生物启发设计中产品创意造型生成机制及其演化模型研究

Nature is the main source of creative inspiration and innovative thinking in conceptual design. The applied research of biological inspired design (BID) has become a hot spot in recent years, but the generative mechanisms and evolvement methods of product form mapped from biological shapes lack of systematic research. Firstly, this project will investigate the multidimensional mapping relationships of design objective, biological function and form, and construct function-form cognitive models according to problem-driven and solution-driven process. Secondly, through compound analogical reasoning and multimodal analogical reasoning design experiments, curve characteristics of biological shapes, design sketches and target product form will be extracted and statistical analyzed to clarify the potential generative mechanisms and rules of creative form in BID. Then, the interactive evolution models of creative form will be constructed, based on function-form cognitive models and creative form generative rules, respectively constrained and evolved by biological form and product form in generative design, and combined with the designer evaluation and evolutionary algorithm. Finally, a prototype system is to be developed, which will be applied and verified by conceptual design cases of wearable mobility assisted equipments.The results of this project will not only provide a new theory and method for BID, useful to develop applications and innovations of industrial design, computer aided design, evolutionary computation and other reasearch areas, but also contribute to improve our country's product design capability of independent innovation.

自然界是概念设计创意灵感和创新思维的主要来源，生物启发设计的应用研究已成为近年来的热点，但其中生物形态映射的产品造型生成机制与演化方法缺少系统性的研究。本项目首先研究设计目标、生物功能与形态的多维映射关系，建立目标驱动与方案驱动的功能-形态认知模型；然后通过混合类比推理与多模态类比推理设计实验，提取生物形态、设计草图和目标产品造型的曲线特征进行统计分析，阐明生物启发设计中创意造型的潜在生成机制与规则；进而基于功能-形态认知模型和创意造型生成规则，分别以生物形态与产品造型作为生成设计的约束条件和进化方向，结合设计师评价与进化算法，构建交互式产品创意造型演化模型；最后开发原型系统，以穿戴式运动辅助装备的概念设计为例予以应用验证。本项目的研究成果为生物启发设计提供新的理论与方法，有助于拓展工业设计、计算机辅助设计和进化计算等领域的应用创新，为提高我国产品设计的自主创新能力做出贡献。

自然界是概念设计创意灵感和创新思维的重要来源之一。近年来，生物启发设计已成为工程设计领域的研究热点，但生物形态映射的产品造型生成机制及其演化方法缺少系统性的研究。在此背景下，本项目首先研究了生物启发设计中设计目标、功能与形态的多维映射关系。将这种多维映射关系视为多维模式识别问题，通过概念设计目标的分解与功能需求描述，生物功能、形态以及产品造型的语义转换、意象特征提取与表示等，基于进化学习算法建立了面向问题驱动与面向方案驱动的生物启发设计的功能-形态认知模型，实现了从设计目标、生物功能和形态的语义关键词检索相对应的生物启发图像，以及通过生物形态与生物功能判断设计目标产品类别。然后，本项目研究了生物启发产品造型设计中的类比推理机制，开展了混合类比推理与多模态类比推理设计实验，采用链码算法对草图轮廓进行编码，提出了基于椭圆傅里叶系数主成分、表面肌电信号与感性认知匹配的手绘草图特征提取方法；通过对草图特征的方差分析、多重比较以及相关性分析，提出了基于类比推理设计的创意造型生成规则，为进化生成设计提供了造型演化的约束条件。进而，将生物启发计算应用于生物启发设计，基于功能-形态认知模型，类比推理设计的创意造型生成规则，采用交互式遗传算法和生成设计技术，提出了结合设计师体态语言识别与评价的多维个体适应值求解方法，建立了生物形态-产品造型的动态演化模型与交互式进化生成系统，能够进行多方案同时比较，获得全局最优设计方案。最后，以穿戴式运动辅助装备的开发与设计为例，对本项目提出的生物启发设计的理论与方法进行应用验证。本项目取得了一系列的研究成果，例如在国内外学术期刊与会议上共发表论文21篇（SCI收录期刊论文9篇，EI收录期刊论文5篇）。研究成果拓展了工业设计、交互设计、计算机辅助设计等领域的理论和应用创新，对提高我国产品设计的自主创新能力具有重要的实践意义。