基于仿生原理的“生态窗”设计探索

席翠玉

（天津体育学院 运动与文化艺术学院，天津 301901）

一、研究背景

当前，建筑物内部依靠机械通风系统来调节室温并保持空气畅通已成为中国北方地区人居环境的重要组成部分。然而，这必然会对人们的身体健康及社会生态的可持续发展带来威胁。首先，由于夏季的高温炎热，很多建筑物内部依靠空调降温，长期居住在空调房里必然会令人感到不适；尤其在冷空气过境的冬季，人们采用热力供暖的方式来保证室内温度，这定会导致愈加封闭的建筑物内其空气变得干燥和污浊，不利于人们的身体健康。其次，我国人均能源不足的压力亟待缓解。大面积的空调使用必然消耗大量的电力能源，而我国的电力能源大多是通过燃烧化石燃料获得的。因此，不管是空调制冷，抑或是热力供暖，实际上是间接消耗了煤炭和天然气资源。也就是说，人们足不出户就导致了大气中碳排放量的增加。由以上分析得出，减少化石燃料的消耗就是减少大气污染，这是寻求生态可持续发展必须解决的问题。

在这样的背景下，伴随着生态学与设计学的交叉融合，国内外设计师进行着以生态学为理论基础的室内设计探索，力图从设计实践层面为人们的身体健康及生态的可持续发展探寻可行之路。目前，我国室内设计仿生学设计多数为模拟生物造型特征而进行的研究设计，如江南大学师生采用几何曲线原理与黄金分割法则，设计了系列服装（沈雷，孟庆慧，2018），或将“仿生元素”导入展示空间课程训练（温玲，2018），用以拓展学生的造型设计思维。此外，钱皓（2018）重点梳理了仿生设计流程，总结了仿生设计程序及其实现的关键步骤。另有张俊杰、张乘风（2018）总结了仿生设计元素的构成形式，更多的是从形态、功能、结构材料和肌理等方面探讨仿生设计在现代室内空间中的运用。从以上文献中可以看出，当前国内仿生设计研究更多地强调模拟生物造型、结构、外观审美等要素来进行产品外观设计，而通过模拟生物自身功能特性和生物原理来进行仿生设计的案例寥寥无几。

二、研究问题与目标

从前面的探讨可以得出，人们的身体健康及生态的可持续发展是本文关注的焦点问题。具体来看，本研究要解决的问题实际上是在减少自然资源消耗的前提下，缓解人们长时期停留在一个相对封闭的空间内所产生的不适感。

>图1 蜂巢单元结构俯视图

>图2 蜂巢单元结构侧视图

>图3 蜂巢单元结构轴测图

因此，研究试图从特定的自然生物系统中寻找突破点，通过观察分析其形式、材料、结构、过程、功能等来模拟设计，从而创建最优的方案来解决室内生态设计中的舒适温度调节问题。长远来看，这解决了人们的身体健康及生态的可持续发展问题。具体来讲，本文通过对生物系统中人类的鼻腔结构、蜜蜂的蜂巢、热带地区的仙人掌植物以及北极地区的北极熊进行分析梳理，将探索设计令室内空间自然通风，具有夏季降温、冬季加温功能的“生态窗”模型。

三、仿生学原理与设计方法

仿生学原理研究的是自然界各种生物的运行规律，从而模拟具有使用价值的自然系统。从目的性看，仿生设计的目的是适当地整合资源、合理利用资源、避免资源浪费。今天，环境设计及产品设计中的仿生学运用有助于设计师创造出更具可持续性、高性能的新产品，进而达到更少资源消耗的初衷。

目前，仿生学设计在室内与家具设计等领域的运用可以归纳为两种方法：“模拟生物元素”和“模拟生物原理”。就“模拟生物元素”而言，对相关生物系统进行科学分析是不可避免的，因此这种方式需要生物学家和设计师双方合作完成，显然，该方法并不适用于本研究。而对于“模拟生物原理”这一设计方法来说，实际上是设计师为了解决设计中的某个问题，先去探索自然界中能够解决同样问题的生物的行为、结构、形式及功能等，再根据这些研究分析结果来创造或重构一种新的产品或生态系统，从而获得最终的解决方案。这里所提到的创建过程一般建立在生物学家已有的研究成果之上，因此在对生物学家的实时依赖程度上相对较弱，设计过程中可不必与生物学家同时进行。本文将采用“模拟生物原理”方法。

