基于生物行为的城市节庆交通空间优化——以巴特莱特建筑学院仿生学方向的硕士培养为例

万之源 | Wan Zhiyuan

杨云迪 | Yang Yundi

伦敦大学学院（University College London，UCL）巴特莱特建筑学院（The Bartlett School of Architecture）有建筑学、城市设计、风景园林、设计管理4个专业，笔者是2018—2019 学年度的城市设计专业硕士生，该专业有基于仿生学、分体学、大数据、虚拟现实、气象学、数字媒体的城市设计6个研究方向。兼任该学院城市形态发生实验室（Urban Morphogenesis Lab）主任的克劳迪娅·帕斯奎罗（Claudia Pasquero）领导了其中的第16城市设计研究工作室，团队分为3个小组，每组3～4人，分别以多头绒泡菌、蜘蛛和结晶盐的性质及形态衍化为出发点进行基于仿生学的城市设计探究，本文将以多头绒泡菌为例阐述其介入城市设计专业硕士教育的思想、方法与过程。

1 仿生学的理论简述

仿生学（Bionics）一词来源于希腊语的“bios”，有自然、生命的意思，是一门从技术可用性的角度研究生物有机体的机制和功能的应用科学①。仿生学的发展和应用由来已久，如一战中的德国潜水艇气阀便是受到鱼鳔的启示，雷达则受益于蝙蝠回声定位的启发等，其于1960年由美国军医杰克·斯蒂尔（Jack E.Steele）正式定名②。在建筑领域，美国建筑师巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller）受蜂窝的棱形结构启发，在蒙特利尔世博会（1967）的美国馆的设计中采用了球形构架结构（Geodesic Dome）③（图1）。还有学者通过研究白蚁穴的内部空间结构，以寻求建筑空间的通达性与通风问题④，通过研究蜘蛛的结网过程与形态，试图创造出稳定性高的悬索结构桥梁等⑤。城市设计作为一门人居环境营造技术也可借鉴某些生物有机体的机制和功能为我所用，并从规划设计思想和方法视角启发人居环境营造，而克劳迪娅便是当代仿生学介入城市设计的重要学者之一，其从2006年开始探寻生物与城市的关系，并在2010年相继出版《世界海洋生物孵化器—迪拜》（The World Dubai Marine Life Incubators）和《系统建筑学》（Systemic Architecture）两本著作，前者介绍了生物培育与样本观察经验对迪拜城市空间流畅性的营造⑥，后者则是研究生物的习性与制品在城市设计中的应用⑦。

图1 球形构架

为探寻仿生学对于城市设计的意义与应用价值，克劳迪娅布置研究生进行生物行为习性的实验与观察，冀望与城市设计产生类比求同，汲优补缺的认识。观察实验是以一种具有生长智慧的真核菌类—多头绒泡菌（Physarum Polycephalum）为蓝本开始的。

2 生物行为实验

多头绒泡菌是一种古老的具有负趋光性（Nagative phototaxis）且介于原生动物（Protozoa）和真菌（Fungus）之间的微生物⑧。其与原生动物有相似的进食行为，主要以小型菌类和其他有机颗粒为食；依靠孢子囊中释放的游离态孢子进行繁殖，且为增强组织韧性和附着性可产生类似植物和真菌的细胞壁⑨。另外，在暗箱中，该菌落的生长环境单纯，生长速度快，可控性强，培育花费的时间适合学生的学习尺度，其观察也具有可知可感且连续的特征，故而成为一种极佳的城市仿生模拟教育的菌种⑩。

克劳迪娅带领大家首先进行多头绒泡菌的培育与观察。菌落对生长环境要求苛刻，故需严格按照其培育标准施行⑪。其培育过程有制备培养基、菌落投放、营养物质制备与添加4步（图2）；生长观察则因多头绒泡菌厌光，故需利用暗房延时摄影完成（图3）。

