生态设计理念下的北极熊海冰平台设计研究

胡妙笛 黄钰准 张军

摘要：以尊重和维护生态环境为主旨，面向北极熊栖息冰面缺失的生存问题， 为北极熊设计提供生存条件的海冰平台。通过对生态设计理念与原则的梳理， 结合极地环境的特殊性，提出了面向极地的生态设计策略，并在此基础上探索生态设计理念在解决冰面消融导致北极熊濒危问题的可行性。设计了一种可供冰川生长的海冰平台，为北极熊提供了赖以生存的冰面栖息环境，以应对气候变暖和冰川融化带来的威胁。将“面向极地的生态设计策略”运用于“冰种计划”海冰平台的概念设计过程中，验证了其可行性，同时也为解决极地生态问题提供了新思路。

关键词：生态设计理念 极地环境 气候变暖 冰川融化 北极熊 海冰平台

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2023）20-0129-05

Abstract：With the main theme of respecting and maintaining the ecological environment，we design a sea ice platform that provides survival conditions for polar bears by facing the survival problem of the lack of ice surface for polar bear habitat. By sorting out the ecological design concepts and principles and combining the special characteristics of the polar environment，the polar-oriented ecological design principles are proposed，and under the guidance of the principles，the feasibility of the ecological design concept in solving the problem of endangered polar bears due to the melting ice surface is explored.A glacier-ready ice platform has been designed to provide the ice habitat that polar bears depend on to cope with the threats posed by a warming climate and melting glaciers.The "polar-oriented ecological design strategy" was applied to the conceptual design of the ice platform to verify the feasibility of the strategy and to provide new ideas for solving polar ecological problems.

Keywords：Ecological design concept Polar environment Global warming Glacier melting Polar bears Ice platform

引言

地球面臨的生态系统和生物多样性的环境危机日益严重，在生态设计领域保护北极熊是一个重要且急迫的课题，世界自然基金会已将北极熊确定为北极海洋生态系统复杂性和相互依存性的独特象征[1]。由于长期的全球变暖和人类活动的影响，北极地区的气温急剧上升， 浮冰覆盖率急剧下降，严重危及北极熊的生存领域。北极熊依靠冰面平台猎捕海豹，浮冰融化导致猎物减少，北极熊被迫长途迁徙寻找食物，日益增长的冰面间距增加了溺毙的风险，北极熊的未来不得不依赖人类提供更多的保护措施[2]。本研究将以北极熊的生存问题为背景，基于生态设计理念，从概念设计的角度探索如何缓解北极熊危急的生存现状。

一 、北极熊生存形势危急及北极海冰面的重要性

极地海冰作为全球气候系统的一个重要组成部分，通过影响大洋表面的辐射平衡、物质平衡、能量平衡以及大洋温、盐流的形成和循环而影响全球气候变化[3]。在北极，冰面承载着将太阳能量反射回太空、降低地球温度、抑制海洋与大气间热量交换的作用。然而随着温度升高，北极海冰覆盖面积在不断缩小，海冰的减少会使得太阳辐射热量直接进入海水[3]，对北极的海洋生物及海域生态环境造成威胁。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）在第3 次评估报告中指出北极易受到气候变化的影响，各种反馈机制将引起“极地放大效应”，让北极冰川融化问题更加严峻。

海冰为北极熊、海豹、海象等多种生物提供栖息地和繁殖地，也是驯鹿和山牛的重要迁徙路线，对生态系统有重要作用。北极海冰的融化问题，波及整个北极海洋食物网，其中对北极熊的影响（图1） 尤为显著[1]。冰面是北极熊栖息和捕食的重要场所，春季海冰提前消融和秋季海冰推迟凝结导致长时间“无冰期”的出现，北极熊在无捕食平台的情况下需要长途涉海以寻找食物，而海冰平台的缺失也意味着在游泳路途中缺少浮冰作为落脚点，长时间的跋涉易导致北极熊在水中耗尽精力，极大地增加了它们溺毙的危险。北极生态学家Stirlin 和Derocher 曾预测，如果气候变暖持续有增无减，海冰的消失将导致整个北极熊亚种群的减少或消失[4]。