具体到仿生学设计视角，设计师在运用“模拟生物原理”方法的同时可从三个角度入手进行仿生设计：一是物理模拟，即设计是建立在对某生物的物质成分、外观造型及物质结构特点的精通上；二是功能模拟，即设计过程模拟的是该生物的工作原理或工作程序；最后一个视角是生态系统模拟，强调生态系统的整体性。对于生态室内设计来说，现有的生态系统模拟视角研究文献关注的是室内空间内部的能量流和物质循环。以上是仿生学设计的三种视角，而就目前来看，大多数的设计案例会涉及到形式、结构及物质成分，另有一部分案例与生物功能相关。然而，从生态系统角度进行仿生的设计案例则屈指可数。为了弥补该领域的研究空白，本研究试图从生态系统角度进行仿生设计探讨。

确定了所选择的设计视角后，科学的设计方法无疑是良好的仿生设计方案的支撑。根据自上而下的仿生学方法论（El-Zeiny，2012），本文所提出的“生态窗”的研究设计步骤可按如下程序进行：1.提出问题；2.寻找可模拟生物；3.分析生物工作原理；4.从生物模型中提炼所需功能；5.分析相关数据；6.提出解决方案；7.测试、反馈。当然，本文在具体实施时根据项目需求作了适当调整。

四、“生态窗”方案设计探索

（一）寻找可模拟的自然结构

自然生物结构的优点是以最少的材料成本获得最佳的效率。如爬行动物普遍呈现出曲线造型，这是因为曲线可减少外部环境的阻力，提高爬行效率。仿生学设计可以将最佳结构应用于建筑、室内产品和家具设计（Ismail &Attia，2004），常见的自然界最佳结构形式如：兼具稳定性和灵活性的通过节点连接而成的网状结构；受力性能和强度较佳的交叉和平行链接结构（如鸟巢主体结构）；具有曲线造型特征，与中国古建中斗拱的力学原理相同的曲率结构；能保持材质质量较轻，在平坦表面附加褶皱的褶皱结构（如植物叶片的叶脉组织、昆虫的翅膀、棕榈树的叶子）；具有特定形状重复规律的迭代结构；基于黄金分割比率的黄金分割螺旋结构（广泛存在于向日葵花朵、贝壳、蜗牛壳、多肉植物等生物体）等。

基于本文前面提出的研究目标，在比较与分析后，蜂窝结构（Montagu，Configurations，Deflection，Technologies，1993）形式原理在文中被采用。正六边形的蜂巢可以使用最少的材料构成最大的使用空间。蜜蜂在建设蜂巢时为了防止蜂蜜溢流，每个蜂房从内室底部到外部均为13°上仰角度。蜂窝结构具有良好的通风散热性，这是因为如果角度合理，可以有效避免阳光直射造成的温度上升。目前蜂窝结构广泛应用于LED散热、建筑散热材料的开发等。

（二）寻找可自调整热系统的有机体

为了创建最优方案来解决室内设计中舒适温度调节的问题，在进行了大量的建立在生物学家研究成果之上的探索之后，确定利用以下具有自调节热系统的有机体进行方案设计。

首先是人类的鼻腔结构。人类鼻腔有两个外部开口，内部是较长的鼻腔通道，内壁附着粘膜、纤毛和毛细血管等组织。在呼吸过程中，鼻腔内壁的粘膜可以分泌粘性物质将从外部吸入的空气进行湿度调节。当外部空气温度较高时，粘膜可以适度冷却空气；反之，鼻腔内壁的毛细血管可辅助升高空气的温度。此外，外部空气进入鼻腔后，内壁的纤毛结构会阻隔一部分空气中的微粒，起到净化空气的作用。

其次，阿塔卡马沙漠中的仙人掌热处理原理（Mooney，Gulmon，Weisser，2017）在设计中将得到应用。生活在干旱地区的仙人掌与太阳的方向有紧密关系，植物的生长方向使其表面大部分只接收到极低角度的高强度正午太阳直射。需要强调的是，其表面附着的白色类似蜡状的涂层可以吸收雾和露水，起到较好的反射作用，而表皮下的温度由于蒸发冷却则会快速下降。

