荒漠植物形态研究与设计应用
2020-11-30陶玉东邱松
陶玉东 邱松
关键词:设计形态学;荒漠植物;拓扑学;汲水灌溉设施;工业设计
随着设计形态学的研究越来越成熟,形态的研究不仅仅只体现在视觉层面的装饰性和造型感,还直接反映了设计的功能与文化属性。植物几乎贯穿于整个地球生物进化史,经过30多亿年的进化,地球上现有30多万种植物,生物的每一种形态都充分反映了它适应环境的生存策略。荒漠是一个地理概念,通常是指降水量少而蒸发量极大的地区,荒漠在地球上分布范围极广,荒漠植物形态在面对特殊环境时仍能有效保证植物体的生存,因此荒漠植物能为人们提供广阔的研究空间,给予设计丰富的灵感。本文并不仅仅停留在对植物形态的简单模仿层面,而是从设计思维出发,对植物进行科学、理性的仿生形态研究。最终的成果不仅具有形式上的美感,更要对应用对象的功能改善有积极的促进作用,使得设计能够最高程度地体现研究成果。
1 荒漠植物形态分析
1.1 荒漠植物形态与适应性分析
1.1.1 研究对象选取
荒漠植物种类较多,形态丰富。在进行形态研究时,对研究对象的范围加以界定,在具体观察中,以观察营养器官根、茎、叶的外部形态和内部结构为主。荒漠地区气候极其干旱,年降水量少于250mm,蒸发量极大,光照强度大,昼夜温差大,常伴有大风,由于植物稀疏,土壤的形成过程主要受气候状况和母质的影响。在诸多环境因子中,对荒漠植物形态影响最直接是干旱、大风和沙质土壤等,而干旱又是植物首先面对的生存考验,因此文章选定荒漠植物的根系进行形态分析与研究。文章选取荒漠植物红砂,对其根系形态进行研究。红砂为常见强旱生荒漠植物,属于柽柳科红砂属小灌木,高10 ~ 70cm。生长于荒漠地区的山前冲积、洪积平原上和戈壁侵蚀面上,基质多为粗砾质戈壁,如图1。
1.1.2 形态观察
研究样本来自我国甘肃省境内,按降水梯度,在甘肃境内自东南向西北方向选取三个区域,分布为:兰州、武威、张掖,分别从兰州、武威、張掖地区采集研究样本A、B、C。兰州、武威、张掖年降水量分别在300 ~ 400mm、150 ~ 200mm、150mm左右,三地海拔均在1300 ~ 1600m 之间。获得根系样本后对根系进行拍照和三维扫描,将三维数据导入Rhino 计算机辅助软件,生成准确的三维计算机模型和直观的三视图,如图2。
1.2 红砂植物根系形态分析
1.2.1 直观观察
对红砂根系具体形态特征进行量化描述,包括主根横截面直径、根序①特征、根系连接②(叉间距)数量、平均连接长度、总根长等。如表1。
以A 样本为例,选择主根与主根相连的第一个次级根为观察对象,测定主根于分叉处(a 点)的直径与分叉后段直径(b点), 以及次根初始直径(c 点),以此类推测得d-h 点处的根直径,如图3。因根横截面为类正圆形,因此可以依据圆面积公式(1)得出横截面面积,结果如表2,发现a 点横截面面积Sa ≈ Sb + Sc,d 点横截面面积Sd ≈ Se + Sf,g 点横截面面积Sg ≈ Sh +Si,高级根在分生出低级根时,分叉处高级根横截面面积约等于与之相接的两段根初始横截面之和,符合Leonardo da Vinci 法则③。
1.2.2 拓扑分析
文章从拓扑学的角度切入,对红砂根系进行抽象化概括,并建立参考模型用于比对,结合荒漠植物对干旱环境的生存策略,对红砂根系各根须之间以及根须与主根的空间关系进行分析。植物学家Bouma、Fitter 提出两种用于描述植物根系形态的理想化极端分型,分别为鱼尾型和叉状型,如图4。两种根系拓扑模型,对两种极端根系进行了描述,根系两个相邻分叉点之间为一个连接,文章称其为内部连接(图5 中蓝点标注处),根系末端根尖分生组织到最近的分叉点之间为外部连接(图5 中红点标注处),鱼尾型分枝与叉状型分枝最大的区别是内部连接数量与外部连接数量的比值,鱼尾型分枝外部连接数量与内部连接数量相等,有且仅有一条包含最多内部连接的主根,而叉状型分枝则有若干个包含同样数量内部连接的根,选取其中一条根须作为主根,外部连接数量比主根上的内部连接数量要多一倍。引用拓扑指数T 对以上两种根型进行描述,设最长根系内部连接总数为x,根系外部连接总数为y,根据公式(2)求得鱼尾型根系拓扑指数T1 = 1,叉状型拓扑指数T2接近0.66,有研究表明T 值越接近0.5,则根型越接近叉状分枝。
