曾雅楓 干靜 李晨

關(guān)鍵詞：語義研究 形態(tài)抽象 形態(tài)設計 現(xiàn)代軍事風格 有源外骨骼

引言

在現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭背景下，單兵作戰(zhàn)需攜帶的裝備種類與數(shù)量越來越多，士兵的行軍速度、機動性與持續(xù)作戰(zhàn)能力受到嚴重影響，同時士兵的運動健康與安全愈受關(guān)注。[1] 因此，能夠增強人體生理機能、提供運動防護的軍用可穿戴外骨骼機器人應運而生，其中有源外骨骼機器人的潛力最受關(guān)注。

有源外骨骼機器人是一種模仿人體骨骼運動，穿戴在人體表面的新型機電一體化裝置，集成了信息感知、智能控制和便攜能源等技術(shù)，能夠為穿戴者提供額外力量支撐、運動輔助等功能。在軍事領(lǐng)域，有源外骨骼在單兵作戰(zhàn)、助力搬運、負重行軍、運動防護等領(lǐng)域發(fā)揮出獨特優(yōu)勢。有源外骨骼根據(jù)作用部位主要分為上肢外骨骼、下肢外骨骼、膝關(guān)節(jié)外骨骼、全身外骨骼套裝，用戶可根據(jù)不同的應用場景選擇合適的外骨骼。

一、國內(nèi)外軍用外骨骼形態(tài)發(fā)展概述與問題描述

有源外骨骼機器人作為單兵裝備領(lǐng)域的新發(fā)展點，各軍事大國相繼開發(fā)出多款軍用外骨骼。美國在軍用外骨骼方面的發(fā)展最快，法國、俄國也積極開展外骨骼技術(shù)研究。最具有代表性的是俄國開發(fā)的“未來士兵”套裝，在2018年莫斯科國際軍事技術(shù)論壇上展出。從圖1中可以看到多款國外軍用外骨骼產(chǎn)品，其開發(fā)時間長，技術(shù)應用較為成熟，產(chǎn)品外觀整體性與風格一致性良好，且個性化特點明顯。

我國在有源外骨骼領(lǐng)域的研究起步較晚，部分科研機構(gòu)制作出了較完整樣機。2015年由我國研制的國產(chǎn)單兵外骨骼首次亮相;2019年舉行的“超能勇士-單兵外骨骼系統(tǒng)挑戰(zhàn)賽”中，各機構(gòu)研制的多款外骨骼參賽，見圖1。目前我國主要進行技術(shù)領(lǐng)域的突破與應用，多款軍用外骨骼尚處于測試中，在外觀造型方面的研究處于初步探索階段。其外觀遵循功能至上原則，不夠重視產(chǎn)品外觀的風格一致性，很多電器結(jié)構(gòu)暴露在外，缺乏整體感;對人機舒適性的關(guān)注少、產(chǎn)品缺乏情感表達;造型多用盒型外殼在原機械結(jié)構(gòu)件上進行簡單包覆，與人體曲線格格不入，顯得笨重呆板，無法適應外骨骼向輕量化方向發(fā)展的新趨勢。

縱觀有源外骨骼機器人領(lǐng)域，其外觀造型的發(fā)展受到機器人技術(shù)、應用場景、審美變化等多種因素的影響。對于軍用外骨骼現(xiàn)階段較為可行的外觀優(yōu)化方案之一，是在原型機基礎上增加覆蓋件，作為保護性外結(jié)構(gòu)件或純粹的外觀件，遮擋包覆繁瑣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少零碎無序的零部件形象，整合產(chǎn)品造型并統(tǒng)一設計語言，以達到優(yōu)化產(chǎn)品總體形象并形成明確的造型風格的目的。

二、威武感語義研究過程

（一）產(chǎn)品語義學理論

產(chǎn)品語義是產(chǎn)品的語言，是設計師與用戶溝通的橋梁。產(chǎn)品語義表現(xiàn)主要分兩個層次，功能層面與精神層面。功能層面語義通過明示或暗示的方式告訴用戶產(chǎn)品如何使用，傳遞信息;精神層面語義通過視覺聯(lián)想或使用體驗的方式與用戶產(chǎn)生情感連接，傳遞信念。

