董美玲　陳烈勝　徐江華

中圖分類號：V279 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）08-0094-03

引言

無人機(jī)造型特征與其功能用途、技術(shù)革新密切相關(guān)。同時，功能美的設(shè)計原則也要求無人機(jī)形態(tài)需要合乎無人機(jī)的規(guī)律性與目的性。無人機(jī)造型在不斷演變過程中所體現(xiàn)的美感，是其功能價值逐步向?qū)徝纼r值轉(zhuǎn)化的結(jié)果，體現(xiàn)出一種理性美、機(jī)械美與技術(shù)美。工業(yè)設(shè)計對無人機(jī)造型發(fā)展演變產(chǎn)生了重要的影響。

一、無人機(jī)造型發(fā)展演變

無人機(jī)的誕生源于戰(zhàn)爭的需求，現(xiàn)今在民用領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。無人機(jī)造型發(fā)展演變是一個進(jìn)化的過程，其特征受到不同時期的功能需求、技術(shù)條件、人類認(rèn)知水平和藝術(shù)審美等因素影響。

（一）功能主義導(dǎo)向期

任何一種工業(yè)產(chǎn)品，在其產(chǎn)生初期，其造型往往是直接的、簡陋的。在無人機(jī)的萌芽時期，滿足戰(zhàn)爭中盡可能地減少傷亡又能給敵人以襲擊功能，在飛行裝置上攜帶炸彈是最簡單且實用的方式，即形式追隨功能。此時的無人機(jī)采用傳統(tǒng)飛機(jī)造型，采用可拆卸結(jié)構(gòu)的雙層機(jī)翼造型，從而獲得足夠的升力以克服自身的重力。1918年，成功飛空的凱特靈飛蟲無人機(jī)，也被認(rèn)為是導(dǎo)彈的簡易始祖。雙翼造型的無人機(jī)容易獲得更大的升力，其阻力大、耗材多、速度低等劣勢逐漸顯現(xiàn)出來，與更輕、更快的需求相悖，在動力系統(tǒng)與材料科學(xué)發(fā)展之后，雙翼造型的無人機(jī)逐漸被單翼造型的無人機(jī)所取代。20世紀(jì)30年代，美國設(shè)計師雷吉納德·丹尼發(fā)明了一款小型遙控?zé)o人機(jī)，造型上簡化機(jī)體結(jié)構(gòu)，縮小機(jī)身體積，機(jī)翼形態(tài)由扁平狀雙層機(jī)翼變?yōu)閱螌訖C(jī)翼，機(jī)頭安裝起落架，尾翼依舊為垂直尾翼，此輕便、快速的單翼無人機(jī)也被用于作為靶機(jī)使用。

（二）空氣動力學(xué)發(fā)展期

空氣動力學(xué)的發(fā)展，滿足了人們對速度的追求，也對無人機(jī)造型的突破產(chǎn)生了重大的影響。二戰(zhàn)期間，無人機(jī)造型的設(shè)計功能主義的基礎(chǔ)上增加了流線型設(shè)計風(fēng)格，表達(dá)TA們對工業(yè)時代中“速度感”的追求?？諝鈩恿W(xué)的應(yīng)用，為無人機(jī)“流線型”造型風(fēng)格提供強大的支撐;采用較大曲率半徑有利于脫模成形的模壓成形方法，為無人機(jī)“流線型”造型風(fēng)格提供了材料與技術(shù)上的保障。為了形成大的升力面，減少飛行過程中的阻力，摒棄了之前無人機(jī)扁平狀的機(jī)翼造型設(shè)計，傳統(tǒng)的圓形管狀機(jī)身和扁平狀雙層機(jī)翼，被具有流線型空氣動力學(xué)形式的結(jié)構(gòu)所取代，多采用較大曲率半徑的光滑柔和的曲面，使得無人機(jī)的機(jī)身的線條靈活流暢，整體機(jī)體形成一個比較大的升力面，很大程度上減少了飛行阻力，速度感在機(jī)身的設(shè)計上得到了充分的體現(xiàn)，從而提高了無人機(jī)的機(jī)動性能。無人機(jī)流線型的設(shè)計風(fēng)格是一種“速度感”的造型語言，是當(dāng)時技術(shù)條件、無人機(jī)對高速飛行的功能需求與設(shè)計師的審美認(rèn)知的綜合體現(xiàn)，包含了技術(shù)美、功能美、機(jī)械美、理性美、藝術(shù)美，極富表現(xiàn)力。但是尾翼垂直突起還是沒有去除。此時的無人機(jī)由于受技術(shù)的限制，使用的各類系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)組件體積還是比較大，導(dǎo)致其外觀造型無法進(jìn)行微型化。