分别对三株样本模型的外部连接与内部连接进行统计,并依据拓扑公式(2)求得各样本的拓扑指数T,结果如表3,样本A 拓扑指数TA 最大,更接近1, 样本C 拓扑指数Tc最小,更接近0.5,B 样本拓扑指数TB 介于两者之间,因此A 样本根系更接近于叉状型根系,C 样本更接近于鱼尾型根系。进一步分析样本根系几何空间构型规律,将每株样本不同序级根系分组并计算拓扑指数,如表4 所示,高根序等级根须几何关系的拓扑值较小,低根序的根须几何关系拓扑值大,表明在同一株红砂中,主根系空间关系接近叉状型,低级根系空间关系接近鱼尾型。
2 实验验证与分析
2.1 形态原理猜想
利用计算机辅助建模软件构建根系模型,预设根系内部连接和外部连接长度数值均为10,分别构建四组根系(命名为甲、乙、丙、丁对照组),每组根系包括一个鱼尾型根系与一个叉状型根系。甲组叉状型根系最长根系内部连接数量为3,外部连接数量为4,整个根系由7 段连接构成,用于比对的同组鱼尾型根系也由7 段连接构成,乙对照组相比于甲组每段末端根须再增加一对分枝,得到的叉状型根系由15 段连接构成,该组鱼尾型根系连接数也设定为15 段,以此类推,建立丙、丁对照组,参照图5。假设根系上任意点可从以该点为圆心、半径为10 的球体空间内吸收养分,则每段线形根连接可从以根为轴心、横截面半径为10 的圆柱体空间内吸收养分,线两端为端点,需要再在圆柱体空间两端增加半径为10 的半球体,构建出这段根可利用土壤的模型,依照此方法,分别为四个对照组的根系构建可利用土壤模型,如图5。利用计算机软件对8 个根系可利用土壤模型进行体积测算,测算结果见表5。测得各组根系可利用土壤体积,鱼尾状根比叉状根可利用土壤体积更大,当根系连接数为7 时,鱼尾状根在可利用土壤体积层面的优势并不明显,但随着根系连接数目的增加,鱼尾型根可利用的土壤体积增幅越来越大。
2.2 实验验证
本节通过实物实验对前文观点进行检验。
2.2.1 实验设计与实验材料
对叉状型根系的形体进行抽象概括,按照根系的拓扑结构,分别构建三个根系模型,所对应的最高根序级分别为3 级、4 级、5 级,包含的连接数分别为7 段、15 段、31 段,依据3 个叉状型根系模型的连接数量,再建立3 个鱼尾型根系抽象模型,连接数量与叉状型根系相同,通过3D 打印的方式将以上6 个模型制成实物。分别将连接数为7 的叉状型根和鱼尾型根编为一个对照组,序号为a,以此类推,再创建b 对照组(连接数为15)和c对照组(连接数为31)。实验工具包括量杯、计时器、膨润土④,量杯用来控制水量,计时器用来记录实验中清水渗入土壤所消耗的时间,膨润土用来掩埋模型并在实验过程中发挥吸水的作用,实验样本与工具见图6。在根系模型连接段设置均匀分布的小孔,孔直径为1mm,数量为每段30 个,模型的末端再增加4 个孔。当水分通过模型渗入膨润土后,膨润土会迅速凝结成块从而降低吸水性,附着于模型表面,阻碍模型内水分的流出。模型渗水速度与可利用的膨润土体积呈正相关关系。
2.2.2 实验过程与结果
