練舒涵，胡福良

（1.浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)1801班，浙江 杭州 310058；2.浙江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058）

1 蜜蜂仿生概述

自生命起源至今日，能夠存活的物種都表現(xiàn)出了其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。究其根源，每種物種的生理構(gòu)造都直接或間接地表現(xiàn)出了適應(yīng)環(huán)境的強(qiáng)大力量。在我們熟知的達(dá)爾文的自然選擇說中便有“物競(jìng)天擇，適者生存”的說法，環(huán)境主動(dòng)淘汰了那些不能夠適應(yīng)的生物而選擇性地留下了能夠適應(yīng)的生物。仿生學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，人們開始在存活的物種身上尋找其值得我們學(xué)習(xí)的點(diǎn)，再運(yùn)用到我們需要的地方。

據(jù)化石資料，蜜蜂在第三紀(jì)晚始新世地層中已大量發(fā)現(xiàn)。能夠在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過程中存活至今，其對(duì)于人類有著極高的借鑒意義。不論是對(duì)蜜蜂進(jìn)行仿生的研究，還是借此創(chuàng)造出高效與可持續(xù)性的設(shè)計(jì)，人類都正在進(jìn)行著并且持續(xù)進(jìn)行著。

2 蜜蜂仿生領(lǐng)域的現(xiàn)有案例

2.1 蜜蜂個(gè)體的仿生設(shè)計(jì)——以在服裝設(shè)計(jì)上的仿生設(shè)計(jì)為例

對(duì)蜜蜂的外部特征形態(tài)進(jìn)行模擬，就是視覺仿真中最為直接的一種方式。這種方式在服裝領(lǐng)域上很常見，早在西方拿破侖時(shí)期就將蜜蜂的元素作為皇室權(quán)力的象征運(yùn)用到服裝的設(shè)計(jì)上。后來設(shè)計(jì)師伊爾莎·斯奇培爾莉用金屬的材料設(shè)計(jì)出了夸張的蜜蜂胸針，更是作為昆蟲元素在服裝設(shè)計(jì)上的先驅(qū)。

在服裝設(shè)計(jì)的仿生運(yùn)用上簡(jiǎn)單分為形態(tài)仿真、色彩仿真、結(jié)構(gòu)仿生、材料仿生甚至文化仿生等[1]。以下是每種仿生設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單介紹。

形態(tài)仿真主要是外觀上的模仿，純粹地將蜜蜂原有的形態(tài)作為圖案裝飾來利用。

色彩仿真則無需拘泥于輪廓外形這些限制，主要是將蜜蜂背板上黃色與黑色在服裝中巧妙拼搭運(yùn)用。

結(jié)構(gòu)仿真則將蜜蜂的內(nèi)部構(gòu)造抽象出來，比如抽取肌肉部分或是骨骼部分，再用藝術(shù)的設(shè)計(jì)手法全新地表現(xiàn)出來。

材料仿真指的是選取表現(xiàn)效果相似的材料來打造相似的效果，比如蜜蜂的翅膀與服裝中的薄紗設(shè)計(jì)、金龜子的背殼與服裝中的亮片設(shè)計(jì)等。

文化仿真則是將一些文化背景在設(shè)計(jì)中繼承與發(fā)揚(yáng)。據(jù)說拿破侖因?yàn)閮簳r(shí)有蜜蜂停留在他的嘴唇上，從此對(duì)蜜蜂格外喜愛。于是設(shè)計(jì)師便將這蜜蜂設(shè)計(jì)在皇室衣物上，久而久之蜜蜂成為了皇室權(quán)力的象征。蜜蜂在服裝設(shè)計(jì)的歷史里也有了文化背景的色彩。

2.2 對(duì)蜜蜂身體部位的仿生設(shè)計(jì)——以對(duì)復(fù)眼和蜇針的仿生設(shè)計(jì)為例

2.2.1 復(fù)眼仿生[2]

