危机中的转变：基于生态材料的产品设计与方法

2019-06-22宋佳珈张弛

设计 2019年9期

宋佳珈　张弛

摘要：由于人口与消费的不断增长，导致材料的消耗量与日俱增，同时伴随着传统化石能源的紧缺与枯竭问题。在发展、增长与资源枯竭的矛盾中，人们开始转变材料的使用方式，探索材料使用的新模式与方式，其中包括寻找新型材料和替代性材料。从垃圾成为原材料、自然资产与微生物的潜能、科技發展与生态材料三个方面进行举例分析并讨论基于生态材料的产品设计方法和流程。获得生态材料的产品设计的研究现状及方法。为可持续生态产品的设计提供一种基于材料的创新设计思路，引导设计师们在面对复杂的自然生态与社会问题时，进行反思，并为生态可持续的产品设计提供参考。

关键词：生态材料产品设计可持续发展社会创新

中图分类号：TU986

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2019）05-0076-03

Abstract：The constant increase of population and consumption，the consumption of materials is growing as well.At the same time，the exhaustion of traditional fossil fuels is aggravating.In the contradiction between development and resource depletion，people began to explore new ways of using materials，including new materials and alternatives.examples on the following three issues will be given and discussed：garbage s conversion into raw material，the potential of natural resource and micro creature，and scientific development and ecological materials.This paper has raised the research status and methods of ecological material product design.this paper has provided an innovative design idea based on materials，for the design of sustainable ecological products.This idea can be a reference to designers on how to design environmentally sustainable products under complicated natural and social circumstances.

Keywords：Bio material Product Design Sustainable development Social innovation

引言

人类发展的历史和材料发展的历史关系密不可分。材料是人类可以使用并制作有用的构件、器件或物品的物质。材料的发展标志着社会的进步，比如石器首次进入人类历史并被广泛使用的时期被称为“石器时代”，相似的还有“青铜时代”和“铁器时代”等。可以说，人类发展的过程中伴随着对材料的认识、制造和使用”[1]。

在第一次工业革命以来的两百多年中，人类创造了前人无法想象的物质世界的辉煌，快速发展的代价是地球上的资源大肆被消耗。自20世纪50年代起，塑料材质被广泛应用，人造和合成材料在产品领域中逐渐占据主导地位。1972年一项令人绝望的美国研究预测，地球上的食物和资源被最终被人类耗尽，并将在2050年左右变得无法生存。人类社会快速发展以也打破了地球上原本完美的生态系统为代价，科技、发展的速度之快超过了我们的想象，甚至已经渐渐露出失控之态。人类对材料的开发与使用如同一把双刃剑，帮助我们走向繁荣，也将会有可能使我们走向毁灭。

但这并不意味着我们无药可救了。冰岛政府在1973年国内爆发石油危机之后就看到了这一危机，并开始采取相应的举措。目前33万人口的冰岛，87%的能源是可再生的，其中，69%为地热能，18%为水电能，石油能源则占11%，煤炭仅占2%。[2]冰岛人在将近半个世纪之前的忧虑，如今成为全世界能源材料过渡主，义者们的关切。近些年以来，许多应对材料危机的方案在全球各地涌现，这些革命性的举措正是人类持续发展的希望。

一、重新思考材料的可持续性

人们往往在劫难之后开始进行反思。包豪斯出现在一战之后。那时，物质条件匮乏，包豪斯的设计先驱们为保证产品的基本使用功能、提高生产效率，以提供并生产大多数人生活的基本产品，做出了去除装饰化的选择。今天，我们开始从材料这一产品造物基础的角度反思如何从根本上实现设计的可持续性？关于可持续性，人们普遍接受的定义是布伦特兰委员会1987年提出的：可持续使用和发展是指既满足当代人的需求，又不损害后代人满足自身需求的能力。简而言之，可持续性就是指：当下不要做有损未来的事情。唯物辩证法告诉我们，事物之间普遍存在联系。因此，这在进行有效设计时我们必须充分考虑这些联系并且将充分利用这些联系[3]。

