危機中的轉變：基于生態(tài)材料的產品設計與方法

宋佳珈　張弛

摘要：由于人口與消費的不斷增長，導致材料的消耗量與日俱增，同時伴隨著傳統(tǒng)化石能源的緊缺與枯竭問題。在發(fā)展、增長與資源枯竭的矛盾中，人們開始轉變材料的使用方式，探索材料使用的新模式與方式，其中包括尋找新型材料和替代性材料。從垃圾成為原材料、自然資產與微生物的潛能、科技發(fā)展與生態(tài)材料三個方面進行舉例分析并討論基于生態(tài)材料的產品設計方法和流程。獲得生態(tài)材料的產品設計的研究現(xiàn)狀及方法。為可持續(xù)生態(tài)產品的設計提供一種基于材料的創(chuàng)新設計思路，引導設計師們在面對復雜的自然生態(tài)與社會問題時，進行反思，并為生態(tài)可持續(xù)的產品設計提供參考。

關鍵詞：生態(tài)材料?產品設計?可持續(xù)發(fā)展?社會創(chuàng)新

中圖分類號：TU986

文獻標識碼：A

文章編號：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

人類發(fā)展的歷史和材料發(fā)展的歷史關系密不可分。材料是人類可以使用并制作有用的構件、器件或物品的物質。材料的發(fā)展標志著社會的進步，比如石器首次進入人類歷史并被廣泛使用的時期被稱為“石器時代”，相似的還有“青銅時代”和“鐵器時代”等。可以說，人類發(fā)展的過程中伴隨著對材料的認識、制造和使用”[1]。

在第一次工業(yè)革命以來的兩百多年中，人類創(chuàng)造了前人無法想象的物質世界的輝煌，快速發(fā)展的代價是地球上的資源大肆被消耗。自20世紀50年代起，塑料材質被廣泛應用，人造和合成材料在產品領域中逐漸占據(jù)主導地位。1972年一項令人絕望的美國研究預測，地球上的食物和資源被最終被人類耗盡，并將在2050年左右變得無法生存。人類社會快速發(fā)展以也打破了地球上原本完美的生態(tài)系統(tǒng)為代價，科技、發(fā)展的速度之快超過了我們的想象，甚至已經漸漸露出失控之態(tài)。人類對材料的開發(fā)與使用如同一把雙刃劍，幫助我們走向繁榮，也將會有可能使我們走向毀滅。

但這并不意味著我們無藥可救了。冰島政府在1973年國內爆發(fā)石油危機之后就看到了這一危機，并開始采取相應的舉措。目前33萬人口的冰島，87%的能源是可再生的，其中，69%為地熱能，18%為水電能，石油能源則占11%，煤炭僅占2%。[2]冰島人在將近半個世紀之前的憂慮，如今成為全世界能源材料過渡主，義者們的關切。近些年以來，許多應對材料危機的方案在全球各地涌現(xiàn)，這些革命性的舉措正是人類持續(xù)發(fā)展的希望。

一、重新思考材料的可持續(xù)性

人們往往在劫難之后開始進行反思。包豪斯出現(xiàn)在一戰(zhàn)之后。那時，物質條件匱乏，包豪斯的設計先驅們?yōu)楸ＷC產品的基本使用功能、提高生產效率，以提供并生產大多數(shù)人生活的基本產品，做出了去除裝飾化的選擇。今天，我們開始從材料這一產品造物基礎的角度反思如何從根本上實現(xiàn)設計的可持續(xù)性？關于可持續(xù)性，人們普遍接受的定義是布倫特蘭委員會1987年提出的：可持續(xù)使用和發(fā)展是指既滿足當代人的需求，又不損害后代人滿足自身需求的能力。簡而言之，可持續(xù)性就是指：當下不要做有損未來的事情。唯物辯證法告訴我們，事物之間普遍存在聯(lián)系。因此，這在進行有效設計時我們必須充分考慮這些聯(lián)系并且將充分利用這些聯(lián)系[3]。

因此，在進入21世紀之后，生態(tài)材料成為材料科學中重要的研究方向。而這里的生態(tài)材料，不僅指自然界原來就有的并且基本不加工就可直接使用的材料，同時，近年來，生態(tài)材料被認為是人類保護生存環(huán)境，實現(xiàn)材料工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，成為當前國內外多學科交叉研究領域的新熱點。

（一）當垃圾成為原材料

生態(tài)學家和環(huán)保主義者總是勸說我們要減少消耗和使用。然而，我們希望獲得一種完整的綜合性的方法，通過產品創(chuàng)新和系統(tǒng)設計，可以在不改變現(xiàn)有生活方式的前提下，獲得解決方案。路徑之一是從回收的廢物與垃圾中獲得新材料。除了環(huán)境效益之外，這些創(chuàng)新也標志著我們與材料的關系發(fā)生了轉變，即從單一的線性 廢品丟棄模式轉變?yōu)榫哂兄芷谛缘?、可持續(xù)循環(huán)的模式。傳統(tǒng)的原料有限且價格相對昂貴，而廢物與垃圾則是豐富且廉價的。設計師、品牌方和制造商紛紛將將注意力轉向了我們家庭的垃圾和工業(yè)廢料，研究如何從工業(yè)、生活廢物和垃圾場中收集替代性的產品原料，并將他們創(chuàng)新轉變?yōu)樾略?。這一舉措正引領我們邁向未來，“浪費應該根本不存在，浪費是一種資源”[4]。

