当今社会人类不断提出对时间、空间和能源等资源的高效利用的需求，产品的功能组合成为一大创新产品主流趋势^[1]。功能组合的特征是将较多基本功能组合到同一对象中，更全面地满足使用者的需求^[2]。关于功能组合的研究从20世纪40年代开始已经有了一些成果，德国乌尔姆设计学院^[3]提出了系统设计理念，通过单元聚合使某些产品在技术、功能、形态以及表现形式上建立一种联系性和统一性。刘芳^[4]类比生物体在自然环境中的进化分析了需求拉动下的功能组合设计，并建立了用于功能组合设计的功能捆绑符号模型；曹国忠等^[5]进行了基于流的功能配置研究，提出功能组合模式与组合算法。上述研究均集中在对功能组合产品的分类、基本符号的定义分析及设计简介方面，没有解决提高功能组合产品设计可行性的问题。

常规的功能组合设计是建立在已有技术发展的基础上的，技术领域的局限性较强；新添加的功能技术载体与原系统的布局设计较为困难^[6]。因此提高功能组合设计产品的设计可行性和元件布局合理性是目前实现功能组合产品设计的关键问题。跨学科知识的应用是提高产品设计效率的重要途径^[7]，通过功能组合实现了跨学科知识在产品设计中融合，这具有重要意义。仿生学中的生物知识能将生物的某些特殊结构、功能和原理移植到工程技术中，产生新的发明或改进现有技术^[8]，是一类提高产品设计效率的可靠性的跨学科知识源。生物效应^[9]是研究者在TRIZ^[10]中“效应”的基础上提出的一类生物知识创新工具，指的是生物体内或不同物种间发生的各类能够实现某种功能的现象，可以为工程设计人员解决设计问题提供参考，是对仿生设计的一类深入研究。任露泉^[11]教授的研究团队提出生物功能源自生物耦合现象的观点，将仿生学的研究重点放到对生物系统内部整体行为之间的研究。综合生物效应和生物耦合的概念，刘伟^[12]提出了多生物效应，是指为实现系统功能服务的多种相关生物信息的综合，并研发了多生物效应库软件，以其为工具提出面向功能实现的多元仿生快速响应设计方法流程。但该流程目前较为笼统，尚无利用多生物效应知识进行功能组合产品设计的规范形式。

本文针对现有产品功能组合设计过程中存在的可行性差的问题，扩展设计过程中的方法、知识工具，提出将多生物效应知识运用到功能组合产品设计的过程中去，归纳了多生物效应用于功能组合的几种基本形式，并提出应用多生物效应库软件进行功能组合产品设计的方法和流程，最后通过TRIZ中的其他工具完成功能载体的合理布局，在实现跨领域快速解决功能组合产品设计问题的同时，进一步优化功能组合产品的结构，增加其实用性。

1 多生物效应库的建立 1.1 多生物效应的内涵与优势

经过亿万年进化的生物在系统的结构、性状、原理及行为方面有着人造系统不可比拟的优势^[13]，因此将生物界实现各类功能的原理知识作为我们设计产品的知识源，可以促进高级别创新的产生。

生物效应是以类似工程设计领域的表达方式去描述存在于生物体或生物现象中的输入/输出关系，供工程设计人员设计产品用。生物效应仅包含某一功能实现的单元仿生信息，后续需要人为将不同生物效应组合成效应链，完成多个单元仿生信息的组合，对设计者的经验要求较高；新提出的多生物效应直接挖掘生物原型的整体特征，从多元耦合仿生的角度出发，研究某一生物或生物群实现某一功能或某几个相关功能的原理，确定其多元结构组成和交互作用，完整的生物功能实现过程能为设计提供备选方案，为工程设计人员进行仿生设计提供更完整的生物知识，提高设计方案的完整性和可行性。