二、面向极地的生态设计策略的提出

生态设计源于人们对于现代技术文化所引起的环境及生态破坏的反思，其关注产品从原材料提取到最终处置的整个生命周期，目前已经开发了一套相当完整的生态设计原则、指南和工具[5]。总体来看，以改善北极熊生存状况为目标，介入北极生态环境的设计符合生态设计的理念与愿景，但目前仍然缺乏面向极地生态的方法和策略的设计指引。

对于极地的特殊环境，目前已在多种设计领域（如建筑设计、产品设计等）涌现出了不同类别的指导性原则以帮助设计师介入极地问题。如学者任飞结合南极的实地情况，建立了一套南极地区建筑设计的生态策略[6]。赵秋阳在寒地住宅的可持续发展设计对策研究中提出的寒地可持续住宅的保护环境原则、适居性原则、整体性原则[7]。在设计研究的领域甚至出现了“北极设计（ARCTIC DESIGN）”这一极端环境条件下设计行动的一般理论框架，关注北极地区的人类和非人类福祉[8]。

本文结合极地特殊的地理、生态和气候特征，建立了一套具有适用性的面向极地的生态设计策略，为设计介入极地环境生物保护问题提供策略参考。

（一）“关注生物需求的设计策略”：从设计学科的视角介入生态问题首先需要转变我们长久以来的“以人为中心”的设计思维，自然物种常以物质资源的形式出现在设计中，并为设计师提供灵感（如仿生设计），但它们很少被视为设计成果的直接受益者[9]。面向极地生态环境的设计需要关注生物需求，考虑生物福祉和设计的生态影响，以生物作为设计主体和重要参与者，尊重生物多样性，确保极地生态平衡，最大限度减少对生物多样性环境的干扰。

（二）“清洁能源使用设计策略”：可再生的新能源具有清洁、环保、持续、长久等优势，已成为应对能源短缺、气候变化与节能减排的重要选择之一[10]。倡导产品在设计上采用太阳能、风能等绿色清洁能源，强调在整个产品生命周期中进行能量最小化的系统考虑。尤其在海面开阔的极地，没有建筑物的遮挡，非常适合开发太阳能和风能等清洁能源，利用独立发电系统，为缺电或无电的南极北极、沿海岛屿等公共电网难以覆盖的地区解决供电问题，对于促进极地生态环境协调发展具有重大意义[11]。

（三）“拟自然的生态设计策略”：遵照自然物的外观和自然的运行规律来设计，使产品与自然环境充分结合，创造出和谐的产品生态环境。尊重和维护生物多样性，包括原有生物环境的保护和新的生物环境的创造。把对极地环境的影响因素降到最低程度，实现可持续发展。如在极地海面上设计产品就要考虑与漂浮海冰的适配， 维护极地动物的自然栖息地，确保它们在熟悉的环境中生存。

（四）“产品几何化设计策略”：指在设计过程中尽量设计结构简单、形状对称的产品形态，避免采用不规则的几何图形。极地距离市场和供应商很远，加上气候条件和缺乏合适的基础设施，可能导致生产备件过程中需要更多的时间。在为极地设计产品时，产品几何化有利于提高成型加工的效率，减少材料使用，降低成本，提高产品的坚固性，使外观更加简洁美观，更好地适应极地复杂的环境。

（五）“产品模块化设计策略”：产品的模块化意味着对产品的功能进行归类分析，设计同系列的功能模块，根据需求对模块进行组合，以构成不同功能的同体系的产品，增加产品的多功能属性。极地极寒的气候易导致零件的损坏，模块化的组装设计可以减少非必要的资源消耗[12]，在产品故障情况下仅更需换损坏的模块，提高回收利用率，用有限的产品种类来最大限度地满足生态环境的要求， 同时降低了成本，符合绿色生态设计理念。