產(chǎn)品語義研究產(chǎn)品的形態(tài)在使用環(huán)境中的象征意義。產(chǎn)品在語義上可以通過關(guān)聯(lián)來實現(xiàn)它的象征意義，主要的關(guān)聯(lián)要素包括以下幾點：1.同功能物品;2.同領(lǐng)域物品;3.使用環(huán)境;4.文化習俗;5.時期或風格;6.產(chǎn)品不同位置;7.產(chǎn)品運動過程;8.產(chǎn)品操作與反饋。在這些關(guān)聯(lián)中，只有6、7、8三點與產(chǎn)品如何使用相關(guān)，其余都與產(chǎn)品象征意義相關(guān)[3] 。

如調(diào)節(jié)旋鈕，造型基本形態(tài)為圓柱體，圓柱體在三維空間中由矩形旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生，在使用過程中按鈕發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，同時外圈的指示燈帶隨著按鈕旋轉(zhuǎn)亮起，其形態(tài)語義與產(chǎn)品運動過程及操作反饋產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，讓用戶非常容易理解并記憶其使用方式，因而成為一種廣受推崇的調(diào)節(jié)器設計。又如電子大提琴，造型特意保留了傳統(tǒng)大提琴優(yōu)美的特征曲線，其形態(tài)語義與同功能的大提琴產(chǎn)品產(chǎn)生關(guān)聯(lián);這樣的設計對產(chǎn)品功能沒有貢獻，但其象征意義對于提升用戶的對產(chǎn)品的認同感與親切感是必要的，如圖2。

總結(jié)來說，產(chǎn)品語義通常以符號的形式給人以提示與聯(lián)想。以用戶為中心是現(xiàn)代產(chǎn)品設計的核心設計理念之一，現(xiàn)代人們精神物質(zhì)生活豐富多樣，產(chǎn)品在某種程度上也受時尚、個性化、文化、經(jīng)濟等因素影響。信息技術(shù)、智能機等高科技讓各類信息能夠在短時間內(nèi)高速傳播，用戶在常年累月中接觸并積累了多種的信息，在接觸到產(chǎn)品傳遞的視覺信息或心理感受時，人們往往通過聯(lián)想在自己的符號儲備中尋找共鳴，挖掘具有象征意義的元素。

（二）現(xiàn)代軍事風格與“威武感”詞匯選定

產(chǎn)品的設計風格是一種藝術(shù)形式，是高度概括大眾審美經(jīng)驗的基礎上將其外化的表現(xiàn)，它包含著深刻的能引起觀眾共鳴的一種視覺形式[4] 。隨著時代變遷與技術(shù)進步，現(xiàn)代軍事裝備及設備設施也逐漸形成了具有鮮明特色與廣泛認可度的現(xiàn)代軍事風格。軍用外骨骼作為一種新型軍事裝備，其造型也應當契合現(xiàn)代軍事環(huán)境，融入現(xiàn)代軍事風格。如何準確使用設計語言闡述現(xiàn)代軍事風格特點，并應用于軍用外骨骼造型設計上，成為工業(yè)設計師需要研究的問題。

風格的形成過程與大眾的認可過程兩者是相輔相成的。風格形成需要大眾的認知與普遍認可，大眾的認知又能鞏固與強化風格特征。具體來說，某種風格產(chǎn)品的外在形態(tài)包括造型、材質(zhì)、色彩、質(zhì)感等視覺層面的要素向大眾傳遞風格特征;大眾通過與該風格的產(chǎn)品直接或間接接觸產(chǎn)生對風格的感性認知后，常常用形容詞匯來描述對該風格的心理感受，如科技感、現(xiàn)代感、簡約感等，這些詞匯又將風格具體化。人們使用詞匯來描述對風格的認知時，腦海中呈現(xiàn)的形象是多方面的，設計師研究這些形象，能夠更準確地把握風格特征，從而將該風格應用到其他產(chǎn)品設計上[5] 。因此，要研究現(xiàn)代軍事風格，可以選擇一個具有代表性的形容詞，探索背后的含義與包含的意象。

為選定一個合適的形容詞用于研究現(xiàn)代軍事風格，首先從幾個大眾容易接觸到的領(lǐng)域進行意象的搜集：（1）大眾媒體展現(xiàn)的現(xiàn)代軍事風格軍事裝備;（2）古今文娛作品中的軍事英雄形象。