与生物效应相比，多生物效应更全面、直观地将生物界实现某种功能的特殊本领展现出来，使这类生物知识具有较广的覆盖面，降低了设计人员对生物知识的分析能力要求。

1.2 多生物效应库的原理与构建

为了将生物界大量有用信息转化成可为工程设计服务的有效知识源，开发出多生物效应库软件，将多生物效应知识向技术系统转化，其过程从知识、方法两个层面进行。

知识层面，多生物效应库以Asknature生物知识平台^[14]及现有仿生案例为来源，人为进行总结并录入了500个生物案例。每个案例由多生物效应编号^[15]、名称、描述、分类、特征、实用价值以及生物原型图和多生物效应模型图^[16]几项知识源组成。其中“编号”通过一套特定的编码方法将不同种类的生物案例进行规范化编码，“描述”介绍了该多生物效应案例的功能实现过程，“分类”是在已有功能列表中选择符合案例描述的功能，“特征”体现了该生物实现特定功能的自身结构，“生物效应模型图”通过一套规范化的符号模型描述生物原型中各个效应的组合控制关系。以上信息在多生物效应库中的展示界面如图 1。

方法层面上，多生物效应库提供三种检索生物案例的方式：功能检索、流变化检索和关键词检索。录入生物案例的时候在“分类”一项中规定该案例的功能属性，查询时按照所需功能选择与其最接近的功能类别查询案例，还可通过输入关键词检索或流变化关系来进行查询，对查得案例包含的信息进行筛选评估，选择最易于工程模拟的案例，用已知可行的技术效应对多生物效应图中各个生物效应环节进行替代，技术效应对生物效应的替代形式有一对一替代、多对一替代、多对多替代和一对多替代，替代的技术效应或原理可以是物理、化学、几何等其他学科的知识，但必须保证这种替换保留原生物效应环节的功能及各效应之间的连贯性，具有技术可行性与可靠性，最终将技术效应对应设计技术元件合并组合。

2 基于多生物效应的功能组合设计方法 2.1 多生物效应驱动产品功能组合的基本形式

通过对大量多生物效应案例的分析研究发现，多生物效应除了能为产品创新设计提供原理方面的知识，其各个效应的控制及协同配合关系，还能够指导功能组合产品的设计，为该类产品设计提供一般形式和解决方案。

从多生物效应库的每类中抽取具有代表性的一部分案例，汇总起来约150个左右，对这些案例的描述内容和多生物效应原理图进行分析，抽取其实现各功能的特征，汇总成将其用于功能组合设计的几种基本模式--链式功能组合、树形功能组合及环形功能组合。这几种组合模式的总结过程分别如图 2、3、4、5、6，其中图 2详细说明了其中一种功能组合方式的总结过程，其他则省略了中间环节，直接给出了功能组合模型图。

1) 链式功能组合.

该组合模式的生物原型通常来自同一生物，由该生物的不同生物效应依次实现的多个功能驱动产品的创新设计，使人造系统也按照该逻辑关系实现类似功能，分为链式有反馈和链式无反馈两种，其中链式有反馈又分为链式内反馈和链式外反馈，主要是通过增加系统反馈环节改善原系统的功能实现。

链式内反馈组合模式通过模拟多生物效应增加了原系统的反馈调节功能，其中图 2(a)为狗蜱虫吸收水分生物原型图，图 2(b)狗蜱虫检测周围水分并分泌吸水物质，吸收水分，待体内水分充足后经神经反馈抑制吸水物质分泌的功能链模型，据此模拟出图 2(c)中具有自检测功能的滴灌系统，并归纳出此类功能组合模式的一般形式如图 2(d)。

链式外反馈组合模式通过模拟生物原理，用新功能强化原有功能，增加了系统抵御外界刺激的能力，根据典型生物案例“射炮步甲自卫”的多生物效应原理图，分析出射炮步甲自卫时通过肌肉挤压将体内存于不同腔室的化合物混合，进而喷出毒液的功能链模型，据此模拟出在发射炮弹瞬间将不同化合物混合形成剧毒物质的二元化武器^[17]，并归纳出此类功能组合模式如图 3。

链式无反馈组合模式通过模拟生物功能优化了原系统的功能，并使各功能依次实现，完成从输入到输出的转化。根据典型生物案例“婴猴跳跃”的多生物效应原理图，分析出婴猴着陆时将能量存储在肌腱中，跳跃时将其释放的功能链，由此归纳出此类功能组合设计的一般模式如图 4，该图中原功能也可能出现在链式功能链中的其他位置。

2) 树形功能组合.

该组合模式的生物原型通常来自同一生物或不同生物，实现某一主要功能需要几个子功能共同完成，该设计在产品原有功能基础上，运用多生物效应集成了一些新功能，使这些功能同时实现。根据典型生物案例“凤梨叶子形成的生态环境”的多生物效应原理图，分析出有机物、外界水等降落到凤梨叶子形成的“小池塘”中，产生了微生物，并为自身和鸟类提供水源的功能树形模型，据此归纳出树形功能组合模式如图 5。

图 5中的新功能有以下几种：原功能使用条件下的相似功能，提升产品精神价值的附加功能或提升产品性能的辅助功能。

3) 环形功能组合.