图2 黏菌培育工具（杨云迪摄）

图3 实验观测器具

采用浓度2%的琼脂溶液作培养基，从母培养基上切下多片菌落植入培养基，每日三次用镊子向菌落中心投放麦片颗粒或用注射器注射稀释的燕麦片粥，以维持其生长发育⑫。

在菌落成功培育的过程中，生物行为观察得以开展。克劳迪娅安排了菌落自由扩散行为和菌落避障行为两个实验。

（1）菌落自由扩散行为实验

将菌落和饵食分散放置在培养皿各处，观察记录菌落由小到大的蔓延式扩张过程，以及不同菌群触碰后的营养传输网的形成与扩散轨迹。经延时拍摄观测：单菌落或多菌落在吸引点（饵食放置点）有序排列下的生长轨迹（图4～5）；多菌落在吸引点无序排列下的平面及曲面生长轨迹（图6～7）。以此类比人居环境在受资源吸引条件下由聚落—城市—城市群的发轫、扩展、蔓延与联络的过程。

图4 有序单点扩散（拍摄间隔8h）

图5 有序多点扩散（拍摄间隔8h）

图6 平面乱序多点扩散（拍摄间隔8h）

（2）菌落避障行为实验

以10cm见方的薄玻璃板上用无痕胶固定PVC板制备的迷宫作为培养基，将菌胚植入迷宫入口处，延时拍摄观察多菌落的生长轨迹。该实验需按饵食密度分为4组对照进行，仅有一组在64小时内爬离迷宫（图8），其余3组皆因饵食过于稀疏分散，养分短缺而死亡。以此类比人类聚居环境在受河流、山脉等限制与受资源吸引条件下，其生长发育的过程。

图7 曲面乱序多点扩散（拍摄间隔8h）

图8 黏菌走迷宫（拍摄间隔8h）

上述两个实验产生了以下观察结论：在自由扩散行为实验中，因饵食点分布较为均匀，菌落生长分布同样较为均匀，且会随时间在较近的两个饵食点间形成一条较粗的养分输送路径；在避障行为实验中，菌落每当蔓延至岔路口时，都会向不同路口延申出一小段以试探其与饵食的距离，当某一端先触碰到后续的饵食时，则该端生长蔓延速度加快并形成主干养分输送路径。两组实验都反映黏菌会优先以最近的饵食点为目标生长扩散，从生物行为的角度展示了多头绒泡菌的生存智慧。这种生物行为与智慧也可映射到人类的城市与社会的自我组织与发展模式中，从而给城市设计带来一些理性预判与思想火花。

3 生物行为的计算机模拟

多头绒泡菌的生物行为模式及其菌落形态发展与人类城市系统的自我组织、外向扩张、趋利互连等具有高度的相似性⑬，因此，如何将多头绒泡菌的生长扩张模式用适宜的计算机软件进行仿生模拟，便成为后续城市设计运用的关键。

虽然仿生模拟可以依靠多种软件实现，但作为建规景的学生都能掌握的软件便是Rhino（犀牛），故而克劳迪娅引导同学结合一款基于Rhino的、有数形结合功能的插件——Grasshopper完成此项学习内容。

根据生物学对多头绒泡菌生物行为规律的解读，为达到最低生物能耗，其生长轨迹决定于外围细胞经探索感知后所优选出的多条养分输送路径，其中最粗的一条则是两点间的最短路径⑭；因多头绒泡菌的生长为间断式和避障探索式，故最短路径非直线。以此为切入点用Grasshopper插件编写出一套基于最短路径的算法，以模拟黏菌生长点到饵食点的营养传输路径。对前期延时摄影图像进行识别判读，可由简入繁地归纳出菌落扩张的6种生物行为模式：单菌落扩张，单菌落趋利扩张，多菌落趋利扩张，以及以上三种模式下的避障扩张。利用Grasshopper的图形编码与数据可视化功能，根据拍摄图像的形态变迁与尺度，将生长规律和影响生长的因子替换为图形语言，调试编码参数以控制图形尺度与生长速度等。

Grasshopper的图形编码及其相应的数据可视化可运用于模拟城市蔓延⑮，优化城市、公园和景区的路网系统，制定城市节庆时期的交通管控方案等，也可成为平面与空间造型设计时不可思议而又充满生物智慧的的思想源泉。下面以单菌落避障趋利扩张行为实验为例来阐述其从理性调试过程到感性造型创作的飞跃。