（三）工業(yè)設(shè)計融入期

工業(yè)設(shè)計學(xué)科的發(fā)展，藝術(shù)與航空科學(xué)、創(chuàng)意與工程技術(shù)的交叉融合理念也在無人機(jī)造型設(shè)計中體現(xiàn)出來。工業(yè)設(shè)計融入期的無人機(jī)造型設(shè)計，仍沿用了二戰(zhàn)時期的流線型風(fēng)格，計算機(jī)輔助設(shè)計的應(yīng)用，實現(xiàn)了無人機(jī)造型從概念數(shù)字模型到實體的一體化，對空氣動力學(xué)研究結(jié)果的不斷優(yōu)化加之工業(yè)設(shè)計理念的融入，完全拋開了原始無人機(jī)笨重的管狀機(jī)身，并且去掉垂直尾翼等外形突起，極大程度上減小了飛行阻力和升阻比，逐漸出現(xiàn)了無人機(jī)造型的多樣化、微型化、模塊化、多旋翼等發(fā)展趨勢。

1.造型多樣化。工業(yè)設(shè)計始終以用戶需求為核心，工業(yè)設(shè)計的融入也使無人機(jī)的功能與形態(tài)必然展現(xiàn)多樣化的發(fā)展趨勢，以功能需求劃分可以分為消費級無人機(jī)、工業(yè)級無人機(jī)與軍事無人機(jī)三個層級，無人機(jī)技術(shù)也融入到各個領(lǐng)域。例如雅馬哈無人直升機(jī)的問世，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)的起點;農(nóng)用植保無人機(jī)造型設(shè)計多沿用直升機(jī)的外觀形態(tài)，整個機(jī)身仿生蜻蜓，大的頭部造型用于儲備植保所需的種子、農(nóng)藥等功能空間;工作狀態(tài)，旋翼在上方飛速旋轉(zhuǎn)，機(jī)身細(xì)長，尾部有凸起，弧形起落架使落地更穩(wěn)。

2.造型微型化。隨著微機(jī)電系統(tǒng)以及微型傳感器技術(shù)的日漸成熟、成本的降低，無人機(jī)在造型上迅速向小型化、微型化的方向發(fā)展0 J。在滿足基本功能需求的基礎(chǔ)上，無人機(jī)在造型上的創(chuàng)新性、技術(shù)美也越來越被重視，例如體積逐漸小型化、微型化，曲面設(shè)計更加完善，功能更加多樣化等。軍用偵察型無人機(jī)的需求不斷提升，必然要求小型化、隱蔽性、輕便性與可攜帶性，麻雀雖小、五臟俱全，設(shè)計師將零件集中于無人機(jī)的頭部安放，機(jī)身細(xì)長?！昂诜?”型無人機(jī)的整體造型是由技術(shù)發(fā)展條件、軍用偵察需求、設(shè)計師的認(rèn)知水平以及靈活簡潔便攜的審美需求綜合決定的，在滿足功能需求的同時體現(xiàn)出人類的審美需求。

3.多旋翼造型。隨著微處理技術(shù)的發(fā)展和設(shè)計水平的提升，多旋翼的無人機(jī)造型開始受到人們極大的關(guān)注，打破了原有的單旋翼無人機(jī)形態(tài)，為更多無人機(jī)外觀形態(tài)的可能奠定了重要的基礎(chǔ)。多旋翼無人機(jī)是一種類似于直升飛機(jī)、能懸停起降的一種新型飛行器，其中最具代表性的就是四軸無人機(jī)，也稱為四旋翼無人機(jī)、四軸飛行器;四軸無人機(jī)具有四個旋翼，旋翼呈十字形交叉，其旋翼角度固定，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，攜帶方便，安全性較高。2010年，法國推出了首架市場小型航拍四旋翼無人機(jī)AR.Drone，也意味著正式進(jìn)入了消費無人機(jī)時代。