根據(jù)大眾傳媒中搜集到的資料，軍事裝備主要分軍事載具與單兵裝備，根據(jù)其功能的不同，造型也各具特色。軍事載具主要造型分類有坦克類、裝甲車類、戰(zhàn)艦類、戰(zhàn)機類;單兵裝備主要有槍械類、火炮類、鎧甲類。受到大眾青睞的軍事英雄形象主要從歷史架空小說如《三國演義》《水滸傳》等，以及近代軍事英雄如抗日英雄中獲得。廣泛搜集并篩選出具有代表性的圖片與影視資料備用。

通過頭腦風暴的方式，在觀看這些軍事裝備與軍事英雄形象的同時，各設計人員分別寫下多個腦海中出現(xiàn)的形容詞。然后，評估與篩選出最具有概況意義與代表性的形容詞。該形容詞含義需滿足幾點要求：（1）符合軍事背景;（2）代表正面的軍事形象;這是由于一些描述軍事形象的形容詞容易讓人聯(lián)想到暴力而具有負面意義，對本研究無利;

（3）其描繪的象征與形象豐富，具有較好的研究價值。

最終，篩選出的“威武感”形容詞，符合軍人的職業(yè)形象與應用場景;普遍認為其描述的正面形象;表達的形象涵蓋視覺層面與精神文化層面，具有積極的象征意義;描繪的風格兼具科技感、力量感、機械感的部分含義，具有高度概括性。

（三）“威武感”語義研究流程

參考產(chǎn)品語義的關(guān)聯(lián)要素，本文從兩方面研究大眾認可的“威武感”語義：能夠表現(xiàn)威武感的形容詞，和表現(xiàn)威武感的視覺形象，包括人物、動物、軍事裝備形象，以及幾何元素及構(gòu)成方式、色彩、材質(zhì)等。

運用感性工學及統(tǒng)計學的方法，廣泛搜集、聯(lián)想能體現(xiàn)威武感的詞匯以及人物、動物、裝備形象等，進行初步篩選與整理;同時根據(jù)搜集到的代表性圖片，歸納軍事風格分類;最后制作實驗樣本圖片。以問卷調(diào)查的方式對眾多形容詞和形象分別進行比較，選出最符合人們對威武感認知的詞匯和形象。對實驗結(jié)果進行分析總結(jié)，將“威武感”語義解碼為設計元素，用于設計實踐。語義研究流程如圖3。

（四）具有“威武感”語義的形容詞和形象的選取

“威武感”語義的涵義可分為兩個部分：一是抽象的形容詞和相關(guān)名詞、動詞等，這類詞匯在不同人認知中是不同的，沒有固定的圖像綁定，屬于心理層面;二是具體的形象，如人物，動物、裝備所表現(xiàn)出的威武感，包括線、面、體的構(gòu)造和組合等，屬于視覺層面。

1.詞匯的搜集與整理：首先，通過接近聯(lián)想、類似聯(lián)想、對比聯(lián)想的方法，考慮到歷史文化對大眾認知潛移默化的影響，也參考我國古代文學中對“威武”一詞的描寫，權(quán)威字典、百度百科對“威武”一詞的解釋，以及相關(guān)近義詞、同義詞的描述，從不同方面對“威武感”進行解讀。總結(jié)來說，“威武感”的詞義包括有威力、有氣勢，強大的形象。近義詞：霸氣、威風、雄壯等。

按照描述事物本質(zhì)的深層次邏輯關(guān)系，按照由表象到內(nèi)涵的順序?qū)⑦@些詞匯分類，同一分類的形容詞按對比關(guān)系再分為兩個形容詞。最后通過與團隊成員的反復討論分析，每個種類篩選出一個具有代表性的詞匯。具體選擇的詞匯可以分為視覺感受、氣質(zhì)感受、功能性三個維度，篩選出的20個詞匯如下：

視覺感受類：色彩鮮明/色彩樸實;造型夸張/造型理性;線條硬朗/線條優(yōu)美;結(jié)構(gòu)分塊多/一體感強;尖銳感/堅固感;肌肉感/骨感。

氣質(zhì)感受類：威懾感、可靠感、聲勢浩大、獨行俠。

功能性：攻擊、防守、格斗搏擊、高科技戰(zhàn)爭。

其中，視覺感受類詞匯配上圖片，輔助被調(diào)查者的聯(lián)想記憶。

2.形象的搜集、篩選及圖片的選?。荷钪谐Ｒ姷目赡芫哂型涓械男蜗?，大致分為三大類，人物、動物、裝備。除此之外，還可以從不同的軍事裝備風格，探索其體現(xiàn)威武感的程度。從經(jīng)典文學作品、書籍、影視作品等大眾傳媒渠道中廣泛搜集以上四類的各種形象圖片。再按照一定的邏輯進行分類，如動物可按照體格大小、棲息地分布等分類，裝備可按照體量大小、使用場景等分類。搜集分類之后，每個種類篩選出具有代表性的一張圖片作為該種類的代表。注意應選擇展現(xiàn)完整形象的清晰圖片，背景簡單，且任何一張圖片不能表現(xiàn)出強烈的主觀導向意識。最后篩選出的圖片見圖4。