因此，在进入21世纪之后，生态材料成为材料科学中重要的研究方向。而这里的生态材料，不仅指自然界原来就有的并且基本不加工就可直接使用的材料，同时，近年来，生态材料被认为是人类保护生存环境，实现材料工业可持续发展的有效途径，成为当前国内外多学科交叉研究领域的新热点。

（一）当垃圾成为原材料

生态学家和环保主义者总是劝说我们要减少消耗和使用。然而，我们希望获得一种完整的综合性的方法，通过产品创新和系统设计，可以在不改变现有生活方式的前提下，获得解决方案。路径之一是从回收的废物与垃圾中获得新材料。除了环境效益之外，这些创新也标志着我们与材料的关系发生了转变，即从单一的线性废品丢弃模式转变为具有周期性的、可持续循环的模式。传统的原料有限且价格相对昂贵，而废物与垃圾则是丰富且廉价的。设计师、品牌方和制造商纷纷将将注意力转向了我们家庭的垃圾和工业废料，研究如何从工业、生活废物和垃圾场中收集替代性的产品原料，并将他们创新转变为新原料。这一举措正引领我们迈向未来，“浪费应该根本不存在，浪费是一种资源”[4]。

同时，设计师和科学家们开始跨学科合作，重新评估排泄物和生物垃圾，改造投入低而价值大的材料。他们不仅试图使用这部分材料创造功能性产品，还能希望将其转换为能源。排泄物就是最好的例子。在米兰的粪便博物馆中，我们可以看到沼气池、从排泄物中提取制成的生物纺织品、甚至是用此材料制作的建筑用砖。采用一些创新的方式来使用排泄物这种完全可再生的原材料其优势显而易见，即便是废弃之后也还可以直接被投放至土壤之间，增加土壤中的養分。又如英国设计团队Swine的设计作品（如图1）“海洋之椅”（Sea Chair），将出海捕捞中获得的塑料垃圾通过简单的热熔与海水冷却的加工办法，获得到了一把再生的家居产品。诸如此类的废旧材料再设计的创新案例还有很多。

（二）自然资产与微生物的潜能

当前，人们追求更好的产品品质和更健康的产品，天然材料和有机材料再次成为“奢侈”设计的组成部分，并且成为品质优良的标志。设计师和制造商们也正在重新审视地球上曾经被遗忘的自然资产，并重新评估普遍存在的原材料，如海带、藻类、菌群和微生物的价值，以此开发新型有机材料。在一项来自“WeiBensee Kunsthochshcule Berlin”（柏林设计艺术学院）的设计研究中，（如图2）“Baumpliz”（树菌）利用切片、打碎重组等产品加工技术手段最终在树菌中得到可代替皮革的天然材料。（如图3）“MYCELIUM+TIMBER”则是来自英国创新设计师Sebastian Cox的研究，她模仿自然界蘑菇菌丝的生长方式，培育菌群使其在碎木屑中生长，一周就可得到一块比木头硬度还强的天然材料。

为了更好地平衡能源与材料的关系，许多设计师不再创造新的材料产业，转而在现有的农业和耕作上下功夫，他们正在努力使现有的系统，这一系统更加经济、环保和健全。由此，设计师们迈向了未来的循环农业、零浪费和100%资源优化的产业中，他们可以参与构建一个与自然生态和谐共处的创新材料系统，并建立生态与材料的共生关系，而不是寄生关系。

（三）科技发展与生态材料

在人类第一次工业革命当中，水和蒸汽动力推行制造技术的发展;第二次工业革命则是大规模的电力技术;第三次工业革命是使用信息技术实现自动化的过程;现在我们正处于工业的第四次革命当中，新老技术的融合与迭代，模糊了物理、数字、生物技术和设计之间的界限。新兴技术包括：人工智能、纳米技术、生物材料和基因工程等，众多交叉学科和新兴学科在其中孕育而生。正如历史学家弗雷德里·梯加特（Frederic Teggart）所说，“人类所取得的伟大进步不仅来自各种完全不同观念的聚集，还得益于某种类型活动的出现，这些智力活动来自不同体系之间的对立斗争”。设计师也参与其中，并成为连接各学科的纽带。（如图4）“BioLogic”是来自麻省理工媒体实验室（MIT Media Lab）的最新研究成果。这项研究利用“纳豆枯草芽孢杆菌”制作而成的特殊面料，是一款环境相应型面料，可以感知周围的湿度、温度变化，进而做出自我形变和调节，就像是变色龙和含羞草一样。我们可以想象一下，未来的建筑和服装可以通过调节形态而节省整体能源的消耗。

