中国在迈向制造强国的进程中，一个亟待解决的根本问题就是创新能力不足，尤其是创新设计能力存在着明显的差距。大力发展创新设计，对于建设制造强国的重要性不言而喻。
本文从生物启发创新设计、数据驱动创新设计、可持续创新设计、基于人工智能的创新设计以及面向疫情的创新设计等视角回顾了2021年创新设计年度研究热点和代表性成果，并展望了创新设计未来的研究热点。
设计是人类对有目的创新实践活动的创意和设想、策划和计划，是将知识、信息、技术和资源转化为 集成创新 和 整体解决方案 ，实现 应用价值 的发明创造和应用创新过程。
创新设计面向知识网络时代，以产业为主要服务对象，具有绿色低碳、网络智能、开放融合、共创分享等特征，集科学技术、文化艺术、服务模式创新于一体，是科技成果转化为现实生产力的关键环节，是引领 新一轮产业革命发展 的重要因素。
新颖性 、 有用性 及 出奇制胜 是创新设计的关键要素。
生物启发创新设计
生物启发创新设计是在 仿生学 和 设计学 的基础上发展起来的一门新兴学科，主要以 工程领域问题 为出发点，从设计方法学的角度，研究生物领域知识启发工程领域的创新设计活动。
毛晨曦等基于自然界生物在含粉尘非结构化表面上着陆栖息和爬行仿生原理，建立爪刺式飞行爬壁机器人的爬行动力学模型和接触-碰撞动力学模型，完成具有飞行和壁面爬行能力的 爪刺式飞行爬壁机器人 的优化设计。
爪刺式飞行爬壁机器人三维结构
张智泓等以砂鱼蜥头部为仿生原型，采用 逆向工程技术 对其特殊几何特征进行提取，将量化后的几何结构特征应用于深松铲尖的创新设计。
贺威等设计了一种独立驱动的 仿鸟扑翼飞行机器人 USTBird，通过两个舵机独立驱动左右翅膀可实现无可控尾翼的机动飞行。
USTBird整体结构
宋勇等借鉴长期跳跃行进在复杂地形中的袋鼠腿部结构，针对一种含圆弧形缓冲结构的 三连杆式仿袋鼠腿悬架 开展研究，以获得更优的车辆悬架综合性能。
张益鑫等通过蝴蝶飞行运动的生物学观测，构建蝴蝶前飞运动学模型，研制轻量化的 仿生蝴蝶扑翼飞行器样机 。
赵淑红等基于黄鳍金枪鱼下颚流线型曲线，采用水平直元线法将原有曲线重构为三维曲面，设计一种 仿黄鳍金枪鱼下颚曲线 的曲面式开沟器。
李娟莉等以扇贝壳及穿山甲鳞片的 非光滑条纹结构 为仿生原型设计仿生中板，以提高刮板输送机中部槽的耐磨性。
王学文等以蜣螂体表的非光滑凹坑结构为仿生原型，借助仿生非光滑理论，在中部槽表面设计 仿生凹坑型结构 以提高刮板输送机中部槽的耐磨性。
殷谦等提出一种 柔性波动鳍仿生机器人 的结构型式，根据波动推进原理对波动鳍结构进行设计。
刘阳等以具有快速机动游动特性的鲹科鱼类为仿生原型设计一种 S型仿生叶片 。
左建林等基于人体内侧半月板结构设计 游离式仿生内侧半月板假体 ，置换临床中无法修复的半月板。
田晨晔等受鸟类翼型结构启发，研究仿生翼型设计对贯流风机气动性能的影响，基于鸟翼厚度分布特征进行 贯流风机叶片仿生设计 。
黄海丰等通过模仿自然界蝴蝶的生物结构和飞行方式，设计了一款基于线驱转向的 仿蝴蝶扑翼飞行机器人 。
刘物己等基于生物体结构提出了一种受“尺蠖”与“蛇”启发的适用于 空间在轨服务 的柔性机器人。
李衍军等以鲫鱼流线型曲线为仿生原型，提出了一种 分配器仿生设计方法 。
数据驱动创新设计
- 数据类型多样化
随着信息技术的快速发展，设计所获取的信息日益多样化。
设计人员在传统专家经验知识的基础上，不断融合新的数据类型，并应用于产品创新设计过程。
1-运行数据
侯亮等利用 产品历史运行数据 ，对装载机等复杂装备进行个性化反向定制设计，其设计理念融合机器数据智能采集与分析、复杂机电产品建模、客户个性化需求评价等方法。
张雪霞等通过收集现有燃料电池的 历史退化数据 ，分析产品性能退化的内外因素，并结合神经网络算法对在设计的电池方案进行寿命预测。
杨晓强等分析民用航空飞行器的 使用困难报告数据 ，分析不同性能指标的权值，并利用多目标优化方法构建整机设计方案的安全评价模型，对在研设计方案的性能进行预测。
印度TATA钢铁公司通过分析收集钢铁生产线中轴承的磨损数据，对后续轴承维护决策提供建议。
波音公司开发了通用核心系统（CCS）用以收集飞机的 运行数据 ，该系统由通用处理模块、远程数据集中器、全双工以太网络以及线路更换单元组成，可以实时掌握飞机的运行情况，为飞机维护以及后续机型的改进提供决策参考。
波音787CCS网络架构
2-人体数据