（六）“材料因地制宜使用策略”：是指设计师在源头设计上充分运用可循环的天然产品物料流，采用有弹性可再生闭环方案来形成周期性的材料流。从全局考虑产品的环境亲和力，使用当地材料、植物和建材等，创造具有自然特性、地域特征的景观，满足“人－产品－自然”系统动态平衡[13]。如北极气候寒冷，因纽特人就地取材以冰来建造冰屋，材料因地制宜是适应环境的选择，能最大程度地融入极地环境、节省资源和降低成本。

（七）“产品周期延长设计策略”：设计师有责任设计更耐用的产品，提高产品的使用效能，延长产品的生命周期[14]。为了延长产品寿命，设计师应着重考虑产品所在的极地环境属性，把极寒的环境性能作为产品设计考虑的出发点。如韩国南极科考站世宗王站经过周密的设计，从建站以来基本没有大的损坏，依然保持良好的使用性能， 该站体现了延长产品寿命，高效节约资源和能源的重要生态原则[6]。

三、生态设计指导下的北极熊问题解决方案——“冰种计划”海冰平台设计

（一）极地生态设计策略下以北极熊需求为导向的海冰平台设计研究

本研究将以北极熊为背景，探索生态设计策略如何應用于解决北极严峻的生态问题。同时在北极熊问题上对生态设计策略的实践， 可以推动生态设计策略的进一步完善与发展。

在“冰种计划”全过程的设计中，面向极地的生态设计策略作为海冰平台的设计指导（图2）。北极熊面临的最严重和紧迫的问题是因为冰面消融导致的海面支撑平台的减少，因此本文考虑的重点是如何为北极熊提供长期稳定的海冰平台。“冰种计划”海冰平台基于极地海面阳光充足的自然条件，将太阳能作为基础能源，为北极熊设计了一套有制冰功能的栖息平台。不仅考虑产品的功能与极地生物的需求相匹配，而且让产品的运行对极地生态环境起到积极作用。从极地生物的需求出发，为北极熊提供更好的生活条件。

（二）冰川自生长的北极熊海冰平台

为北极熊设计的海冰平台最主要的功能是能为北极熊及平台本身提供足够的浮力，以支撑北极熊在海冰平台上的活动。传统浮力材料包括浮力球、浮力筒、泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫铝、金属锂、木材和聚烃材料等，但这些材料的大规模应用势必会加剧环境污染。参照“材料因地制宜使用策略”和“产品周期延长设计策略”，本设计利用自然特性，采用人造平台与北极海水联合制冰的思路，将富集绳作为冰种，为北极海冰提供生长平台，通过太阳能供电对平台进行降温，使海水和水中杂质凝结核在低温条件下冷凝成冰。在全生命周期中，平台下结的冰块体积会逐渐增大，逐渐生成冰川，为北极熊制造有足够浮力的冰面，提供长途游泳的落脚点和捕猎平台， 同时缓解气候变暖和冰川消融带来的威胁。

（三）利用太阳能为海冰平台提供电能

基于“清洁能源使用设计策略”，考虑到北极广阔的海面太阳辐射量充足的特征，选择了太阳能作为本系统的能量来源。太阳能发电对可持续发展具有重要意义，作为标志性的绿色清洁能源，取之不尽用之不竭并且非常稳定，具备非常大的发展空间以及潜力[11]。

将太阳能应用于北极海面采用离网运行的太阳能光伏发电形式。光伏发电离网运行最适合运行在“目前未被电网覆盖的区域”且“阳光充足的地方”，而广阔的北极海面同时满足这两个特点。因此，将太阳能应用于北极海面是面对北极问题的设计最优解，既十分契合两者特征，又能变害为利，将间接导致冰川融化的阳光合理利用为可发电的太阳能。