这些新的技术已经从实验室中逐步向现在的工业世界渗透，同时，在数字制造的工具领域中取得了巨大的进步。越来越多的数字建造技术（如3D打印等）开始走近我们的日常生活，以个人工作室和家庭为单位的制造场所，正在改变传统的制造与分销方式。设计师、科学家、艺术家、制造商们集结并利用群体的智慧来解决当下的社会问题，重新回归设计在包豪斯时期的使命与角色，即“Design with the people”，并正在使用新材料和新制造方式来推动社会创新。[5]

二、生态材料与产品设计

（一）生态材料的概念

东京大学的山本良一教授长期致力于材料与环境之间的关系。他在1992年首次提出了生态材料（Ecomaterials）的概念，并指出生态材料是指“那些具有较低环境负荷和较大再生率的材料。”[6]生态材料被定义为在整个生命周期中促进环境改善的材料，同时对环境负责任。生态材料在材料科学和技术中发挥着关键作用，以最大限度减少对环境的影响，提高材料的可回收性、提高能源和材料效率为主要目标。在北美和欧洲，这种材料通常被称为“环保友好材料”（environmentally-friendly materials）或“环保材料”（environmentally preferable materials）。生态材料本身不是一种新材料，但随着科学和技术的不断发展，当下符合生态材料定义的新材料与使用这类新材料进行的产品设计作品越来越多。生态材料与传统材料的不同之处在于，它赋予了传统的结构材料或功能材料以优异的环境协调性以及净化、修复等功能。由此可见，生态材料具有三个明显的特征：1.良好的使用性能;2.具有较高的资源利用率;3.对生态环境无副作用或对环境影响甚小。[7]

生态材料与基于生态材料的产品设计对于生态环境保护具有重要战略意义，同时也是目前世界各国纷纷不断尝试的一种可持续发展的策略之一。

（二）基于生态材料的产品设计

基于生态材料的产品设计是将生态和设计的有机统一。通过生态材料的输入，遵循共赢与多样性的设计原则，产出对人类生存环境无害的设计，或者是可以减少或降低对环境影响的设计。这类设计最终将改变大众的生产和消费模式，最大限度地提高资源利用率，尽量减少或防止垃圾的产生，实现有效保护环境和人类生命健康的目标。基于生态材料的产品设计除了需要遵循产品设计的基本原则之外，还要遵循以下两种生态的产品设计原则。

1.共赢原则。共赢是指人类赖以生存的自然生态环境与满足人类生活及日常使用的需求两方面兼顾。共赢的设计原则即在设计方案阶段不断平衡两者的关系，最终得出双赢的设计结果。这也符合可持续发展的根本理念，即在不断提高人们生活质量的同时，达到逐渐减少消耗能源的目的。

2.多样性原则。多样性的原则，既是自然生态系统运行的原则，也是生态产品设计的原则。多样性是一种弹性策略，因为它允许采用多种解决方案和方式，解决同一挑战或是对同一挑战做出回应。一个多样化的社会抵御自然灾害、恶劣的生长期、经济困境或文化危机的能力都会更强。在解决满足一种人类需求时，采用多途径、多解决方案的策略，能够避免产生对某种材料或能源的过分依赖。