人体数据主要包含人体 生理及心理数据 ，目前研究主要集中在前者。
包晓宁等综合了生理、六性以及飞机总体等 多渠道数据 ，开展数字系统环境下面向战斗机生命保障系统的设计；吴海贺等通过收集 人体步态以及关节受力数据 ，开展个性化3D矫形鞋垫的创新设计。
也有研究人员或者销售人员利用人工智能技术对 人脸表情 进行深度解读，如富士通公司与*耐基卡**梅隆大学合作研发的Action Unit 识别系统是此类技术的代表，能够更加准确地了解用户的实际需求。
表情识别系统
随着脑机接*技口**术的发展，有研究人员开始关注 脑机数据 ，如Neuralink公司发布了新一代LINK V0.9，通过该设备可以初步实现脑部神经系统数据的*载下**与监控，为了解婴儿、脑部或者脊椎损伤人员，甚至动物的隐性需求提供通道。
脑机接*技口**术
3-电商数据
施琦等通过爬取电商网站的 评论文本信息 以及 附图信息 ，利用聚类分析以及机器学习算法对两种数据进行分析，并作可视化研究，为产品改进提供参考意见。
4-专利数据
林文广等通过word2vec以及依存关系等自然语言处理技术提取专利背景中的有害性能知识，通过共现机率构建元件 性能评价模型 ，对所设计方案进行评价。
基于网络数据的产品设计 也间接应用到电商平台上，可为商家以及厂家提供最新市场动态消息，进而对产品改进提供及时的市场反馈信息。
- 数据粒度精细化
由于复杂装备的运行往往依赖于多种性能指标，同时也存在较大的风险，需要在设计阶段对性能参数进行 准确预测 。
Brunton等针对飞行器构建了 数字孪生模型 ，通过细化各项物理参数指标对设计方案进行性能预测及改进。通过多维度数据驱动技术，可在设计阶段对产品尺寸进行 仿真优化 ，进而减少数十亿美金的实验成本。
多参数飞行器数字孪生模型
对于无法通过仪器直接检测的 隐性数据 ，Weng等在现有数据的基础上利用证据推理的方式获取其他数据信息，通过指标关联实现隐性数据挖掘，并应用到报警装置的设计上面。
市场数据 方面，张文旭等提出基于 词频-逆文档频率方法 以及性能词典的电商评论隐性知识挖掘研究，进而实现对评论的细分。
- 数据体积海量化
随着技术手段的不断发展，设计人员所能获取的数据量也不断剧增，海量的数据也将为产品设计提供源源不断的 信息来源 。
如Luo等利用超过500万件的美国专利对目标产品 设计机遇 进行挖掘，最大化扩展已有产品的设计发展空间。
此外，数据量的提升能够为设计过程提供更加丰富的信息，同时能够进一步降低设计风险， 提高设计效率 。
另外，Niu等提出数据驱动的产品 全生命周期设计模型 ，从产品全生命周期的前端，一直涵盖到后续的产品生产、使用跟踪甚至回收等不同阶段，不论是数据类型还是体积都得到较大的扩展。
近段时间广受关注的元宇宙，本质上是一种 大数据驱动的产品设计 ，是面向虚拟现实的网络场景构建，而这种设计更加侧重于产品的外观设计。
基于虚拟现实的云宇宙环境下产品设计
可持续创新设计
在碳中和、碳达峰目标驱动下，产品 可持续创新设计 成为当前研究热点。
Sumrin等从 产品包装 角度提出旨在降低废弃物和环境保护的创新设计理念。
Wang等研究在传统产品的基础上 融合数字化技术 ，进而实现创新升级。
Li等从文化、形式、功能以及情感角度出发，对 大数据 与 人工智能 驱动产品创新设计进行思考，进而得到促进人与环境的和谐发展。
Wang等通过 绿色工艺 的融合与改进同时提高企业的环境效益和经济效益。
飞利浦公司提出基于能量、材料、包装以及循环再利用四原则的 可持续创新设计理念 ，并实现低耗材、生产合理、配送合理、绿色使用、增长使用周期以及回收优化等生命周期 不同阶段 的优化理念。
面向生命周期的飞利浦绿色设计理念
从整个产品生命周期来看，可持续设计可以 降低企业成本 ：一方面可以 降低能耗 ；另一方面，能够提高产品的 使用寿命 以及 环保性能 ，提高产品的市场竞争力，进而增加企业利润。
可持续设计实例
基于人工智能的创新设计
在传统产品设计过程中，设备在使用过程的调整往往依赖于使用者的操作，无法实现自我调整。
随着人工智能技术的应用，这种问题逐步被解决，并得到了初步的应用，但目前这种调整主要集中在参数上，在 结构 上或者 原理 上还无法实现。
日本索尼公司融合图像识别、机器感知、多运动单元控制等多种 智能算法 ，开发了新一代机器狗以及机器人产品。
索尼的居家娱乐型机器狗