同時，設計師和科學家們開始跨學科合作，重新評估排泄物和生物垃圾，改造投入低而價值大的材料。他們不僅試圖使用這部分材料創(chuàng)造功能性產品，還能希望將其轉換為能源。排泄物就是最好的例子。在米蘭的糞便博物館中，我們可以看到沼氣池、從排泄物中提取制成的生物紡織品、甚至是用此材料制作的建筑用磚。采用一些創(chuàng)新的方式來使用排泄物這種完全可再生的原材料其優(yōu)勢顯而易見，即便是廢棄之后也還可以直接被投放至土壤之間，增加土壤中的養(yǎng)分。又如英國設計團隊Swine的設計作品（如圖1）“海洋之椅”（Sea Chair），將出海捕撈中獲得的塑料垃圾通過簡單的熱熔與海水冷卻的加工辦法，獲得到了一把再生的家居產品。諸如此類的廢舊材料再設計的創(chuàng)新案例還有很多。

（二）自然資產與微生物的潛能

當前，人們追求更好的產品品質和更健康的產品，天然材料和有機材料再次成為“奢侈”設計的組成部分，并且成為品質優(yōu)良的標志。設計師和制造商們也正在重新審視地球上曾經被遺忘的自然資產，并重新評估普遍存在的原材料，如海帶、藻類、菌群和微生物的價值，以此開發(fā)新型有機材料。在一項來自“WeiBensee Kunsthochshcule Berlin”（柏林設計藝術學院）的設計研究中，（如圖2）“Baumpliz”（樹菌）利用切片、打碎重組等產品加工技術手段最終在樹菌中得到可代替皮革的天然材料。（如圖3）“MYCELIUM+TIMBER”則是來自英國創(chuàng)新設計師Sebastian Cox的研究，她模仿自然界蘑菇菌絲的生長方式，培育菌群使其在碎木屑中生長，一周就可得到一塊比木頭硬度還強的天然材料。

為了更好地平衡能源與材料的關系，許多設計師不再創(chuàng)造新的材料產業(yè)，轉而在現(xiàn)有的農業(yè)和耕作上下功夫，他們正在努力使現(xiàn)有的系統(tǒng)，這一系統(tǒng)更加經濟、環(huán)保和健全。由此，設計師們邁向了未來的循環(huán)農業(yè)、零浪費和100%資源優(yōu)化的產業(yè)中，他們可以參與構建一個與自然生態(tài)和諧共處的創(chuàng)新材料系統(tǒng)，并建立生態(tài)與材料的共生關系，而不是寄生關系。

（三）科技發(fā)展與生態(tài)材料

在人類第一次工業(yè)革命當中，水和蒸汽動力推行制造技術的發(fā)展;第二次工業(yè)革命則是大規(guī)模的電力技術;第三次工業(yè)革命是使用信息技術實現(xiàn)自動化的過程;現(xiàn)在我們正處于工業(yè)的第四次革命當中，新老技術的融合與迭代，模糊了物理、數(shù)字、生物技術和設計之間的界限。新興技術包括：人工智能、納米技術、生物材料和基因工程等，眾多交叉學科和新興學科在其中孕育而生。正如歷史學家弗雷德里·梯加特（Frederic?Teggart）所說，“人類所取得的偉大進步不僅來自各種完全不同觀念的聚集，還得益于某種類型活動的出現(xiàn)，這些智力活動來自不同體系之間的對立斗爭”。設計師也參與其中，并成為連接各學科的紐帶。（如圖4）“BioLogic”是來自麻省理工媒體實驗室（MIT Media Lab）的最新研究成果。這項研究利用“納豆枯草芽孢桿菌”制作而成的特殊面料，是一款環(huán)境相應型面料，可以感知周圍的濕度、溫度變化，進而做出自我形變和調節(jié)，就像是變色龍和含羞草一樣。我們可以想象一下，未來的建筑和服裝可以通過調節(jié)形態(tài)而節(jié)省整體能源的消耗。

這些新的技術已經從實驗室中逐步向現(xiàn)在的工業(yè)世界滲透，同時，在數(shù)字制造的工具領域中取得了巨大的進步。越來越多的數(shù)字建造技術（如3D打印等）開始走近我們的日常生活，以個人工作室和家庭為單位的制造場所，正在改變傳統(tǒng)的制造與分銷方式。設計師、科學家、藝術家、制造商們集結并利用群體的智慧來解決當下的社會問題，重新回歸設計在包豪斯時期的使命與角色，即“Design with the people”，并正在使用新材料和新制造方式來推動社會創(chuàng)新。[5]