基于生态材料的产品设计是可持续产品设计的一种方式和策略。设计原则也要遵循自然的运行方式，需要倚重生态学和材料学理论来分析系统内部各元素的特性与潜在关联，并将他们转为实际可以应用的准则。如在生态产品设计中，每一个环节存在的目的都是要对整个生态系统作出贡献，生态产品中的每个设计元素或者环节，都从需求、材料、加工、产出、使用、废弃等方面进行仔细分析。如制造与塑料具有同种性能的材料，石油化工原料并不是唯一的方案。英国设计师Suzanne Lee（如图5）早在十年前就从红茶发酵的菌群中培育出来的生物材料，并可用于服装服饰产品设计;最近有关于使用食用淀粉、糖浆、甘油等材料混合出一个Bio Plastic（有机塑料），且硬度和韧性都丝毫不比塑料逊色;（如图6）柏林设计师Juni Sun Neyenhuys，多年来对海藻和海带进行的设计与研究，不但可以从中提取海藻中的色素用于印染，也可以通过简单的干燥、模块化插接结构的设计加工，得到一种代替人工合成橡胶材料的代替品，并具有PVC、人工合成橡胶等材料相同的材料特性。

在基于生态材料的产品设计中，我们看到了产品的可持续性，产品输出时满足可减少、无害和节能三大特点，最终达成最大限度的提高资源利用率以及尽量减少或防治垃圾的产生，实现有效保护环境和人类生命健康的目标的产品设计。整体流程正如（如图7）所示，生态材料在输入阶段遵循共赢和多样性的设计原则，产生具有减少、无害和节能三大特点的产品。生态材料研究不仅仅是关于造物基础材料的单纯探讨与尝试，更是践行了产品从“摇篮到摇篮”的设计原则。一方面需要关注新型可持续材料的原料来源，另一方面则需要关注材料在产品制造过程和产品生命周期结束后的可持续性。

总结

共赢与多样性也是大自然运行的关键原则。该原则不仅适用于设计领域，同样适用于能源、经济和农业生产中。能源的多样性，不仅保证了我们生活的基本需求，也给我们提供了更多的选择。正如维克多·帕帕奈克所说，“主要的挑战已经不再是商品的生产。而是说，必须要做出选择，处理多好？而不是多少的问题。”[8]因此，我们需要重新思考设计与社会的关系。我们正处于材料革命发生的边缘，这可能有助重新平衡人类与地球的关系，并重塑社会。在可预见的未来，我们必然会找到一种更好的、更智能的、更具有周期性的方法，取代目前线性的“制造-丢弃”产品关系。生态的、可持续的产品设计既离不开生态材料的设计，也离不开跨学科的合作，同时还坚持共赢与多样性的设计原则。系统研究和深入探索可持续材料在产品设计中的运用，应当遵循森林生产的方式，倚重生态学、材料学理论和新技术等交叉学科研究方法，分析可持续产品设计的系统内部各元素间的特性与潜在关联，从需求、产出、特性等方面对可持续材料的各个产品设计环节进行仔细且全面的分析，并将其转为实际且可以应用的可持续材料设计准则，将产品设计中的可持续材料研究方法融入在可持续评估标准体系中，产出真正行之有效的方法论与研究模型。

基金项目：北京市创新团队IDHT20180511项目;北京服装学院高水平教师队伍建设新进青年教师启动计划BIFTXJ201804项目。

参考文献

[1]郭秀荣，杜丹丰.材料工艺与创新设计[M].南京：江苏凤凰科学技术出版社，2014：8-9.

[2]（法）席里尔`迪翁.人类的明天[M].北京：北京联合出版公司出版发行，2018：98-108.

[3]（美）Nathan Shedroff，刘新译.设计反思：可持续设计策略与实践[M].北京：清华大学出版社，2011：6-20.

[4]（英）Kate Franklin & Caroline Till，Radical Matter Rethinking materials for a sustainable future[M].英国：Thames&Hudson，2018：12-42.

[5]许平.设计真言：西方现代设计思想经典文選[M].南京：江苏美术出版社，2010：844 865.

[6]孙胜龙，环境材料[M].北京：化学工业出版社，2002：22.

[7]苏大根、钟明峰编著，材料生态设计[M].北京：化学工业出版社，2007：11.

[8]（美）维克多帕帕奈克，周博译，为真实世界的设计.[M]北京：中信出版社，2013：290-345.

[9]许媛媛，张颖，胡领.基于生态美学的城市居住环境问题及解决措施研究[J].设计，2016，29（13）：22-23.

[10]杨飞飞.新媒体艺术对数字生态城市理念的传播[D]设计，2016，29（15）：80-81.