太阳能在本系统中的作用是提供电能，从而进行除盐、电解钙、富集等辅助平台制冰的活動，同时太阳能板可遮阳降温促进制冰，并且可以为平台运行提供动力以及为各项功能模块提供电力。在极地合理利用太阳能对生态文明与可持续发展具有重大意义。

（四）“冰种计划”海冰平台造型推演

基于“拟自然的生态设计策略”，海冰平台的造型设计应匹配极地环境，巧妙融入北极海面，与自然冰面生态和谐共存。基于“产品几何化设计策略”本设计将冰川形状初步提取，并进行几何化推演， 设计结构简单、形状对称的产品形态。为了更好地模拟自然界的冰川凝结过程，模块采用了一至多的拼合过程，该过程是随机的，形成的图案更加自然。为了能让各模块间更好地拼接，使各模块如同拼图般进行稳固且美观的连接，模块在造型上选择了以三角形和六边形为基础几何图形，再进行形状上的重组（图3 上），经过实用、美学和地貌上的考量，设计出了漂浮模块（图3 ①）和动力模块（图3 ②）。

两个模块通过磁吸拼接可组合成不同形式（图3 下），以适配北极冰面各种环境。同时这种凹与凸的三角拼图方式可以确保两个模块必然会异种相接，从而确保平均每个动力模块推动漂浮模块的数量最多不会超过3 个，足够符合其动力可支撑的范围，不会过载。

（五）“冰种计划”模块化设计

模块化设计方法，是设计师开始寻求解决产品更新换代，实现生态设计的一个重要思路。“冰种计划”装置采用“产品模块化设计策略”，由两种形态的模块组成，分别是漂浮模块（图4 左）和动力模块（图4 右），二者的共同点是均配备为装置系统提供电能的太阳能板（图5 ①），都可以为北极熊提供漂浮的冰面作为栖息地和长途游泳的落脚点，北极熊可以在其上休息，也可以通过海冰平台的掩护捕捉水下的猎物。二者的区别在于设置了不同的功能组合， 动力模块主要作用是在冰川形成的前期控制系统运动，下方分布有3 个喷气装置，其上安装了供远程监控与拍摄的摄像头；漂浮模块下方分布有3 个闪烁的吸引灯，以及富集伸缩绳与重力球。

海冰平台采用模块化的设计方法，可以丰富产品的适应性，使用户能够根据自身具体的需求组合个性化的产品或功能，缩短设计周期，降低成本，有利于产品更新换代。

动力与漂浮模块：动力模块下方有3 个方向互成120°的喷气装置（图5 ②），通过控制排气阀开合、改变推动力大小从而可使系统向各方向移动；动力模块上的摄像头（图5 ③）可实时传输影像， 供工作人员远程控制海冰平台的目的地及移动路径。动力模块与漂浮模块通过磁吸进行连接（图⑤），在动力模块端可远程控制磁吸的开关，进行连接与分离的操作。抵达目标海域后也可关闭动力，使其像自然冰面一样进行自由漂浮。动力模块和漂浮模块通过多种连接方式，可组合成不同面积、不同形状的大片冰面平台。

富集绳与重力球：海水结冰需要3 个条件，一是气温比水温低， 二是相对于水开始结冰时的温度已有少量的过冷却现象，三是水中有悬浮微粒、雪花等杂质凝结核[15]。基于“材料因地制宜使用策略” 利用极地自有的材料，即阳光、海水和低温进行制冰。“冰种计划” 海冰平台上的太阳能板（图5 ①）吸收太阳能，转化为电能进行制冷，为海水结冰营造低温环境。同时，人造海冰平台可为下方生长的冰体阻挡阳光，有效减缓因太阳辐射强度大而导致的冰体消融现象。当到达目标海域后，重力球（图5 ⑥）会释放带动富集绳（图5 ⑦）伸长，富集绳可以电解水中钙离子形成水下固化钙，吸附周围水中杂质凝结核从而促进海水结冰。“产品周期延长设计策略”让海冰平台在全生命周期的浮力效益逐步增大、愈加稳固，水面下的冰体会沿着富集绳逐渐生长，海冰初生时呈针状或薄片状冰晶，继而形成海绵状进一步冻结，富集绳上布满这种冰后便会逐渐增加厚度， 最终会连成一大片冰川（图5 ⑧），为北极熊的栖息提供足够的浮力， 供北极熊进行休息、捕猎、玩耍等冰面活动（图5 ⑨）。

