挖掘机作为一种高效、经济的多功能工程机械,在土方等工程建设中发挥着巨大的作用。在其发展的早期阶段,人们更加侧重于挖掘机的操作性和功能性,导致产品外观同质化现象严重。直到20世纪80年代,西方国家才逐渐开始意识到挖掘机外观设计的重要性,此后挖掘机市场便呈现出多样化和差异化。随着我国对外开放的不断加深和自身装备创造业的不断发展,对挖掘机的设计也有了进一步的认知,逐步引入感性工学或人机工程学理论,以提高其乘驾舒适性。企业逐渐认识到有辨识度的外观是赢得市场的重要手段。
仿生设计本意上是通过模拟自然界生物系统的形态、原理或基本特征进而提炼设计思维的方法。其实践活动远早于理论方法的诞生。在产品造型设计中,仿生设计通常涵盖形态、肌理、意向、结构等多个方面。本文通过对生物体外形特征或象征意义的深度提取演变以及产品造型与生物特征的匹配,形成了挖掘机仿生造型的最优方案。并在此基础上通过眼动实验验证挖掘机意象仿生设计方案的可行性。
1 造型意象仿生设计及眼动实验的研究综述
仿生设计是造型设计的重要灵感来源,目前已有较多学者尝试通过仿生设计方法来优化产品造型。罗仕鉴等[1]通过阐述仿生设计的结构体系和设计流程,并对仿生设计存在的问题进行了系统总结;GERASIMOVSKI et al[2]通过探索、应用现代仿生原理,为多功能登山背包提供了新的设计思路;陆冀宁等[3]运用思维流程法细化了列车造型意象仿生设计步骤,精准地把握了生物与产品的匹配流程等。在感性工学初始确立后,仿生设计通过在传统仿生设计过程中加入感性意象。造型意象仿生是通过意象词汇建立起仿生对象和造型设计的联系。由于意象仿生的最终目的是提升产品的精神内涵和满足用户的感性需求,因此对挖掘机造型方案的评价也应以用户的感性评价为主。本文采用基于统计学规律研究的问卷调研法和眼动实验结合的形式,对挖掘机的造型方案进行探究,以寻找用户感性直观的评价和理性数据之间的一个最优解。
眼动追踪技术作为一种研究个体认知水平及心理状态的新型研究手段,已经被广泛地应用于造型设计领域。通过测量眼动数据来验证被测者兴趣变化的程度,是研究人体视觉认知的新途径。LIU et al[4]基于眼动追踪技术和审美感知测量,探索一种简单、实用、低成本的产品设计评估方法;欧细凡等[5]运用眼动追踪技术分析用户的关注点和兴趣点,研究出了生物外形的典型特征,为产品形态的仿生设计提供了新思路;LI et al[6]利用脑电图和眼动追踪数据记录人体相应数据,量化与产品外观相关的评价因素,为改进产品外观设计提供了客观的参考;高小针等[7]运用眼动实验研究了高压电机意象仿生的设计方法,提高了高压电机的隐喻性能。上述研究中,眼动追踪技术集中于对仿生生物定性层面的选择和产品造型设计的实验评价,而对产品造型仿生设计所推演出的方案应用较少。
本文在产品造型意象仿生的基础上,对产品自身形态和仿生对象特征两方面进行分析,试图将二者有机地联系在一起,构建仿生对象特征和挖掘机造型特征的映射关系,并对仿生对象进行特征要素提取并运用,从而产出合适的仿生方案,再用相关评价方法和眼动实验对其进行分析,得出最优方案,为挖掘机的意象仿生设计提供新思路。
2 挖掘机意象仿生设计实例
2.1 挖掘机造型意象词挖掘
在挖掘机传统造型中,更侧重于理性视觉意象(产品本身的形态比例、各部件间的组合关系为主的造型特征等),而对感性意象关注有所欠缺。因此,本文通过对造型意象词的深度挖掘,促使形态能够与认知和情感相结合,逐步筛选符合其行为特征、本体特征以及精神内涵的造型关键词。并通过凝练得到涵盖多个维度的感性意象语义空间,进而有针对性地选择仿生对象。