>图4 窗体轴测图

>图5 窗体侧视图

>图6 窗体俯视图

可降低或提高自身温度的生物有机体。生物有机体降低外部环境温度的方式包括蒸发冷却（如仙人掌植物的表面）和避免阳光直射（如蜂窝结构利用合理角度避免阳光直射）。例如，热带地区的植物叶片表面长满了绒毛状物质，从而减少阳光直射在植物表面；阿塔卡马沙漠中的仙人掌叶片能根据太阳方向调整自身角度并利用其表面的刺状物，有效避免阳光直射到植物表面。另一方面，生物有机体提高自身内部温度的方式主要是将光线转变为热量（如北极熊的皮毛），能够将有限的阳光转化为热量并传递到身体内部，从而保持体内温度。

（三）从生物模型中提炼并分析其适用性

通过分析生物工作原理，结合本文的研究目标，本设计方案在自然结构造型上尝试模拟蜂窝结构，使用物理方式降温。在有机体选择上，模拟的是人类鼻腔结构。具体实施中需要先设计一个蜂巢结构单元，蜂巢单元内壁表面附着一层仙人掌表层提取物，同时内置特定长度的动物纤毛。此结构使室外空气在穿过通道的过程中发生温度变化，从而影响室内温度。考虑到中国北方冬夏两季温差较大，冬季需要密闭保暖，夏季需要遮阴通风，在蜂巢单元两侧增加可以调整开合角度的小门。（图1—3）

（四）设计“生态窗”方案

本文的“生态窗”方案更适合中国大陆北方地区。炎热多雨的夏季为利用仙人掌表面蜡质涂层物通过蒸发水分达到降温提供了天然条件；而干燥严寒的冬季则需要较密闭的窗户，双层密闭的通道内部可将阳光转化为热量提高室内温度（图4—6）。具体工作原理如下：

夏季，将每个蜂巢单元的开合结构打开，打开的角度可人为设定。例如，开合结构与窗体接近垂直角度，可有效地遮蔽阳光。蜂巢内部表面的仙人掌提取物可以凝结空气中的水气并蒸发冷却，从而降低室内温度，并保证合理的空气流通。

冬季，可关闭蜂巢单元的开合结构，其内部的纤毛可以吸收微弱的阳光并转化为热量，提高室内温度。同时，封闭的蜂巢结构可以有效隔绝冷空气，达到保温效果。用户可以打开一些蜂巢结构，为室内通风。

五、结论

本研究为模拟生物有机体功能原理进行整体设计提供了较为科学的程序和方法参考。本文中设计的“生态窗”方案具备以下功能：夏季反射强光增加遮阳效果，利用仙人掌冷却原理降低室内温度；冬季吸收太阳光以提高室内温度。因此，“生态窗”设计方案有助于解决室内温度调节问题，可降低人均能源消耗量，是有利于生态环境的绿色设计。仿生学设计的目的是在规划设计产品时模拟和整合生物的自然系统，以降低能源消耗、材料浪费和环境污染，其有助于设计出符合生态可持续发展的产品，并使人类和自然的联系更加紧密。优秀的设计师应该避免形式主义的设计目的，并通过良好的仿生设计鼓励人们对自然环境产生更新的感受。基于生态系统模拟视角的仿生设计为我们未来的建筑设计、景观设计、室内设计等领域提供了新的灵感来源，而不再局限于生物结构和外观模拟。

六、研究的局限性和今后研究的方向

尽管如此，该研究也存在不足之处。该“生态窗”的设计考虑到中国北方的大风等天气特点，使用了玻璃、木材或竹子制作主要结构。除此以外，还使用了仙人掌表面蜡质提取物、细的绒毛纤维、动物纤毛等物质。其中仙人掌表面蜡质提取物和纤毛、纤维均为有机材料，不会对环境造成威胁。玻璃材料也是可以回收的，这一过程也会产生污染。笔者曾考虑过使用有机材料来代替木竹材料来制作生态窗的主体结构，比如烧制陶器的专用黏土等。但遗憾的是，由于中国北方春季的大风天气对材料的强度要求较高未能实现。另一方面，竹结构或者木结构显然不会对环境造成压力，但会提高“生态窗”的制作成本，不利于大范围推广。最后，本方案目前仍处于理论探索阶段，因此除了以上提到的不足之处需要得到解决，下一步的研究需要对设计方案进行验证与评价。