吸引灯：为了给北极熊提供充足的食物资源，漂浮模块下的吸引灯（图5 ④）利用海洋生物的趋光性将猎物吸引到海冰平台附近， 为北极熊提供充足的食物来源。

摄像头：在“关注生物需求的设计策略”的指导下，要给北极熊提供更好的生活环境，海冰平台应配有相应的功能，为了及时营救发生危险的北极熊，北极工作人员需要实时掌握北极熊动态，于是在动力模块上增加了摄像头功能（图5 ③）。摄像头不仅可以在平台移动过程中监控周围环境与北极熊状态，还可为北极熊拍摄生活纪录片。当摄像头检测到有物体移动时录制功能会自动开启，没有物体运动时摄像头会休眠以达到节电效果。摄影模块外层有透明玻璃罩保护，防止被雨水冰雪等自然力量或动物碰撞等行为损坏，延长产品使用寿命。

（六）面向极地的生态设计策略在海冰平台设计中的应用及展望

将“面向极地的生态设计策略”运用于海冰平台的概念设计（图2），能够缓解北极熊面临的北极冰面消融的困境，其中的7 个子策略分别起到了不同的作用，“关注生物需求的设计策略”在海冰平台的设计中体现在为北极熊提供适宜的栖息地、游泳落脚点与捕猎平台；“清洁能源使用设计策略”充分利用北极丰裕的太阳能为海冰平台系统提供电能；“拟自然的生态设计策略”让海冰平台与北极环境相适配；“产品几何化设计策略”指导海冰平台设计成可互相拼接的几何造型平台，单体便于运输，拼接连接成大片冰面便于北极熊在上面活动；“产品模块化设计策略”指导动力模块和漂浮模块分别设计了多功能模块化组件，提高效率降低成本；“材料因地制宜使用策略” 考虑本地特色环境资源，将北极环境已有的海水作为提供浮力的结冰原料，利用极地的低温与海水中富含的杂质让海水逐渐凝结成水下冰川；“产品周期延长设计策略”让海冰平台随着海冰生长周期愈加稳固，构建环境友好、生物友好的生态装置。

“冰种计划”海冰平台设计是处理当前北极熊濒危问题的一种可行方案。使用模块化产品拼接形成初步平台，再利用太阳能板遮挡阳光并发电将海水制冰，从而形成足够浮力的活动平台，为北极熊提供了适宜的生存空间，这个产品的大量应用可以增大北极的冰川面积， 从而在一定程度上能缓解冰川消融带来的环境问题。

结语

本设计方案以保护北极熊生存为目的，根据极地环境的特殊性设计了一套供北极熊栖息、捕食及生活的海冰平台。利用北极充足的太阳能和海水资源，借力大自然使冰自生长，帮助北极熊打造适宜的极地生活环境，从而达到保护北极生物多样性的目的。

生态设计的重要性是生态学家和设计师反复论证的内容，但其在解决生态系统问题上的应用并不多见，通过对生态设计理论进行梳理，对前人发表的生态设计原则与工具进行总结归纳与创新，本文提出了面向极地的7 条生态设计策略：“关注生物需求的设计策略”“清洁能源使用设计策略”“拟自然的生态设计策略”“产品几何化设计策略”“产品模块化设计策略”“材料因地制宜使用策略”“产品周期延长设计策略”。这些策略为极地生态产品设计提供了新的思考方向，本文将这些设计策略运用于“冰种计划”海冰平台的设计过程中， 验证了面向极地的生态设计策略的可行性，同时也为解决极地生态保护类问题提供了新思路。

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