为了在挖掘机造型设计中能够把握产品语义的准确内涵,获取目标意象成了挖掘机意象仿生的关键一步。文献[8-10]基于用户感性需求,筛选出与工程机械造型意象相关的多组感性词汇,在此基础上进一步对挖掘机外观造型的意象词汇进行搜集与筛选,总结出了72个与造型相关的词汇来表达目标人群对挖掘机外观造型的期望和感受,以此反映出认知主体对挖掘机造型的感性需求;其次,对意象词汇进行样本处理,通过开放式调研将所有感性意象词汇制作成问卷进行发放,选取被选频次最多的前9个意象词汇组成感性意象词汇空间,如表1 所示;最后请专家对以上仿生意象词汇进行最具代表性感性词汇的最终筛选,其结果为“现代的”“力量的”“简洁的”“可靠的”,并将其作为挖掘机的目标意象词。
表1 感性意象语义空间
Table 1 Semantic space of sensory imagery
意象词汇占比/%排序意象词汇占比/%排序意象词汇占比/%排序现代的51.281奔放的46.152力量的46.152动感的43.593系统的43.593威武的41.034可靠的41.034时尚的38.465简洁的38.465
2.2 仿生对象的选取
对于挖掘机本身的造型意象而言,因挖掘机机型较大,且工作装置是其显著的造型特征,带给人强劲有力、攻击侵略的观感。因此将挖掘机的仿生原型限定为具有攻击侵略性,能利用相关器官进行搬运或凿洞的动物。参照文献[11]对生物特征分析的划分标准,初步选定长戟大兜虫、螳螂、双叉犀金龟、长颈象鼻虫为仿生对象,如图1所示。依照相关设计人员对挖掘机仿生对象的认可度,建立7阶李克特量表问卷(-3为最不喜欢,3为最喜欢),向相关设计人员发放问卷。共发放问卷40份,收回有效问卷38份,计算其得分,结果按得分高低依次为长颈象鼻虫1.63分、双叉犀金龟1.42分、长戟大兜虫1.39分、螳螂1.11分,故选长颈象鼻虫为最贴合挖掘机意象的生物。
图1 拟选择的挖掘机意象仿生对象
Fig.1 Biomimetic object of excavator imagery to be selected
2.3 产品造型与生物特征的分析匹配
长颈象鼻虫(Giraffe Weevil)是马达加斯加岛上生活的一种奇特昆虫,有着长长的颈部,且雄性颈部长度是雌性的2～3倍,特殊的颈部结构除了用于构建巢穴,还可当作武器。长颈象鼻虫的颈部结构和挖掘机的机械臂同样具有力量性、攻击性的语义。
长颈象鼻虫的造型特征元素可概括为颈脖、甲壳和足,将长颈象鼻虫的特征与挖掘机的造型特征群进行匹配分析,可建起长颈象鼻虫与挖掘机的意象仿生映射关系,梳理长颈象鼻虫的造型特征、意象及其相应的映射关系如表2所示。
表2 意象仿生特征与造型元素映射关系
Table 2 Mapping relationship between image biomimetic features and modeling elements
外形特征表现意象造型元素颈脖力量、攻击工作装置甲壳强烈、友好回转平台足灵活、动感行走装置
2.4 特征元素的提取演变
根据挖掘机与长颈象鼻虫的特征映射关系,将长颈象鼻虫的颈部、甲壳作为意象仿生的重点设计元素进行提取。在进行特征元素的演变时,既要满足设计对象的造型意象、产品功能、使用条件及用户心理需求等条件,又要清楚表明仿生对象的固有身份,以引起使用者的情感共鸣[12]。因此将颈部柔软的特征线条抽象出来进行几何化演变,把不同曲率的弧线演变为工作装置上硬朗的细节线条;甲壳部位通过侧视和顶视的不同角度进行推演,线体由柔软变凌厉,最终形成具有力量感的外轮廓。演变过程如表3所示。
表3 特征元素演变过程
Table 3 Evolution process of characteristic elements
仿生部位演变过程仿生部位演变过程
2.5 方案呈现
通过对特征元素的推演,最终工作装置、回转平台、行走装置分别形成了3个不同的造型元素,如表4所示。为寻找最合适的造型方案,采用交叉混合的组合形式,形成27个方案群如图2所示。而后为降低方案特征的重复性,排除其特征相似的方案,总结为最终如图3所示的9个方案。
图2 方案形成组合方式
Fig.2 Scheme formation and combination method
图3 造型设计方案
Fig.3 Styling design scheme