二、無人機(jī)造型設(shè)計方法

2l世紀(jì)以來，無人機(jī)在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其造型也越來越多樣化，滿足功能與審美的雙重需求。無人機(jī)常用的造型設(shè)計方法有形態(tài)語義法、結(jié)構(gòu)移植法、部件模塊法、人文關(guān)懷法、自然仿生法、藝術(shù)審美法等。

（一）形態(tài)語義法

隨著無人機(jī)時代的來臨，創(chuàng)意不斷涌現(xiàn)。許多無人機(jī)研發(fā)者將無人機(jī)和其他科技結(jié)合起來，給無人機(jī)的發(fā)展提供了無限可能。無人機(jī)造型中的形態(tài)語義法是通過對無人機(jī)形態(tài)的設(shè)計，使無人機(jī)通過形態(tài)、色彩、結(jié)構(gòu)等具有代表性的符號，表現(xiàn)出其使用方式與功能作用等。如圖1所示，世界上第一款可穿戴無人機(jī)Nixie，造型設(shè)計簡潔，便攜性強;通過柔軟的機(jī)身、環(huán)狀外形，可變成腕帶的形式，展開后則是一架小型四旋翼無人機(jī)，使用手機(jī)操縱可從手腕上直接起飛，通過形態(tài)向用戶傳達(dá)其使用方式與功能，是形態(tài)語義法在無人機(jī)造型設(shè)計中很好的體現(xiàn)。形態(tài)語義法在無人機(jī)形態(tài)設(shè)計中更多的是直接表現(xiàn)的顯性關(guān)系，如表l所示，形態(tài)語義法在Nexie無人機(jī)中的具體應(yīng)用體現(xiàn)。

（二）結(jié)構(gòu)移植法

無人機(jī)的使用空間已經(jīng)不僅限于空中，無人機(jī)已由最初的無人駕駛飛機(jī)，逐漸發(fā)展為一種多功能可移動的裝置。為了滿足某種特定功能或安全性的需要，將其他產(chǎn)品的一種或多種功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行解構(gòu)，移植到無人機(jī)造型設(shè)計中并重組，既符合無人機(jī)的平衡穩(wěn)定性，也能滿足特有的功能需求。結(jié)構(gòu)移植方法，通常分為功能結(jié)構(gòu)移植法與安全結(jié)構(gòu)移植法。英國設(shè)計師設(shè)計的b-unstoppable坦克無人機(jī)可實現(xiàn)空、陸兩棲作業(yè)，其最大的特點就是兩側(cè)裝有兩條履帶，如圖3所示，是在b-unstoppable坦克無人機(jī)設(shè)計過程中采用結(jié)構(gòu)移植方法的具體應(yīng)用流程，將無人機(jī)和坦克結(jié)合在一起，對坦克中的履帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取，并運用到b-unstoppable坦克無人機(jī)的設(shè)計中去，履帶結(jié)構(gòu)使得無人機(jī)能夠像坦克一樣應(yīng)對多種復(fù)雜地形，最終使得無人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)陸、空兩棲作業(yè)的功能。

（三）部件模塊法

工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新技術(shù)與服務(wù)設(shè)計理念被廣泛應(yīng)用到無人機(jī)的研發(fā)與制造。模塊化設(shè)計是一種標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計方法，就是將無人機(jī)有關(guān)聯(lián)的功能、形態(tài)要素進(jìn)行分解組合重構(gòu)，以一定的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行多項式組合，構(gòu)成新的系統(tǒng)。無人機(jī)模塊化造型設(shè)計，主要為了更好地解決無人機(jī)的散熱、拆裝以及維修等問題，一般采用完全拆卸模塊造型與可折疊式造型模塊，模塊與模塊之間要采用完全的密封與抗腐蝕性處理。如圖5所示，是極飛p系列植保無人機(jī)，其模塊化設(shè)計使得無人機(jī)造型結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，且實現(xiàn)清潔過程中的人藥分離，具有高防水性能。

極飛采用常見的固定四軸無人機(jī)及機(jī)翼構(gòu)造，四個旋翼機(jī)臂是不等長的，前臂短后臂長，便于分辨機(jī)頭與機(jī)尾，具有明顯的方向感，機(jī)頭是采用富有動感的曲面設(shè)計，工作時可有效減少風(fēng)阻。利用模塊化的設(shè)計方法，既滿足了功能需求，又使得無人機(jī)造型達(dá)到了整體和諧的設(shè)計效果，體現(xiàn)了現(xiàn)代人們對無人機(jī)設(shè)計的簡潔化、整體性的審美需求。