该组合模式的生物原型通常来自一个完整的生态系统，系统完成的功能来自不同的物种。该设计模拟生物界的物质、能量循环系统，使功能组合产品的不同功能依次进行完成能量、物质的循环。根据典型生物案例“无花果和昆虫之间的共生”的多生物效应原理图，分析出该系统各生物之间物质循环的功能环形模型，由此归纳出环形功能组合模式如图 6，该类组合方式主要增加了原系统的物质、能量循环功能，其中执行对象可能有重复。

这几种模式是多生物效应驱动功能组合产品设计的基本模式，更复杂的功能组合产品设计将会用到建立在这几种基本模式上的高级组合模式。

另外完成功能组合产品设计还需借助TRIZ中解决问题的两类工具-冲突和物质-场分析^[18]。冲突工具通过寻找现有系统存在的矛盾，用40条发明原理解决问题；物质-场分析通过建立现有系统的物质-场模型来分析存在的有害、不足等问题，利用76个标准解寻找解决方案。

2.2 基于多生物效应的功能组合产品的设计模型

充分利用多生物效应库软件，挖掘生物案例中包含的可为工程设计服务的可靠信息，提出基于多生物效应的功能组合产品设计模型，如图 7所示。

设计过程按照操作流程分为三阶段8步骤.

第1阶段：功能组合产品原系统的确定.

步骤1: 在现有市场环境下，通过调查或预测的方式分析用户对功能组合产品的需求。

步骤2: 分析实现需求的功能，在多生物效应库中通过功能检索的方式查找生物案例，必要时辅助使用另两种检索方式。

步骤3: 分析各生物案例的多生物效应原理图，总结其所提供的产品功能组合模式，确定最终生物原型。

步骤4: 根据多生物效应库中该生物原型的特征，初步分析技术实现可能性，确定功能组合原系统。

第2阶段：组合产品模块设计与优化.

步骤5: 根据所选多生物效应提供的功能组合模式--链式、树形或环形，建立可实现的新产品的功能组合模式。

步骤6: 分析多生物效应原理图和案例描述内容，将每个效应模块对应设计技术模块，实现生物原理的技术转化，完成新添加的技术元件与原系统的组合。

步骤7: 判定元件布局是否合理，新元件与原系统之间是否存在冲突，是否有其他不理想状况。

若存在冲突，则通过TRIZ中冲突解决理论进行解决，直到冲突矛盾最小化为止，若存在其他不理想状况，则用标准解来解决，将过程出现的不同解决方案都作为备选原理解。

第3阶段：最终功能组合产品方案的确定

步骤8: 对步骤7所列几种备选原理解通过可行性分析进行筛选，确定最终方案原理解，对可行性较差的按照步骤2-7重新求解，直到满足要求为止。

由图 7可以看出，在功能组合产品的设计过程中，多生物效应库为工程设计人员快速地解决某一问题提供跨领域信息资源，该知识源包含的各类信息在设计过程中依次被使用的情况见表 1。

通过多生物效应知识完成产品材料或元件的设计并组合后，再对系统理想状况和冲突判定，应用TRIZ中理想解或冲突分析工具来解决，能实现功能组合产品各功能元件之间的较好布局。该方法与传统功能组合产品设计方法相比提高了设计的快速性以及产品的优良性能。

3 设计实例

按照上述设计流程，以“湿热地区可收集淡水的帐篷”为例完成功能组合产品的设计。

3.1 功能组合产品目标的确定

步骤1：分析或预测用户对功能组合产品的需求。

湿热地区的旅行者携带淡水资源有限，因此需要使周围现有物品兼具收集水的功能。

步骤2：分析实现需求的功能，查找生物案例。

将期望功能“收集水”抽象成功能 < 存储>+ < 液体>”，得到图 8所示的检索结果。

步骤3：分析各生物案例所提供的产品功能组合模式，确定最终生物原型。

满足该功能的多生物效应案例有：狗蜱虫、纳米布甲虫、凤梨叶子吸收水分的多生物效应，在此设计中命名为案例1、2、3。其中案例1的多生物效应原理图及其提供的生物功能组合模式见图 2(a)、(b)，案例2、3的多生物效应原理图和提供的功能组合模式分别如图 9、10。