表4 特征元素演变方案
Table 4 Evolution process of characteristic elements
造型元素元素造型方案工作装置方案一 方案二 方案三回转平台方案一 方案二 方案三行走装置方案一 方案二 方案三
表5 意象仿生造型部件评价结果
Table 5 Evalution results of imagery biomimetic modeling components
造型特征工作装置方案一方案二方案三回转平台方案一方案二方案三行走装置方案一方案二方案三简洁的1.661.291.491.261.491.421.911.491.06现代的2.021.601.601.262.001.692.141.401.40力量的1.541.511.171.571.861.221.771.111.77可靠的1.661.401.371.631.941.601.861.001.43
3 方案评价
3.1 问卷评价
由于意象仿生的最终目的是提升产品的精神内涵和满足用户的感性需求,因此对挖掘机造型方案的评价也应该以用户的感性评价为主,本文采用问卷调研法和眼动实验结合的形式对挖掘机的造型方案进行探究,以寻找用户感性的直观评价和理性数据之间的一个最优解。
首先运用语义差异法对挖掘机造型部件进行问卷调研,将每个造型部件方案的意象分度值设为-3～3,均值为正向则为有效方案,越靠近正向极值则用户对该造型部件感受到目标意象越强烈。获得的感性评价数据用于检验造型部件是否符合用户意象需求,且选择部件之间的最优解形成最佳方案。对相关工业设计人员以及工程机械研发人员进行问卷调研,共发放38份问卷,其中有效问卷35份。通过对部件之间的造型设计方案进行调研,可以得出如下表4所示的调研结果。选择各部件间的最优造型方案组成用户直观感受的最优解,其中工作装置方案一、回转平台方案二和行走装置方案一中的各个目标意象词的分值最高,将其组合(方案八)为意象仿生设计研究中最符合直观感性需求的挖掘机造型方案,如图4所示。
图4 挖掘机意象仿生方案最优解
Fig.4 Optimal solution of excavator image biomimetic scheme
3.2 眼动实验
为进一步验证仿生设计方案筛选的科学性与合理性,借助无线眼动仪(型号为Tobii Glasses 2)对被测的10余种方案进行用户眼球运动数据统计。该设备的采样频率为100 Hz,可对视觉过程中眼睛的生理数据进行采集。实验预备期通过对被测人群进行细分和筛选,以具有挖掘机实际操作经验群体、工程机械厂商、挖掘机潜在用户为被测群体,力求涵盖挖掘机设计、生产、制造、使用等多个层面。通过有效沟通和讲解,使被测人员充分理解实验目的和仿生设计的相关背景知识,并对被测群体进行初步筛选,以保证其双眼视力或矫正视力符合正常标准,无色盲色弱等相关影响实验可靠性的眼疾,情绪稳定,沟通良好。被测群体顺利经多点定标测试后方可正式进入方案测试阶段。测试现场如图5所示。
图5 眼动实验测试
Fig.5 Eye movement experiment test
在方案测试阶段通过将具象化的挖掘机仿生设计方案进行随机排序和全方位展示,分别构成多种具有不确定性的排列组合形式,并在各方案切换之间增加短暂灰屏过渡时间,尽量减低上一方案的信息干扰。实验通过对被测人群分阶段的反复取样,经多轮测试后得到热点图,如图6所示。
图6 各方案热点图汇总(部分)
Fig.6 Summary of hotspot maps for each scheme (partial)
实验结束后,通过对采集数据进行分类,分析对方案兴趣区域降噪处理,逐步筛选并导出,可得到用户直接相关的眼动追踪数据,如表6所示。为保证组合方案实际实验结果与设计分析相匹配,选取仿生设计中模块划分方式,以工作装置(铲斗、动臂)、回转平台和行走装置为眼动实验兴趣区域划分最终标准。同时通过附加方案多角度透视图与侧视图,以达到全方位分析实验数据的目的。