（四）人文關(guān)懷法

無人機(jī)造型設(shè)計人文關(guān)懷法，就是基于安全的需要，造型設(shè)計中結(jié)合人性化、人情化設(shè)計的方法，滿足使用者的心理與生理需求，體現(xiàn)出無人機(jī)造型設(shè)計的人文關(guān)懷。例如無人機(jī)通過旋翼高速旋轉(zhuǎn)起飛，往往人很難靠近，很可能對人造成傷害，如圖6所示，Hover Camera無人機(jī)在旋翼的外面增加了一層網(wǎng)狀保護(hù)框，且兩側(cè)的網(wǎng)狀保護(hù)框本身可實現(xiàn)折疊，這樣的保護(hù)性設(shè)計可有效消除使用者對無人機(jī)旋翼飛速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的不安，可折疊的結(jié)構(gòu)性設(shè)計提高了使用便捷性。人性化的融入，使無人機(jī)造型設(shè)計沿著普適化、親民化的方向發(fā)展。

如圖7所示，德國企業(yè)Festo設(shè)計的球形無人機(jī)造型獨特，球內(nèi)氣體為氮氣，球的外部有一個助推器，助推器發(fā)生故障時，在氮氣的作用下無人機(jī)可以緩緩落到地上，改變了以往無人機(jī)動力裝置一旦失靈便會飛速降落，摔得粉身碎骨的結(jié)果，有效的保護(hù)了用戶的安全，體現(xiàn)出設(shè)計中對“人”的尊重與關(guān)懷。

（五）自然仿生法

仿生形態(tài)使無人機(jī)有了生命活力，使整個形態(tài)充滿張力，富有情感色彩。格式塔心理學(xué)的“似動”原理，為無人機(jī)形態(tài)仿生的科學(xué)性提供了理論依據(jù)。人們對仿生形態(tài)的認(rèn)識理解，也可以說是對無人機(jī)形態(tài)的情感交互，只有做到理想與感性互相依存、相互制約，才能使無人機(jī)形態(tài)更好地傳遞情感。設(shè)計師通過對生物形體所具有的典型外部形態(tài)的認(rèn)知基礎(chǔ)，尋求對無人機(jī)形態(tài)的突破和創(chuàng)新，在未來的無人機(jī)仿生設(shè)計中，人們會逐步從以人為本轉(zhuǎn)化為不斷探索人與自然的關(guān)系，以更好地實現(xiàn)人與自然的和諧相處，注重科技和自然并重的思想意識和價值觀。無人機(jī)造型設(shè)計中仿生設(shè)計方法的應(yīng)用，將大自然中生物獨有的結(jié)構(gòu)原理加以提取應(yīng)用。

如圖8所示的Skeeter仿蜻蜓微型無人機(jī)，鳥類、昆蟲在飛行時，能夠更好的抵擋刮風(fēng)帶來的空氣變動，并且在續(xù)航能力上，仿生機(jī)翼也優(yōu)于旋翼，可增強無人機(jī)對極端天氣的抵御能力。無人機(jī)造型設(shè)計中仿生設(shè)計方法的應(yīng)用，將大自然中生物獨有的結(jié)構(gòu)原理加以提取應(yīng)用，有效地提高無人機(jī)續(xù)航能力。

除了模仿昆蟲的無人機(jī)，還有一些模仿鳥類的仿生無人機(jī)，如圖9所示，仿生“信鴿”無人機(jī)，在造型上，不僅模擬了鳥類的形態(tài)，且有鳥類的羽毛做掩飾?？梢院驼嬲镍澴尤阂黄痫w行也不會被發(fā)現(xiàn)。既達(dá)到隱蔽作業(yè)效果，又保證無人機(jī)在正常工作時大自然中的鳥類不會產(chǎn)生驚嚇等負(fù)面影響，在功能上，有良好的減震性能與穩(wěn)定性，在工作時，可有效抵御其他鳥類侵?jǐn)_以及空氣亂流等問題，提高了無人機(jī)工作的安全性。符合人與自然和諧相處的可持續(xù)設(shè)計觀，科技和自然并重的思想意識和價值觀。

（六）藝術(shù)審美法

無人機(jī)造型設(shè)計是藝術(shù)審美規(guī)律的合理運用，通過對無人機(jī)美學(xué)關(guān)系的梳理，可幫助設(shè)計師更準(zhǔn)確地確定無人機(jī)造型元素。無人機(jī)造型設(shè)計藝術(shù)審美法主要體現(xiàn)以下三種形式：