此类产品需要同时满足 多类型数据处理 以及 多运动结构控制 ，还要求产品本身具有 自我学习能力 ，能够在使用过程中不断根据客户的需求或环境的变化进行自我调整。
波士顿动力公司开发的新一代机器人技术，结合系统历史数据以及产品前期使用数据，能够 快速适应 新的地理环境。
此类技术也广泛应用于 智能家居 、 无人汽车 以及 医疗设备 等领域。
除了适应环境，还可以实现 人机互动 ，如Johan等利用人工智能的自我学习能力，设计具有一定情感的陪护机器人。
可人机交流机器人
需要注意的是，人工智能更多的是关注智能算法技术在创新设计中的应用， 侧重于手段 ，这种手段会随着信息技术的不断发展而得到改进及更新，进而解决更多的设计问题。
面向疫情的创新设计
新冠肺炎疫情暴发后，病毒防控逐渐成为学术界和工业界关注的焦点，进而引发社会各界对医疗健康产品的进一步重视。
医疗健康设计不仅需要考虑工艺、成本、市场、专利侵权等传统因素，还需要考虑 人体工学 、 健康 、 心理 、 绿色 以及 政策 等因素，设计过程更具挑战性。
同时因为治疗、隔离、疫苗等措施的实施，对其他产品设计也提出了新的要求。
澳大利亚公司Ewave提出了面向防疫的产品终极设计法则，分为设计的 清晰度 （产品所介绍的功能明确）、 标准化 （产品要一致性）以及 可分发性 （产品的信息能够及时发送）。
类似的，德国Intellias设计公司提出了“ 以人为本 ”的设计理念，包含 6条准则 ，即产品的清晰定义、用户参与设计、客户反馈依赖、设计迭代、设计体验以及研发团队多样化等。
也有学者研究了居家隔离环境下消费者对笔记本电脑的购买意向变化情况，发现消费者 对品牌的信任度下降 ，而对质量以及规格的信任度上升，主要是因为消费者收入下降，而且居家办公要求提高。
在 实用产品设计 方面，例如口罩需求剧增导致疫情早中期的产品出现短缺，引发学者们对传统口罩的设计及生产方式进行反思与改进，并对口罩的绿色、回收、工艺、供应链甚至政府政策等诸多环节进行全方位的研究，寻求创新路径。
由于疫情导致供应链受到影响，DeBoer等对呼吸机进行改进创新，通过模块化设计方法实现较少的元件以及更加便于获取的元件制造出相同功能的产品。
此外，西班牙Roca企业从 防止病毒扩散 角度出发，分别研发了鞋底清洁、人群间隔以及免接触消毒机等家居产品。
面向防止病毒传染的产品创新设计实例
清华大学设计学院和博奥生物公司借助模块化设计方法研发 新型病毒检测装置 ，该产品不仅提高了设计效率，同时降低成本，为大批量生产提供便利，并在近期获得“好设计”金奖。
基于模块化设计方法的病毒检测产品
“好设计”简言之就是 创新设计 。
通过开展以创新设计为主题的好设计评选活动，使得好设计理念根植于中国大地，培育好设计诞生的沃土，营造好设计发展的良好环境，努力打造和培育具有全球影响力、引领世界和时代的好设计、中国好企业、中国好品牌，是我国推动创新设计的重要举措。
结论
创新设计引领中国创造之路，可以大大加快实现“中国制造向 中国创造 转变，中国速度向 中国质量 转变，中国产品向 中国品牌 转变”。
随着新一代信息技术和先进制造技术的发展以及新冠疫情的影响，创新设计手段日益 多样化 、应用场景更加 广泛 。
创新设计的发展呈现以下5个特征：
创新主体将发生转换 ，基于大数据和人工智能的机器自主创新研究广泛开展，并得到初步有效的应用。
创新设计效率将得到进一步提升 ，进一步降低对设计者经验的依赖性，避免人为干涉，提高了设计决策的客观性以及准确性。
创新设计领域不断扩展 ，从常规环境扩展到极端环境，从使用者体外环境延伸到体内甚至情感思维环境，从产品使用阶段不断延伸产品回收以及再利用等生命周期的后端阶段。
创新设计更加人性化 。随着社会的不断发展，设计人员根据不同时代客户需求，开展面向疾病治疗、情感需求甚至健康绿色等方面的设计，更加注重人性，而非简单的经济性或者社会性。
学科交叉更加多样化 。设计过程在引入新技术手段的同时，也融合了人工智能、绿色环境、电子技术、医疗健康甚至人文情感等学科的知识，在学科交叉的同时，也促进产品设计学科以及设计理论的不断发展。
本文作者：肖人彬，林文广，赖荣燊
作者简介：肖人彬，华中科技大学人工智能与自动化学院，教授，研究方向为制造系统工程与复杂产品设计；林文广（通信作者），厦门理工学院机械与汽车工程学院，讲师，研究方向为数据驱动产品设计。
论文全文发表于《科技导报》2022年第1期，原标题为《2021年创新设计热点回眸》，本文有删减，欢迎订阅查看。