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首页仿生设计模式:从细胞决定到创造性转化
"产品胚胎仿生设计模式" 产品胚胎仿生设计模式是一种创新的设计理念,源于生物学中的胚胎发育学原理,由侯悦民、季林红和金德闻等人提出。这一设计模式主要应用于产品设计的早期阶段,通过四种模式来指导产品结构的形成和发展: 1. 细胞决定:在设计的不同阶段,细胞决定起着关键作用,它决定了产品结构的发展方向。在设计初期,这一模式主要用来限定和约束产品的基本功能。 2. 基因转录:与生物体细胞分化过程中基因的表达类似,基因转录在设计过程中持续发生。不同的基因开启和关闭,控制子结构的发育,直到特定的子结构分化完成。 3. 分化诱导:这是设计过程中的核心模式,它反映了从一般功能到专业功能的转变。子结构通过相互作用和诱导,逐渐发展成具有特定功能的组件,这一过程体现了设计的自组织性。 4. 转决定:在创新设计中必不可少,转决定模式意味着对已有结构的基因(设计元素)进行改变,以实现新的功能或形态。这类似于生物进化中的基因突变,激发设计的创新性和多样性。 该设计模式的引入旨在模仿生物系统的自我组织和适应性,以提高设计效率和创新性。通过研究生物发育过程中的规律,可以探索功能与结构之间的映射关系,理解特性与局部结构的对应,以及功能传递和失效机制。最终目标是实现设计过程的自主性和自组织性,如同生物系统一样能够自我调整和演化。 在自动化设计和制造的研究中,这种方法已被广泛应用,例如通过进化设计和生长型制造工艺,来生成具有复杂功能的系统。通过借鉴生物学中的原理,设计师可以创建出更加智能、适应性强的产品,同时推动设计过程的自动化和智能化。 关键词:仿生设计,细胞决定,基因转录,诱导,转决定,自组织设计,创新设计
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产品胚胎仿生设计模式
1
侯悦民
1
,
2
,季林红
1
,金德闻
1
1 清华大学,精密仪器和机械学系,北京,100084
2 北京信息科技大学,机械工程系,北京,100085
Email: hym01@mails.tsinghua.edu.cn
摘 要: 本文借鉴胚胎发育学提出设计早期阶段产品胚胎组织结构形成的 4 种模式,用生
物学术语表达为:1 细胞决定;2 基因转录;3 分化诱导;4 转决定。设计过程中 4 种模式
循环共同作用决定最终产品结构。细胞决定在设计的不同阶段发生以确定下一个阶段结构的
发展方向,在设计早期阶段主要是对产品功能的限定和约束。基因转录贯穿于整个设计过程,
正如细胞分化过程中基因的开启表达有序进行,子结构分化过程中基因顺序关闭和开启从而
限制子结构的发育方向,直至子结构分化过程受到分化抑制作用而终止。分化诱导是设计过
程中的主导模式,从功能到专能机构是子结构从全能到多能到专能的发育过程,这个过程通
过子结构分化实现,子结构分化方向是基因选择性表达的结果,子结构互相作用,通过相互
联系变量发生诱导作用,导致新的子结构产生。转决定是创造性设计的必要模式,子结构的
分化潜能具有遗传稳定性,因此创造性设计必须改变基因中的某段,即转决定发生。
关键词:仿生设计,细胞决定,基因转录,诱导,转决定
1. 引 言
物理学家哈肯认为,生物、化学、物理等系统的支配原理是相同的[1]。基于这种思想,
通过考察生物发育的过程,根据生物学原理深入考察功能和结构的影射关系,探索影响具体
特性的物理结构。具体地,通过类比考察以下问题:探索实现自治或自组织系统的关键原理;
利于实现自治设计的生长式表达规则;探索特性和局部结构的对应关系;探索功能传递和失
效机理。最终目的实现系统的自治或自组织,以及设计过程的自治或自组织。
在自动设计和制造研究领域,借鉴生物学原理或进化原理实现设计自治或自动设计,如
Hod Lipson,Jordan B. Pollack 采用进化设计、均匀化方法、生长型制造工艺,利用简单的
杆和神经元通过进化 300-500 代生成具有简单动作的机器人,实现 autonomy of design(2000)
[2],Gregory S. Hornby, Hod Lipson,Jordan B. Pollack 采用 Lindenmayer system (L-system)
作为模块式机器人自动设计的生长型表达,结合进化算法实现自动设计(2003)[3]。在进
化设计研究领域,Rechenberg (1965)开始在工程领域采用进化计算,文献[4]介绍了早期的研
究文献。J. S. Jero 等人借鉴相转换(phase transition)、分叉(bifurcation)、基因突变(gene
mutation)、拟表型(phenocopies)等生物学概念和原理拓展设计的多样性和探索创造性设
1
本课题得到 2004 航天基金资助
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