从生命中获取灵感 - 中外对话
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从生命中获取灵感

加工制造过程中降低能源和材料消耗的需求日益迫切,而大自然却能够给予建筑师和工程师无尽的灵感。迈克尔•波林撰文。
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工业革命初期,人力资源稀少,自然资源充裕。如今,情况正好相反:人口不断增长,资源却在逐渐减少。与此同时,人类还面临着日益严峻的气候变化挑战。这一切都预示着,我们必须改变以往的生产方式,通过设计研发,减少物质材料的消耗,增加人力资源的使用。

仿生学
在降低能源消耗方面功效卓著,不仅有助于提高物质资源的利用率,还有可能提升人力资源在设计和加工领域的创新性投入。仿生学的宗旨就是取生物之所长,从历经38亿年进化发展而来的产物中学习经验。正是由于经历了残酷的进化改良过程,生物体才展现出卓越的能效优越性。

生物的某一特性在经历进化过程中的优胜劣汰之后变得尤为突出,这样的例子在自然界屡见不鲜。例如,在严酷的天择压力下,鸟类的进化就与自身重量息息相关。乌鸦、喜鹊等鸣禽鸟类的头骨结构从工程学的角度看简直可以称为奇迹。对其截面构造进行显微观察可以发现,这些鸟类的头骨都是由通过网状结构紧密相连的众多骨块构成,是网壳结构与空间架构技术的完美结合。厚厚的头骨在尽可能减轻体重的同时为鸟儿提供了最大限度的保护。

另一个例子就是蜘蛛。蜘蛛通过吐丝器喷出多条完美的蛋白质聚合物,然后再用后腿将其“拧”成一股。这种聚合物风干凝固后,其强度甚至优于目前最强韧的人造合成纤维——凯夫拉尔纤维。而这两种纤维在制造技法上却有很大差异。凯夫拉尔纤维的加工过程需要高温高压,并且还会产生大量的有毒废弃物。然而,蜘蛛却在常温常压下仅靠消耗飞虫和水便达到了同样的目的。

以上的例子远非个案。人类的生产方式总是离不开开采、粉碎、冶炼、精炼、成型这一系列高耗能的加工过程。不仅如此,之后通常还需要经过处理、喷涂防护层、粘接等加工工艺。在自然科学作家珍妮·班娜斯看来,这一“加热、加压、化学处理”的生产模式要远逊于自然界的生产方式。

可是,自然界的生产方式极为复杂,人类很难模仿。即便是能够模仿,其成本也非常之高。然而,目前正处于起步阶段的数字设备革命却有望改变这一现状。上世纪八十年代出现的快速成型技术就是设计领域的一大突破。这一技术能够在最小人力投入的情况下,高精度地将计算机三维模型加工成实物。这一技术还在不断发展之中,并会最终突破产能局限,成为具备量产能力的生产方式。

对于人类而言,尽管掌握与生物生长过程等效的技术暂时还可望而不可及,但是,在低温常压条件下,利用纤维素之类的天然聚合物制造复杂高效材料却大有前景。畅想一下,仅需传统工艺1%的能耗就能生产出比传统材料能效高出十几倍的材料,该是多么令人鼓舞啊。不仅如此,使用得当的话,这些材料还能够通过回收加工,不断地加以循环利用。这恰恰体现了设计变废为宝的理念。

英格兰西南端康沃尔的仿生学项目——伊甸园计划举世闻名。该项目从花粉粒、放射虫、蜻蜓翅膀等自然界生物体以及碳分子上吸取灵感,彻底颠覆了故有的建筑类型。由于其所使用的薄膜材料在重量和能耗方面只有玻璃材料的1%,因此,该项目不仅上层结构的重量小于建筑物内部空气的重量,而且成本也只有传统建筑的三分之一。随着仿生制造工艺的不断进步,建筑的资源能耗也会进一步降低。

支持全球水资源短缺地区的农业发展方面,撒哈拉森林项目更是开启了先河,而其灵感则完全来源于雾姥甲虫。经过长期的进化,这种甲虫能够在干旱的沙漠中收集淡水而生存。模拟生态系统进行项目设计使该项目创造出了巨大的价值。或许,不久之后,光亮如镜的玉虫、能够收集水分的刺甲蜥、在沙中穿行而毫发无损的石龙子都将是我们学习的对象。

人类历史上的第一座穹顶建筑几乎可以断定就是从海洋贝类获得的灵感。由此可见,仿生学的应用由来已久。然而,在科学知识完备、设备更为先进、艺术创造不受传统教条限制的今天,我们应重新认识仿生学。而这样的机遇对于设计者来说也是千载难逢机会。

那么,如何才能推进仿生学研究的快速转化?尽管,某些情况下可以借助法律手段来达到这一目的,但是,财政手段却可以通过奖励创新切实起到推动革新的作用。迄今计算机辅助生产所取得的进展在很大程度上就得益于军事科研的预算投入。如果建筑行业科研资金短缺的问题能够得到有效解决,那么就相当于清除了创新发展道路上的一块巨大的绊脚石,使更多的企业有能力将创新理念转化为商业现实。

稀缺性是进化过程中促使动植物发生适应性变化的主要因素。同样,通过改变税收导向,将税收重心由人力资源转向自然资源,同样可以起到加速创新的目的。伊甸园项目中,资源的使用效率就在很大程度上取决于资源的成本。钢材价格如果升高,那么自然而然就会少用。这样一来,不仅节省了资源,同时,加工工艺复杂程度的提高还能够创造更多的就业机会。通过各种形式的环境税使环境成本内部化,让资源价格能够充分体现气候变化成本,从而推动创新、节约资源。

然而,政府通常只知道采取行政命令的方法,却很少想到通过创造良好的经济氛围来促进创新。而后一种方式与进化改良过程有着异曲同工之妙。进化过程中资源稀缺是一种常态,而大自然给出的答案就是提高资源使用效率。与大自然相比,人类自愧不如。

克尔·波林
,伦敦可持续建筑设计研究机构Exploration主任。2011年,其著作《建筑设计中的仿生学》由RIBA出版社出版。

本文最初发表于伦敦
皇家艺术、制造和商业促进会RSA)出版的RSA Journal 2011年冬季卷。本站经授权使用。版权所有© RSA。

翻译:东峻

图片来源:Jürgen Matern 英国伊甸园项目聚合物仿生圆顶