设想迷宫的形态为图9所示，A和B分别为起始点和终点，C为饵食点（绿点）的分布近似曲线（基准曲线），在此运用最短路径算法后得到曲线D，即为A到B的最短蔓延路径——主干路。生成分支路径的方法为增加基准曲线周边离散点的数量，从而增加A到B的步数，尔后叠加出的图像便能近似还原多头绒泡菌的生长轨迹（图10）。基于该技术手段，通过更改“迷宫形态”、起止点位置和路径复杂程度等参数，进而可得到千奇百怪的基于多头绒泡菌生长的平面路径和空间路径（图11）。这些三维空间模型刷新了我们对物质空间的认识并充满了生物智慧与艺术迷离，也使学生领悟出基于仿生学的城市设计不仅要关注理性的仿生借鉴，同时还需认识到城市仿生创造的价值，而这样的体验是通过克劳迪娅布置的技术延伸专题实现的。带着满满的期待，我们将8个月的学习成果运用在了毕业设计中。

图9 通过障碍物的最短路径（万之源绘）

图10 15种路径模拟结果（姜沛哲绘）

图11 交通路径模拟图（a 杨云迪绘；b 罗清吟绘；c 姜沛哲绘；d 黄杨阳绘）

4 毕业设计——基于多头绒泡菌生长模型的城市节庆空间交通优化

研究生学习的最后3个月便是运用前文介绍的多头绒泡菌的生物行为实验及其计算机模拟来进行毕业设计了，毕业设计选题定为泰国曼谷泼水节庆时的交通管制优化。

曼谷是世界著名的旅游城市，每年4月中旬的泼水节既是傣族的新年，又是为期一周的全国性盛典，这一活动每年都吸引着成千上万的世界各地游客来泰国旅游体验⑯，该一时段的城市交通管控便成为城市庆典的重要保障，我们的课题便是围绕该背景展开。

通过对曼谷为期10天的现场调研与勘探，选取曼谷中心的拉差达区（Ratchada）内四种最受欢迎的节庆地点分别进行生物自由扩散行为实验。经调研，该区域有举办泼水节的寺院6座和宫殿1座，体育场馆6座，公共绿地11处和夜市6处，总计30处的节庆地点冠以“+”标记；将拉差达区供游客旅居的酒店区3处冠以“O”标记（图12）；随后将地图上的“+”点与“O”点等比缩放至培养基尺度，在3个酒店区植入等量菌胚，将30处代表性节庆地点按4大类别，分别放置与调研数量等额的麦片颗粒（图13），以此为基础开展“城市片区尺度”的生物自由扩散行为实验。经64小时培育，将拍摄的4组实验影像分别与该区域城市路网按同等比例叠加（图14）。

图12 城市节庆热点与旅居点

图13 培养基中对应的饵食点与菌胚投放点

图14 多头绒泡菌与城市

因生物行为实验仅在吸引点数量较少时结果较为精确，反之则会无规律性蔓延，故上述步骤需分4组对照实验独立完成。其全面表现则需用先前调试好的Grasshopper的最短路径算法进行以城市路网为基础的综合生长模拟，通过量化菌落在吸引点综合条件下的生长轨迹对城市节庆交通流量进行模拟与评价，以便为城市交通管制方案的制定提供依据。

将经ArcGIS采样后的曼谷拉差达区道路交通网格导入Grasshopper模拟器作为基础路径，在河流水系和山体处设置障碍，标示寺庙、体育馆、公共绿地和夜市共计30个泼水节吸引点，以及3个旅居区作生长起始点⑰，最后采用Grasshopper生物计算模拟的方法生成泼水节下人的活动轨迹（图15a），得到在城市节庆下流量较大的路径（粗线），和流量较小的路径（细线）。经与原始路网叠加并近似取样，得出泼水节时段各道路的载流（图15b）。

图15 a 泼水节人居活动轨迹 图15b 泼水节道路载流（姚逸凡绘）

至此基于仿生学的毕业课题研究告一段落，下一阶段的交通管控方案的制定内容因与本文主题无关，限于篇幅不再赘述。经与克劳迪娅协商，泼水节人居活动轨迹的最终成果形式为经像素化处理的版画刻录模型（图16）。