由2.1分析可得，狗蜱虫吸收水分生物原理提供链式内反馈功能组合模式，即为一个能吸收水分的装置增添检测、控制功能，但这些功能对户外水收集作用不大，反而提升了成本；纳米布甲虫吸收水分生物原理实现的是链式无反馈功能组合模式，能通过身体特定结构将水蒸气、雾状水等水资源收集利用，凤梨叶子吸收水分生物原理实现的是树形功能组合模式，能够直接将收集水分功能附加在原有产品功能上。综合比较，案例2、3的生物原理相似，且案例3与现有产品结合更为方便，将其作为功能组合产品的生物原型。

步骤4: 根据生物原型特征确定功能组合原系统.

多生物效应库中，该案例实现收集水分功能的特征有倾斜的叶面、叶面特殊微观结构、莲座等。故将功能组合产品的原系统定位到具有倾斜表面的户外帐篷，拟通过模拟该生物原型的其他特征，完成功能组合产品设计。

3.2 功能组合产品的设计与优化

步骤5: 确定功能组合产品的功能组合模式.

由凤梨叶子吸收水分的树形功能组合模式，建立该产品树形功能组合模式如图 11。

步骤6: 分析生物原型图，寻找技术效应替代生物效应。

由图 10(a)的多生物效应原理图和案例描述可知：凤梨的叶子将外界水分引入到中心莲座上，其表面的亲水性毛发利于收集水分，疏水叶面的不规则微地貌可减少水的粘附，促进扩散，另外疏水毛状体层和蜡粉末能阻挡病菌和微尘，帮助自清洁，最终叶面引导水分形成一个小池塘。该多生物效应主要是由“疏水亲水效应”、“过滤清洁效应”和“重力效应”“莲座容纳效应”四种效应共同作用完成的。

模拟实现“疏水亲水效应”的凤梨叶子表面特殊微结构，研制出一种疏水性亲水涂料，以疏水性材料为基底，复合亲水材料，涂覆于帐篷表面，有利于大气中的水分快速凝结并导走。集水组件中技术元件设计与对应的生物效应见表 2。

得到组合产品的设计方案：在帐篷除门外的三个表面涂覆疏水基亲水材料，通过该材料和倾斜的帐篷表面实现收集并引导水的功能；将三段倾斜的塑料V形槽通过粘接的方式固定在帐篷除门外的三个表面上，最终汇集到一点；在最低点处水通过出水囊，过滤器，流经引水管，存入储水箱。

步骤7: 判定新系统是否存在冲突或其他不理想状况并解决。

当前功能组合产品存在冲突，主要是增加帐篷的集水组件给原有帐篷的稳定性带来影响，也增加了负重。通过TRIZ冲突矩阵查找发明原理，依据参数变化和动态化原理，将塑料V形槽换成柔性集水槽，通过集水槽杆将其支撑，过滤、引导和储存水的结构均设计成柔性可折叠的，两个集水槽的交界处用固定绳将其与防风绳固定。集水组件的局部设计如图 12。

3.3 最终功能组合产品方案的确定

步骤8: 评价可行性，得到最终方案。

该功能组合产品较好地在保留原帐篷供人居住功能的同时增添了淡水收集的功能，满足了湿热地区露营的人们对淡水资源的一部分需求，同时柔性储水袋方便携带。该产品具有较好的多功能性，具有一定市场推广价值，整体效果如图 13。

4 结论

本文所述基于多生物效应的组合产品设计方法，能够利用多生物效应知识库为功能组合产品设计提供一般模式，较传统组合产品设计方法具有更好的可行性和创新性。对功能组合产品的需求通过功能的表达方式，在该库中寻找可进行模拟的生物原型来实现技术转化，提高了功能组合设计的效率和成功率。本文在对TRIZ中的生物效应及衍生的多生物效应介绍的基础上，分析了生物知识对工程实际的有益效用，提出了将多生物效应的知识工具应用到功能组合产品创新设计中的步骤，并以“湿热环境可收集淡水帐篷”的概念设计过程为例验证了将多生物效应知识运用到产品功能组合设计的合理性和有效性，为未来工程设计人员应对市场及用户需求进行产品组合设计提供了新的有效的方法。