从波音梦幻客机到骨椅，形状意味着力量

如果你今天乘坐汽车或飞机，你可能会成为帮助地球的仿生设计的不知不觉的受益者。设计师和工程师可以减少许多车辆部件的尺寸或重量，以提高效率或节省成本。

这种形状优化是工程中的一项重要任务。制造更轻、更强、更快的东西一直是制造业的目标，但工程师们越来越多地采用受生物启发的算法来设计你周围的许多物体。

这三种方法更好地结合在一起，催生了一股仍在增长的生物启发设计对象浪潮:用于分析和形状迭代的生物启发算法、计算机辅助设计和增材制造。

形状就是力量

现在正在使用的一些软件程序使工程师能够按照自然的方式进行设计，根据不同压力下的性能测试多种选择。自然选择可以被模仿，把材料放在有压力的地方。D'Archy Wentworth Thompson注意到了这种现象“关于增长和形式”在1917年。

换句话说,形状就是力量。一个自然的例子是树木在适当的地方生长细胞以抵抗弯曲。与工字钢一样，由于其腰部的压缩力等于拉伸力，因此工字钢几乎不需要材料，这些新材料减少的零件仅包含基于计算机辅助工程的数字应力分析所需的物质。添加剂制造拓宽了通常更复杂形状的生产选择。

相对较新的是使用基于自然的算法来生成有机形状。形态发生是一个术语，用来描述通过上下文菜谱创建形状的迭代过程。这些食谱不仅图形化地表示表单，而且还实际地创建表单。

更轻，飞行效率更高

飞机机身上的150个部件波音787梦想飞机，约占总筛选量的10%，由工程师使用OptiStruct软件程序，Altair工程公司CAE软件套件Hyperworks的一部分。这些部件贯穿整个机身，很难找到一个没有节省材料的地方：地板、机身、机尾和机翼。Altair声称使用OptiStruct节省了65万吨材料和90万吨二氧化碳₂在全世界这种拓扑优化也用于欧洲航空防务和航天组织的空客380飞机的翼肋。

该过程的工作原理如下：将CAD图形导入到程序中，并为对象创建一个设计“空间”，在该空间内建立各种约束和目标。它可能是物体被支撑的位置，指向它的力的大小和方向，或者你希望允许多少运动或偏转。设置这些参数后，程序将显示材料不受应力的位置，因此不需要。根据您对制造技术、美学等的了解，您可以修改此表格。

虽然更轻的铰链支架或地板支撑可能不是最吸引人的，但它对飞机累积能源和材料节约的贡献是显著的。小事一桩。洛基山研究所和阿莫里·洛文斯在书中很好地证明了减少车辆材料和重量的绿色效果“重塑火焰。”

由于在形状、尺寸和重量上的这些基本变化，为下游节约成本提供了各种各样的设计可能性。如果地板支撑不性感，那么你可能想要等待阿尔法罗密欧跑车的推出，现在在概念阶段。的汽车制造商使用OptiStruct优化该车双横臂前悬架系统。（好吧，也许悬架不是汽车最性感的部分。）

效率是与生俱来的

OptiStruct基于骨生长模式，主要由杰夫·布伦南（Jeff Brennan）开发，他现在是Altair的首席营销官。布伦南是密歇根大学的硕士研究生，在工程师Noboru Kikuchi的指导下学习生物医学应用，他想知道如何鼓励骨质疏松症患者的骨骼生长。

布伦南认为，在骨骼中看到的数学生长模式可以应用于静态结构，并让菊池帮助将数学原理转化为软件。1992年，他将自己的想法带到了牵牛星工程公司。

该公司首席执行官詹姆斯•斯卡帕(James Scapa)看到了这种设计产品的新方式的潜力，并将其与按次付费的商业模式相结合，帮助公司发展壮大，目前该公司在20个国家的40个办事处拥有2000多名员工。

另一种基于生物的算法是“软Kill Option”软件。SKO是一种结构优化算法，根据计算出的应力分布变化杨氏模量来模拟骨矿化。

杨氏模量是弹性等营养材料的刚度度量，对于大多数固体来说，其沿轴的应力(单位面积的力)除以应变(变形与原始长度的比值)。它是由卡尔斯鲁厄研究中心(Karlsruhe Research Centre)的克劳斯·马特克(Claus Mattheck)开发的，他是BID经典著作的作者“自然中的设计：从树木中学习”自20世纪80年代末以来，mateck和他的同事一直在研究基于自然的工程部件的形状优化。

戴姆勒-克莱斯勒公司(DaimlerChrysler AG)在另一款概念车梅赛德斯-奔驰(Mercedes Benz)上使用了这种仿生算法仿生汽车（也称为boxfish汽车），2005年。该公司使用SKO软件设计内部车架的支柱。亚当·欧宝公司的工程师们使用SKO使他们的汽车总体轻了30%，发动机支架轻了25%，但稳定性提高了60%。

这个程序也被用于更多的审美追求。荷兰阿姆斯特丹的产品设计师Joris Laarman使用SKO来设计他的创新产品骨椅在2007年。椅子的有机形式来自它的结构要求，而不是来自它的设计师的奇思妙想。它最初在米兰家具展(Milan Furniture Fair)展出，后来在2008年的“设计与弹性思维”展(Design and the Elastic Mind)上展出后，被纽约现代艺术博物馆(New York’s Museum of Modern Art)收购。

这样的技术在架构中也越来越多地使用，应该有自己的博客。它们将设计和工程分析这两个通常分离的任务拉近了距离。建筑学教授彼得·马卡皮亚拉波多拉和普拉特学院在纽约市的一家Altair公司的小册子中解释了这种类型的工具的好处:

“……它不是告诉你如何解决材料的设计问题，而是展示一个力图，告诉你使用一种材料而不是另一种材料意味着什么。你可以不断指定材料并更新你正在使用的表格，这一事实在程序中是一项真正的资产。”

随着这些技术的整合变得更加复杂和用户友好，更多的创新将会出现。节约材料，以及收割、开采、制造和运输所需的能源，是我们所能获得的最基本的资源节约技术之一，而大自然正越来越多地将这些技术带给你。这已经为我们的星球做了很多好事。你可能只是没有注意到。

顶部图像的黄色箱鱼阿德里安·穆迪通过Flickr。