3.問卷調(diào)查與結(jié)論：設計調(diào)查問卷，列出上述按一定邏輯排列的詞匯和形象相關(guān)圖片，讓受訪者選出最貼合其認知的具有“威武感”的形容詞和形象。該研究需要被調(diào)查者對“威武感”或軍事風格有一定基礎的了解，遂將大量問卷在工業(yè)設計專業(yè)各個年級發(fā)放，少量問卷于化學專業(yè)、醫(yī)學專業(yè)發(fā)放。最終回收問卷93份，有效問卷87份。其中男女比例約為1：2。統(tǒng)計問卷并分析后的實驗結(jié)果如下：

在風格上，人們普遍認為現(xiàn)代和未來軍事風格更具有威武感。

在表現(xiàn)威武感語義的詞匯方面，“攻擊”相對“防守”更具有威武感;“肌肉感”相對“骨感”更具有威武感;“威懾感”和“可靠感”的威武感語義程度相近;“堅固感”相對“尖銳感”更具有威武感，“高科技戰(zhàn)爭”相對“格斗搏擊”的更具有威武感。 “獨行俠”，“聲勢浩大”“格斗搏擊”的威武感語義很弱，“肌肉感”，“威懾感”的威武感語義最明顯。各種詞匯的語義感強弱根據(jù)選擇人數(shù)的多少，最具有威武感語義的詞匯前三分別是“肌肉感”、線條硬朗、“威懾感”。

在軍事藝術(shù)形象方面，相對色彩鮮明的形象，色彩樸實協(xié)調(diào)的更具有威武感;相對造型夸張的形象，整體造型理性合理的更具有威武感;相對線條優(yōu)美的形象，線條硬朗的更具有威武感;結(jié)構(gòu)分塊多的相對一體感強的更具有威武感。將這些形容詞對進行對比，其中，人們最認同圖片中線條所表現(xiàn)的威武感;其次是整體造型所表現(xiàn)的理性或夸張，關(guān)于結(jié)構(gòu)分塊的語義最不明顯。

在人體肌肉表現(xiàn)的威武感方面，胸肌和腹肌表現(xiàn)的威武感語義最強，小腿表現(xiàn)的威武感語義最弱。在大型軍事裝備方面，坦克表現(xiàn)的威武感語義最強，戰(zhàn)斗機其次，然后是戰(zhàn)艦和裝甲車。在動物表現(xiàn)的威武感方面，老虎的語義感最強，狼的語義感較強、蛇的語義感最弱。其中，動物富有野性的肌肉曲線最具有威武感。在材質(zhì)表現(xiàn)的威武感方面，幾乎不反光材質(zhì)和亞光材質(zhì)的語義感最強。

總結(jié)來說，威武感語義在線條與整體形狀方面表現(xiàn)最強烈。在人們的認知中，要在軍事裝備上體現(xiàn)威武感，從視覺層面看，需要有硬朗的線條、特別要有一定的肌肉感，體量感大者威武感較強，同時色彩協(xié)調(diào)統(tǒng)一;從表現(xiàn)的功能層面看，造型需要有理性嚴謹、堅固之感以及科技感。

三、軍用膝關(guān)節(jié)外骨骼機器人形態(tài)設計實踐

（一）膝關(guān)節(jié)外骨骼結(jié)構(gòu)與設計約束分析

首先進行結(jié)構(gòu)分析：膝關(guān)節(jié)外骨骼機器人主要由人機綁縛系統(tǒng)，傳感與控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)與支撐系統(tǒng)四個部分組成。膝關(guān)節(jié)外骨骼為了緊貼人體增加傳力效率，需適應不同人體尺寸，必須設計為可調(diào)式結(jié)構(gòu)，因而采用外觀件分別包覆各可調(diào)部件的形式進行設計，可進行設計的外觀件有：電機及控制器包覆件、長度調(diào)節(jié)器包覆件、姿態(tài)傳感器包覆件。其中，電機及控制器包覆件位于人體外側(cè)膝關(guān)節(jié)至以上15-20cm處，體積最大;長度調(diào)節(jié)器包覆件位于大腿根部、小腿近膝關(guān)節(jié)處、近踝關(guān)節(jié)處三處，單個體積最小;姿態(tài)傳感器包覆件位于大腿與小腿中部，單個體積中等。