表6 眼动实验各方案评价结果(部分)
Table 6 Evalution results of various schemes in eye movement experiments (partial)
测试项目方案一方案二方案三方案四方案五方案六方案七方案八方案九AOI首次注视时间/s8.514 07.113 311.277 05.560 812.480 08.894 013.031 012.362 07.272 0AOI首次注视持续时间/s0.210 60.239 30.323 30.298 90.332 10.250 70.220 70.327 90.240 4平均瞳孔直径/mm3.590 13.652 33.591 73.608 43.659 73.655 93.657 93.791 43.667 8回视次数/次12.467 011.267 010.833 011.900 011.100 012.600 012.133 013.033 09.933 0AOI平均注视持续时间/s0.313 90.372 30.348 00.342 10.469 60.326 20.323 20.396 20.265 1
通过分析被测者眼动轨迹,可以充分反应用户对设计方案的接纳过程和认知过程,体现其兴趣特征。在各方案设定的实验时间内,绝大多数被测者可以纵览全图,并有针对性地选择具有吸引力的设计方案。根据QU et al[13]的研究发现,被测者对于令人感到愉快的图像,其注视次数和持续时间往往会高于不愉快的产品图像。另一方面,被测群体观测设计方案时的平均瞳孔直径,可以进一步体现在观看设计方案时其情绪唤醒的阶梯递进。通常在兴奋状态下瞳孔略微放大,可以作为衡量被测者的生理反应指标[14]。本文选取兴趣区域首次注视时间、注释持续时间、回视次数、平均瞳孔直径等因素作为衡量设计方案的重要指标。
对于符合被测者常规认知的设计方案及区域,往往目光停留时间较短。表明此区域内认知负荷弱,被测者可以通过初步浏览迅速形成整体影响。例如方案二、方案四和方案九所选取的工作装置设计较为保守,被测者可以在扫视后准确判断其大体造型和基本功能,因而回视次数和注视持续时间方面有明显的减少。方案一、方案三所选择的工作装置,配色主体由灰色和黄色两部分构成,在实际渲染中色块所占比例均衡,更符合被测群体预期。尽管被测群体的视点在兴趣区域内反复跳动,但此方案动臂的色彩配置无疑使得挖掘机整体设计方案产生了吸引用户注意的新的兴趣点。同理,对于以三角形为造型主体的履带式行走装置,被测者接受程度较高。方案七、方案八和方案九中的行走装置与之形成鲜明对比,极大程度上吸引了被测者整体视线的偏移。进一步使得被测群体更倾向于关注挖掘机回转装置和行走装置,将其视线范围锁定在车身主体部分,使得被测者视点更加稳定,视线在固定区域内集中徘徊。
最终,根据实验数据的统计,可以较为直观地看出方案八在兴趣区域注视时间占比、回视次数、瞳孔直径等多个指标中处于较优水平。其整体排序略优于其余方案。该实验测试结果与模型综合评价基本保持一致,在一定程度上充分体现仿生设计方案评选的科学性和合理性。
4 结论
挖掘机作为重要的工程机械,其早期形态设计主要围绕结构和功能展开,而后逐步与美学、感性工学等学科相结合。在挖掘机造型设计中融入意象仿生的理念,通过对其机械结构运动形态进行深层次理论分析,筛选与之相符的自然界生物体。经过多层提炼与重塑,得到挖掘机主体形态各部件仿生设计方案,进而通过多次重组,形成挖掘机造型模型库,筛选最优方案。最后使用眼动追踪实验验证方案的优劣性。本文所提出的挖掘机意象仿生设计流程,能够为工程机械造型设计提供参考,颠覆其“傻大笨粗”的刻板印象,使之与自然界生物形态更好地贴合,带来富有吸引力的市场价值。
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