图16 a 定稿路径规划方案 b 激光切片过程 c 实体模型照片

结语

就本次研究性设计的成果而言，现在看来还有未尽之处与深化的空间，甚至若深究曼谷城市片区仿生模拟的细节，其结果还略显粗糙，但本文意图并非为展示一幅设计作品，更注重的是多头绒泡菌介入城市仿生设计的新方法及其硕士培养教育过程。且该方法并非停留在理论探讨层面，而是通过教学组织设计，融入到硕士生亲历亲为的学习过程之中，这即是巴特莱特建筑学院给我国建筑及城市设计学科教育所能带来的启示。

（注 感谢巴特莱特建筑学院城市设计第16设计研究工作室—多头绒泡菌研究小组其他成员罗清吟、姜沛哲和黄杨阳的辛勤付出）

资料来源：

图1：https://baike.baidu.com/pic/建筑仿生学/22392645/0/8644ebf81a4c510fdc0beb206c59252dd42aa538?fr=lemma&ct=single#aid=0&pic=8644ebf81a4c510fdc0beb206c59252dd42aa538 ；

图3：来源于UCL2017-2018学年城市设计16工作室作品集；

文中其余图片凡未署名均由杨云迪、罗清吟、姜沛哲和黄杨阳绘制、拍摄完成。

注释

①管玥.建筑与仿生学[J].规划与设计,2018(05). p.73-74。

② Alexa nder,Tesar.Bionics a nd fractal configurations in structural engineering.International Journal for Numerical Methods in Engineering. Vol.3(2006):795-796。

③Rebecca,Dalvesco &R. Buckminster Fuller.the Expo'67 Pavilion and the Atoms for Peace Program. Leonardo. Vol.50.Issue 5(2017):488-489。

④ Bratton,Benjamin.Computer application technology in bionics.New Normal.Vol.13(2016):12-14。

⑤ Sujeet,Ganesh,Kore.Design and Analysis of a Machine Tool Structure Based On Structural Bionics. International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research. Vol.8(2014):135-136.

⑥ Pasquero,Claudia.The World Dubai Marine Life Incubators.Biological thought and technology.Vol.5(2010):27-29。

⑦ Pasquero,Claudia.Systemic Architecture.Bionic structure.Vol.14(2010):42-44。

⑧ Adamatzky,Andrew.Physarum machines:encapsulating reaction-diffusion to compute spanning tree. Die Naturwissenschaften.Vol.37(2007):978-980。

⑨ Jonghyun,Lee.A novel growth mode of Physarum polycephalum during starvation.Institut für Biophysik.Vol.12(2018):87-90。

⑩ Li,Lee.Inspiration of the biological behavior of Physarum polycephalum on mathematical modeling. Physics of Life Reviews. Vol.3(2019):38-40。

⑪ Slime,Moulds.Study on the reproduction of slime molds.Acta Biologica Sinica of Warwick University.Vol.10(2018):15-17。

⑫ Truong,Kiet.Effects of medium composition on the growth and lipid production of microplasmodia of Physarum polycephalum. Biotechnology progress.Vol.11(2019):63-67。

⑬ Sergi,Valverde.Networks and the City.Architectural Design.Vol.9(2013):114-116。

⑭ Wenzhong,Guo.PORA:A Physarum-inspired obstacle-avoiding routing algorithm for integrated circuit design.Applied Mathematical Modelling.Vol.24(2020):273-274。

⑮ Thiago,Sobral.An Ontology-based approach to Knowledge-assisted Integration and Visualization of Urban Mobility Data.Expert Systems With Applications.Vol.10(2020):65-67。

⑯ Tanya,Rodsook.Factors relationship on road traffic accident in bangkok from songkran water festival. Department of Disease Control.Vol.2(2018):23-24。

⑰ In-Ae,Yeo.Development of an automated modeler of environment and energy geographic information (E -GIS) for ecofriendly city planning.Automation in Construction.Vol.42(2016):405-406。