蜜蜂擁有一對(duì)復(fù)眼，而人類擁有的是單眼。復(fù)眼是由很多排布在曲面上的小眼組成的，復(fù)眼的視覺系統(tǒng)與單眼相比，占據(jù)著更小的體積卻擁有更大的視場(chǎng)，并且對(duì)運(yùn)動(dòng)物體十分敏感，靈敏度也遠(yuǎn)勝于單眼。因此，很多學(xué)者開始著手對(duì)復(fù)眼進(jìn)行研究來尋求在各種領(lǐng)域上的改進(jìn)。最開始主要是對(duì)平面型復(fù)眼的研究，但在技術(shù)進(jìn)步的過程中，仿生曲面復(fù)眼的設(shè)計(jì)被提出。并且在視場(chǎng)圖像重構(gòu)、目標(biāo)快速定位和識(shí)別上取得了重要的進(jìn)展。這些對(duì)于未來的飛行器和機(jī)器人導(dǎo)航或是各種探測(cè)和跟蹤領(lǐng)域都有著重大的意義，不但是在仿生曲面復(fù)眼系統(tǒng)的研究進(jìn)展上的重要一步，也是在仿生應(yīng)用領(lǐng)域上的重要一步。

2.2.2 針仿生[3]

蜜蜂的尾部蜇針如圖1所示。我們看到的蜇針的外形是鋒利的，但是我們也可以觀察到一側(cè)是光滑的同時(shí)另一側(cè)有逆針頭方向的三角形凸包狀倒刺，并且倒刺在針尖處最為密集。幾乎所有昆蟲的口器以及蜜蜂的蜇針都不是完全光滑的形態(tài)，于是人們借此原理開始制作仿生醫(yī)用注射針。

圖1 蜜蜂蜇針的SEM圖片[3]

人們?cè)谧⑸鋾r(shí)對(duì)舒適度的需求不斷提高，為此在注射時(shí)的低阻力便是研究的一個(gè)目標(biāo)。以往我們可能會(huì)想當(dāng)然地認(rèn)為，越是光滑才能實(shí)現(xiàn)越低的注射阻力。而蜜蜂的蜇針不是光滑的，卻能夠在入某個(gè)刺入對(duì)象時(shí)憑借著不光滑的倒刺來產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦、產(chǎn)生微振動(dòng)來減小刺入的阻力。

自然帶來的智慧讓低阻抑菌醫(yī)用注射器的研究取得重大進(jìn)程，人們通過仿生的方式改變針頭的微觀結(jié)構(gòu)，來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在注射時(shí)的無痛和抑菌。

2.3 對(duì)蜂巢的仿生設(shè)計(jì)

2.3.1 單個(gè)巢房的仿生[4]

蜜蜂在建筑自己的巢房時(shí)采用了緊密排列的正六邊形，除此之外每個(gè)巢房并不是像正六棱柱一樣擁有平的底面，而是創(chuàng)造性地采用了3個(gè)全等的凸出的菱形組件了一個(gè)錐形。這種形體建構(gòu)方式相比正六棱柱或是其他的形體，是形成單位體積所需材料最少的。這就是看似不起眼的蜂巢在結(jié)構(gòu)中蘊(yùn)含的高超智慧。能夠?qū)崿F(xiàn)在擴(kuò)大了內(nèi)部空間的同時(shí)又節(jié)省了所需要的材料。

圖2 建模軟件中展示的蜂巢形體（左）與普通正六棱柱形體（右）對(duì)比

此外，在建筑領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域里，都有對(duì)上述蜂巢結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)運(yùn)用[5]。

蜂巢結(jié)構(gòu)除了空間利用率大之外，還具有隔熱隔音、堅(jiān)固穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。在建筑的仿生設(shè)計(jì)中的六角形架構(gòu)也充分地體現(xiàn)了力與美的結(jié)合。外觀簡(jiǎn)潔精致，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固高強(qiáng)。

