得以生存，必须跑得更快、更高、动作精准、具备绝佳的能耗比，动物体上的器官形态、功能都是经过长期物竞天择进化而来的。独特的身体构造对列车的造型设计以及解决列车运行所产生的问题具有独特的指导意义。

比如：子弹头列车设计灵感来源于翠鸟的喙。日本工程师们在对新干线高速列车进行升级之后，成功地将时速提升至320公里每小时，新问题随之而来，如此高的速度导致列车的噪音超出了环保标准，这种列车驶离狭窄的隧道时就会产生音爆现象。列车在高速行驶中，前部“鼻子”所形成的风墙不仅会产生巨大的噪音，而且还会减慢列车的速度。翠鸟流线型的长喙从尖端到头部的直径是逐渐增大的，潜水时会让水流向身后。翠鸟从空中一头扎入水中，几乎不溅起任何水花，这主要归功于它那特殊形状的喙。日本工程师们意识到，这一现象或许可以解决音爆现象。根据翠鸟喙的形状设计的新型500系列车，于1997年投入使用，行驶速度提升了10%，同时电能消耗减少了15%。

列车色彩仿生设计

色彩是造型的基本要素之一。色彩的重要功能是影响人的心理感受。相同的造型，不同的色彩，会给人不同的感受。

一、列车色彩仿生是对形态仿生的一种补充。高速列车形态仿生设计集中在车头部位，为展现车头与车身的整体连贯性，可以通过色彩涂装来体现。唐山轨道客车有限责任公司生产的时速250公里鲨鱼造型动车组，点睛之笔侧窗的鳃裂造型就是通过黑色涂装达到的效果。

二、列车色彩仿生需要以乘客心理为参照。人类自诞生以来便产生了心理认知，通常人类的一系列活动，都是以自身为参照系的。列车属于公众出行使用的一种交通工具，因此在涂装设计中也要引入乘客心理情感因素，考虑大众心理的接受程度来定义列车的涂装。

三、列车色彩仿生需要考虑和运行环境相融合。西班牙EUSKOTREN毛毛虫造型的窄轨列车是色彩涂装仿生的实例。运行中的列车似化蝶前的毛毛虫与美丽的自然环境融合，体现生态审美、和谐自然。（见图3）

大自然中蕴含着丰富的资源，为列车设计及改进带来了许多灵感。仿生设计创造了造型丰富、形态简练的审美效果。仿生形态是设计创新的源泉。运用仿生思维设计，不仅可以创造出功能完备、结构坚实、能效俱佳的列车，同时赋予列车生命的象征，让设计回归自然，人类与自然和谐统一。仿生设计在列车设计及发展中起着重要的推动作用，将为列车设计翻开崭新的一页。

参考文献

[1] 章利国《现代设计美学》河南美术出版社1999年4月第1版.

[2] 密宝山《仿生思维与新产品开发》【M】 北京：中国轻工业出版社，1998.

[3] 邓福星，主编.王菊生著《造型原理》.黑龙江美术出版社 2000年3月第1版.