1.變化與統(tǒng)一。無人機(jī)外觀造型要體現(xiàn)變化與統(tǒng)一。首先，無人機(jī)外觀造型設(shè)計要使得整體形態(tài)有條理感、安定感與穩(wěn)定感，應(yīng)做到各個部件造型元素之間的統(tǒng)一，這種統(tǒng)一可以是同一個造型元素在不同的部件中重復(fù)使用，也可以指同一無人機(jī)中的不同元素均趨向于某一特定元素。其次，無人機(jī)外觀造型設(shè)計也要避免出現(xiàn)沉悶、呆板等問題，為使無人機(jī)造型能更具自身品牌的特點，變化是必不可少的;無人機(jī)的造型元素之間應(yīng)存在適當(dāng)?shù)淖兓?，使其與其他品牌的無人機(jī)有一定的差異性與識別性。

2.對稱與均衡。無人機(jī)造型設(shè)計中的對稱指的是處于中軸線兩側(cè)的各部分，如旋翼、電機(jī)、指示燈、起落架等，在大小、形狀和排列均存在一一對應(yīng)關(guān)系。這種關(guān)系是絕對的，在視覺的感受是絕對整齊感與平衡。無人機(jī)造型設(shè)計中的均衡是指各部件之間相對的體量關(guān)系。形態(tài)上，均衡既是對稱的破壞，又是對稱的保持，是一種為了保持整體形態(tài)的協(xié)調(diào)的相對對稱。對稱與均衡均能使無人機(jī)的造型具有和諧感與穩(wěn)定性，對稱是絕對的、理性的、安靜的，均衡則是相對的、感性的、活力的。

3.比例與尺度。在無人機(jī)造型設(shè)計中，比例可表示無人機(jī)的部件與部件、部件與整體的勻稱關(guān)系，即用一種用數(shù)理關(guān)系來反映無人機(jī)的形態(tài)特點。而尺度則是以人體尺寸作為度量標(biāo)準(zhǔn)，對無人機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的衡量，表示無人機(jī)形態(tài)的大小，以及同它自身用途相適應(yīng)的程度。無人造型的比例與尺度還受到人機(jī)工程學(xué)的影響，盡可能符合用戶的行為習(xí)慣以及使用特征。

如圖10所示的大疆御Mavic Air2無人機(jī)造型設(shè)計，其整體色調(diào)以淺灰色為主，造型規(guī)則，線條平直，旋翼機(jī)臂等部件以機(jī)身的中軸線呈左右對稱，其造型更具整體性、穩(wěn)定與和諧感;四個旋翼和攝像頭為黑色，旋翼邊緣與LOGO為白色，既做到了部件之間的區(qū)分，也避免沉悶與呆板的問題;機(jī)身造型采用曲率較大的曲線，曲線的使用起到了調(diào)和的作用，避免了硬朗直線造型而產(chǎn)生的生硬感。這款口袋里的攝影師，主打安全便攜與攝影清晰。使用者的攜帶與使用方式也決定了這款無人機(jī)的造型應(yīng)趨于小型化、便攜化，結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了可折疊設(shè)計，折疊后的大小剛好一個手掌大，符合用戶的行為習(xí)慣以及使用特征。

結(jié)論

無人機(jī)造型是在滿足各個時期動力、材料等科技水平前提下，根據(jù)當(dāng)時人類的認(rèn)知水平與審美需求，賦予其功能需求的一種合乎目的性與規(guī)律性的體現(xiàn)形式，這種形式是理性的、嚴(yán)肅的、美的綜合體現(xiàn)。無人機(jī)造型經(jīng)歷了功能主義導(dǎo)向期、空氣動力學(xué)發(fā)展期、工業(yè)設(shè)計融入期的三個階段，其造型演變過程中所體現(xiàn)的是功能價值逐步向?qū)徝纼r值轉(zhuǎn)化，也是功能主義逐步向人文主義轉(zhuǎn)變。通過無人機(jī)造型演變與設(shè)計方法的研究，使無人機(jī)創(chuàng)新設(shè)計更加符合時代特征，提升用戶的使用體驗，體現(xiàn)無人機(jī)造型的可持續(xù)設(shè)計內(nèi)涵。