設計約束主要有兩點，一是外骨骼的傳感與控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)樣機由相關(guān)技術(shù)人員經(jīng)過實驗與測試完成功能設計，無法改變其結(jié)構(gòu)及位置，因而外觀件不能與結(jié)構(gòu)件發(fā)生干涉;同時為了良好的穩(wěn)定性與合適的外觀體積，外觀件與結(jié)構(gòu)件部分緊密接觸、部分保留合理造型空間。二是為了信號線與電線的合理整潔排布，需精確預留孔位并結(jié)合外觀件設計走線空間。

（二）威武感語義的形態(tài)設計元素提取

為了適應野外作戰(zhàn)，軍用外骨骼的色彩與加工方式有相關(guān)的設計標準，本文暫不做過多討論，同時為了更好地研究具有威武感語義的形態(tài)，主要從形態(tài)方面提取設計元素。

通過威武感語義實驗，主要從人體肌肉、坦克兩種形象中抽象出線符號、形狀符號與組合符號作為威武感設計元素。線符號可運用于主要裝飾線設計;形狀符號可運用于形體的主要輪廓線設計;組合符號是指線符號或形狀符號的典型組合方式，適用于綜合設計應用。三類設計符號可根據(jù)實際情況合理調(diào)整應用。

進行設計元素的抽象時，應注意提取硬朗的線條，具有肌肉感與大體量感的形狀符號。提取結(jié)果如圖5。

（三）設計實踐

根據(jù)結(jié)構(gòu)設計約束與“威武感”設計規(guī)律，分別設計三種外觀件。首先需明確三種外觀件之間的關(guān)系，從位置上看三者處于一條直線上，因而三者的形態(tài)走勢需沿該直線保持一致;體積最大且結(jié)構(gòu)復雜程度最高的是電機及控制器，因而這部分的包覆件需用多種威武感設計元素綜合應用，讓其成為視覺重心;體積相對較小的是長度調(diào)節(jié)器于姿態(tài)傳感器包覆件，其包覆對象的結(jié)構(gòu)復雜度也相對較低，因而使用較少的設計元素進行包裝;同時三種外觀件的設計語言需統(tǒng)一，并做到相互呼應，以達到較好的整體風格設計效果。

然后對每種外觀件進行具體的設計應用。首先運用威武感形狀符號確定外觀件整體輪廓，注意外觀件整體輪廓能夠合理包覆所有零部件，并增加形態(tài)的肌肉感與體量感;然后運用線符號強化外觀件的棱角線條與裝飾線條，讓形態(tài)更加硬朗;最后運用組合符號為外觀增加更多細節(jié)，讓外觀形態(tài)在視覺上更有層次感，增強軍事感與科技感。

接下來從整體形態(tài)效果入手，確定各外觀件之間的設計元素是否能夠相互呼應，比如一些威武感設計元素的重復運用、線條走勢的統(tǒng)一等，使得組裝后的完整產(chǎn)品語義一致，風格統(tǒng)一。

不斷在單個外觀件及整體效果兩個層面不斷重復設計，嘗試設計元素的不同組合，直到得到滿意的設計效果。最終產(chǎn)品效果圖如圖6。

結(jié)語

本文基于語義學設計方法，研究具有“威武感”語義的形容詞與形象，探索現(xiàn)代軍事風格的設計特征，并將其運用在一款軍用膝關(guān)節(jié)外骨骼外觀件的形態(tài)設計上。為新型軍事裝備的造型設計提供了一種可參考的方法，可有效為實驗樣機設計合適的外觀，讓其符合軍事應用環(huán)境，滿足功能需求;同時提升使用者的軍事形象與人們的認可度，滿足精神需求。本膝關(guān)節(jié)外骨骼外觀設計方案得到甲方采納，并應用于實驗樣機上，證明本文的設計方法具有一定的可行性。