将根系模型掩埋在膨润土中,待根系完全被膨润土掩埋,将水倒入漏斗,使用计时器记录所有水被灌入根系模型的时间,每组实验结果如表6,实验表明鱼尾状根可利用更多体积的土壤,随着根段数增加,渗水速度得到提升,说明鱼尾型根系比叉状根系利用土壤的效率高。红砂根系在进化历程中演化出了适应荒漠干旱环境的形态特征,经过观察和分析,得出以下结论:(1) 红砂根系形态遵循Leonardo da Vinci 法则;(2) 红砂根系在面对不同干旱程度环境时,根系具有明显可塑性,当干旱程度加剧时,根系生长受到抑制。红砂根系整体呈现叉状型根系特征,但随着干旱加剧,根系空间关系有向鱼尾型演化的趋势;(3) 红砂根系中高序级根之间呈现叉状型根系特征,低序级根之间呈现鱼尾型特征。
3 设计应用
3.1 设计应用对象选取
生物演化出的生存策略会直接影响其形态,形态也体现了生存需求,这一规律可与人的设计工作进行类比。设计应用需要充分体现文中的研究成果,同时应对设计问题的解决具有可借鉴性。应用对象的选取需要基于以下四项原则:(1) 选取对象所对应的人类需求与植物生存需求具有类比性;(2) 应用对象使用环境与植物生存环境有可类比性;(3) 应用对象的核心设计点应体现红砂根系形态规律;(4) 设计方案基于现有技术能够做到逻辑自洽。最终选取雨水收集/ 灌溉设施作为设计应用对象,原因如下:(1) 雨水收集/ 灌溉设施需要高效地从土壤中获取水分,植物高效利用土壤水分相类似;(2) 设施可解决干旱地区的生产及生活问题;(3) 基于红砂根系分析出的根系几何空间规律对于应用对象的地下管道排布具有借鉴意义;(4) 设备所涉及技术是成熟的,设计应用将基于现有技术提出更有效的解决思路。
3.2 设计应用表达与说明
3.2.1 设计发散
初期设计方案通过草图的形式进行形态推敲获得方案A 和B,并选择B 方案进行深入表达,通过Rhino 软件完成模型搭建,制作详细、直观的高保真效果图(见图7)。
3.2.2 设计说明
红砂根系形态规律可应用于吸水/ 灌溉部件的空间分布上。假设储水仓对应的是根系主根,四周排布的管道对应的则是高序级根系,与储水仓呈叉状结构分布,沙土中的末端管道之间则保持鱼尾型根系分布,这种空间关系可以同时保证设备覆盖的广度和高土壤利用率。集水/ 灌溉部件管道的横截面则符合Leonardo da Vinci 法则,这種横截面面积比例关系可以保证水分输送的通畅。
吸水部件由环境响应型吸水树脂构成,这种材料具有极好的吸/ 贮水特性,单位重量材料可吸收百倍重量的水,受压时水分不易溢出;灌溉部件和储水仓由微晶玻璃制成,微晶玻璃可由风积沙烧结而成,强度高、不吸水、抗腐蚀性强,可有效构成灌溉管道。储水仓顶部为太阳能发电板,为设备提供电能。建造顺序:(1) 建造机器人利用穿透性射线聚焦烧结沙子,通过3D 打印方式完成地表储水仓的建造;(2) 将集水部件铺设在地表,并组装太阳能发电板;(3) 利用多台建造机器人完成浅沙层中灌溉部件的射线聚焦烧结工作,完成铺设,见图8。储水箱由地上和地下部分构成,地上部分用来储存液态水,并供给灌溉部件水分,地下部分接收吸水部件输送的水分。吸水单元吸收雨水后,水分被与储水罐相连的超声波雾化模块雾化,汽化后的水分被输送到储水罐中重新液化,完成水分采集。吸水、灌溉部件几何分布呈现叉状分枝几何特点,随与储水仓距离的加大,逐渐呈现鱼尾状分布特点。灌溉部件表面分布均匀的微孔,可通过滴灌方式保证浅层沙层的湿润,完成灌溉工作,如图9。
4 结论
本文对荒漠植物进行形态观察与研究,将形态研究成果应用于设计对象,以体现研究成果的现实意义。本文依据拓扑学方法对红砂根系进行几何描述,利用软件计算不同生境下红砂根系样本的拓扑指数,并计算等根长的情况下不同几何结构根系对于土壤的利用效率,从而得出根系形态与土壤利用率之间的关系,并依据不同形态的根系制作实物模型,进行实验验证。取得结果后,结合人的设计需求建立筛选准则,进行应用对象的选取,选出设计应用对象对研究成果进行体现与检验,说明利用拓扑学对植物形态描述并得出相应结论指导应用设计的思路与方法是切实可行的,对理性探索形态之于设计的功能作用具有积极有效的指导作用。