2.3.2 蜂巢整體的仿生

除去立體形態(tài)的仿生運(yùn)用以外，剖面的緊實(shí)的六邊形結(jié)構(gòu)在一種仿生吸引力鞋墊中也得到了運(yùn)用。主要的結(jié)構(gòu)是六邊形的柱狀TPU材料，足弓部位則是實(shí)密的TPU層。其中重心的六邊形孔隙能夠?qū)崿F(xiàn)較好的透氣性。在使用過程中由于重力的作用和六邊形的孔穴可以讓腳底與TPU材料產(chǎn)生相互的吸附力，增強(qiáng)穩(wěn)固性。這種鞋墊也獲得了國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的實(shí)用新型專利[6]。

同樣獲得專利的還有一種蜜蜂仿生類植保無人機(jī)[7]，其無人機(jī)仿蜜蜂形態(tài)設(shè)計(jì)，而其六邊形窗格形態(tài)的基站則為無人機(jī)提供了?？康牡胤?。這種設(shè)計(jì)不但來源于自然環(huán)境中的蜜蜂與蜂巢，也同樣出于節(jié)約材料與追求輕便且抗震的目的。

2.4 蜜蜂行為過程角度的仿生設(shè)計(jì)

圖3 左圖為參考文獻(xiàn)[6]中的鞋墊，右圖為參考文獻(xiàn)[7]中的無人機(jī)

蜜蜂在自然生活的條件中無法做到像人類一樣將蜂王漿或是蜂糧冷藏，但是這些物質(zhì)在有蜜蜂的蜂箱里即使是在高溫的夏日里也不會(huì)變質(zhì)。這便說明了蜜蜂能夠在常溫甚至高溫的情況下做到給蜂王漿滅菌。

而在以往的對(duì)蜜蜂的花粉制品的處理中，人們棘手的問題常常是如何做到給花粉滅菌。我們傳統(tǒng)的熟悉的滅菌方式為加溫，但高溫會(huì)導(dǎo)致花粉制品的蛋白質(zhì)成分變性，從而造成營養(yǎng)價(jià)值的丟失。

于是人們開始著手效仿蜜蜂對(duì)花粉的處理方式，模仿其從采集花粉到制作蜂糧的整個(gè)行為過程，最終研制出了能夠在常溫下對(duì)花粉進(jìn)行提取和滅菌的仿生法加工生產(chǎn)工藝[8]，見圖4。

圖4 參考文獻(xiàn)[8]中的仿生法工藝流程

2.5 對(duì)蜂群的仿生

2.5.1 蜜蜂群體管理上的軟仿生

雖然蜜蜂群體中的個(gè)體是在進(jìn)行著本能性的重復(fù)性工作，而人類社會(huì)中的個(gè)體在進(jìn)行著更加復(fù)雜性的勞動(dòng)，仿佛蜜蜂群體的管理對(duì)人類沒有什么可借鑒的意義。但是人類的社會(huì)秩序是人類依靠相關(guān)法規(guī)或是秩序而主動(dòng)維持的，而蜜蜂的群體生活規(guī)律卻看上去渾然天成。

于是這種軟仿生便從蜜蜂的群體活動(dòng)入手，將其中蘊(yùn)含的一些基本原理抽象出來并且在人類的科學(xué)管理中進(jìn)行模擬。再減去蜜蜂本能性的重復(fù)勞動(dòng)，用人類社會(huì)更加復(fù)雜的勞動(dòng)要素取而代之。最終得出了能與蜂群在自然條件下的生活規(guī)律相吻合的科學(xué)勞動(dòng)原則。

研究的結(jié)果即是這3個(gè)基本關(guān)系：PTC關(guān)系、ORA關(guān)系和CMC關(guān)系。

圖5 PTC、ORA、CMC關(guān)系的具體內(nèi)容[9]

相應(yīng)地，每種基本關(guān)系都對(duì)應(yīng)著3個(gè)最佳化的原則。概括性地介紹，就是選擇相互制約的條件高度和諧統(tǒng)一的原則。這種在科學(xué)管理基本原理上的軟仿生，也是人類在科學(xué)管理方面研究中一個(gè)獨(dú)特又有效的切入點(diǎn)。

2.5.2 蜜蜂群體在算法上的仿生

單個(gè)蜜蜂個(gè)體所做的行為是簡(jiǎn)單的重復(fù)性，但是由很多個(gè)體構(gòu)成的蜂群卻表現(xiàn)出了復(fù)雜性與高效性。蜂群總能夠在不同的環(huán)境下迅速適應(yīng)環(huán)境的變化，并且用很高效的方式采集花蜜。

2005年Karaboga將這種高效的行為模式被運(yùn)用到算法中去，實(shí)現(xiàn)了算法上對(duì)蜂群的仿生，這個(gè)算法便是人工蜂群算法[10]。人工蜂群算法模仿了蜜蜂群體的工作原理，采用了多角色分工、協(xié)同工作的機(jī)制，因而也有魯棒性強(qiáng)、適用性廣以及個(gè)體失敗不影響整體任務(wù)的優(yōu)點(diǎn)。因此，蜂群算法憑借其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)得到了較高的重視。許多學(xué)者都在深入研究其算法的優(yōu)化，以及在不同領(lǐng)域中多樣的應(yīng)用。

蜂群算法目前可以應(yīng)用于函數(shù)的優(yōu)化、圖像或是音視頻的處理、人臉識(shí)別、實(shí)體器械制造等方面。并且算法正在不斷的優(yōu)化當(dāng)中，正走向更寬更廣的領(lǐng)域。

3 蜜蜂仿生在設(shè)計(jì)上的未來展望

人類自誕生以前蜜蜂就已經(jīng)在地球上生存了，人類沒有一天離開了蜜蜂。有說法說，不是人類在飼養(yǎng)蜜蜂，而是蜜蜂在飼養(yǎng)人類。而這個(gè)飼養(yǎng)，不止是物質(zhì)層面上蜂蜜或是其他花粉制品的飼養(yǎng)，更是在仿生學(xué)上的“飼養(yǎng)”。

人類對(duì)蜜蜂仿生的研究正在不斷向前推進(jìn)，并且已經(jīng)取得了很多可觀的結(jié)果，在各種領(lǐng)域上也正發(fā)揮著重要的作用。而我們已經(jīng)探究了的部分只是冰山一角，蜜蜂更多的秘密還在等待著被我們探索?；蛟S在更加深度的探索之后，能夠帶來一些全新的改變，轉(zhuǎn)而在更大更廣的領(lǐng)域上大放異彩。

4 結(jié)語

本文主要介紹了蜜蜂在仿生領(lǐng)域上的應(yīng)用，不論是蜜蜂個(gè)體還是蜂巢，抑或是它們的行為模式，都能給人類的研究帶來指導(dǎo)性的作用。

仿生的形式是設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一大重要設(shè)計(jì)方式。在設(shè)計(jì)類的課程中也就包含了形式解剖設(shè)計(jì)的內(nèi)容。本次對(duì)蜜蜂的仿生研究除了讓我更加深度地了解蜜蜂以外，也在研究過程中讓我對(duì)形式解剖的仿生設(shè)計(jì)產(chǎn)生了自己的理解。仿生設(shè)計(jì)并非照搬蜜蜂的表征，在初步的模擬后可以用人類所習(xí)慣的元素加以替代，這樣能夠在吸納仿生優(yōu)勢(shì)的同時(shí)又適應(yīng)人類用戶的使用特點(diǎn)。真正好的設(shè)計(jì)便是如此，能夠廣泛吸納來自自然或是事物的優(yōu)點(diǎn)，又能夠?qū)⒂脩舻臐撘庾R(shí)行為融合進(jìn)去，實(shí)現(xiàn)“無意識(shí)”設(shè)計(jì)。

這就要求仿生設(shè)計(jì)需要究其根源，要融入個(gè)人的思考。仿生的主體并非是被“仿”的生，而是主動(dòng)去“仿”的人。相信在未來，人類也能更好地發(fā)揮自身的主觀能動(dòng)性，探索蜜蜂以及其他自然中的奧秘，并且不斷創(chuàng)造出好的設(shè)計(jì)，促進(jìn)更多領(lǐng)域的繁榮發(fā)展。