二、生態(tài)材料與產品設計

（一）生態(tài)材料的概念

東京大學的山本良一教授長期致力于材料與環(huán)境之間的關系。他在1992年首次提出了生態(tài)材料（Ecomaterials）的概念，并指出生態(tài)材料是指“那些具有較低環(huán)境負荷和較大再生率的材料。”[6]生態(tài)材料被定義為在整個生命周期中促進環(huán)境改善的材料，同時對環(huán)境負責任。生態(tài)材料在材料科學和技術中發(fā)揮著關鍵作用，以最大限度減少對環(huán)境的影響，提高材料的可回收性、提高能源和材料效率為主要目標。在北美和歐洲，這種材料通常被稱為“環(huán)保友好材料”（environmentally-friendly materials）或“環(huán)保材料”（environmentally preferable materials）。生態(tài)材料本身不是一種新材料，但隨著科學和技術的不斷發(fā)展，當下符合生態(tài)材料定義的新材料與使用這類新材料進行的產品設計作品越來越多。生態(tài)材料與傳統(tǒng)材料的不同之處在于，它賦予了傳統(tǒng)的結構材料或功能材料以優(yōu)異的環(huán)境協(xié)調性以及凈化、修復等功能。由此可見，生態(tài)材料具有三個明顯的特征：1.良好的使用性能;2.具有較高的資源利用率;3.對生態(tài)環(huán)境無副作用或對環(huán)境影響甚小。[7]

生態(tài)材料與基于生態(tài)材料的產品設計對于生態(tài)環(huán)境保護具有重要戰(zhàn)略意義，同時也是目前世界各國紛紛不斷嘗試的一種可持續(xù)發(fā)展的策略之一。

（二）基于生態(tài)材料的產品設計

基于生態(tài)材料的產品設計是將生態(tài)和設計的有機統(tǒng)一。通過生態(tài)材料的輸入，遵循共贏與多樣性的設計原則，產出對人類生存環(huán)境無害的設計，或者是可以減少或降低對環(huán)境影響的設計。這類設計最終將改變大眾的生產和消費模式，最大限度地提高資源利用率，盡量減少或防止垃圾的產生，實現(xiàn)有效保護環(huán)境和人類生命健康的目標。基于生態(tài)材料的產品設計除了需要遵循產品設計的基本原則之外，還要遵循以下兩種生態(tài)的產品設計原則。

1.共贏原則。共贏是指人類賴以生存的自然生態(tài)環(huán)境與滿足人類生活及日常使用的需求兩方面兼顧。共贏的設計原則即在設計方案階段不斷平衡兩者的關系，最終得出雙贏的設計結果。這也符合可持續(xù)發(fā)展的根本理念，即在不斷提高人們生活質量的同時，達到逐漸減少消耗能源的目的。

2.多樣性原則。多樣性的原則，既是自然生態(tài)系統(tǒng)運行的原則，也是生態(tài)產品設計的原則。多樣性是一種彈性策略，因為它允許采用多種解決方案和方式，解決同一挑戰(zhàn)或是對同一挑戰(zhàn)做出回應。一個多樣化的社會抵御自然災害、惡劣的生長期、經濟困境或文化危機的能力都會更強。在解決滿足一種人類需求時，采用多途徑、多解決方案的策略，能夠避免產生對某種材料或能源的過分依賴。

基于生態(tài)材料的產品設計是可持續(xù)產品設計的一種方式和策略。設計原則也要遵循自然的運行方式，需要倚重生態(tài)學和材料學理論來分析系統(tǒng)內部各元素的特性與潛在關聯(lián)，并將他們轉為實際可以應用的準則。如在生態(tài)產品設計中，每一個環(huán)節(jié)存在的目的都是要對整個生態(tài)系統(tǒng)作出貢獻，生態(tài)產品中的每個設計元素或者環(huán)節(jié)，都從需求、材料、加工、產出、使用、廢棄等方面進行仔細分析。如制造與塑料具有同種性能的材料，石油化工原料并不是唯一的方案。英國設計師Suzanne Lee（如圖5）早在十年前就從紅茶發(fā)酵的菌群中培育出來的生物材料，并可用于服裝服飾產品設計;最近有關于使用食用淀粉、糖漿、甘油等材料混合出一個Bio Plastic（有機塑料），且硬度和韌性都絲毫不比塑料遜色;（如圖6）柏林設計師Juni Sun Neyenhuys，多年來對海藻和海帶進行的設計與研究，不但可以從中提取海藻中的色素用于印染，也可以通過簡單的干燥、模塊化插接結構的設計加工，得到一種代替人工合成橡膠材料的代替品，并具有PVC、人工合成橡膠等材料相同的材料特性。

在基于生態(tài)材料的產品設計中，我們看到了產品的可持續(xù)性，產品輸出時滿足可減少、無害和節(jié)能三大特點，最終達成最大限度的提高資源利用率以及盡量減少或防治垃圾的產生，實現(xiàn)有效保護環(huán)境和人類生命健康的目標的產品設計。整體流程正如（如圖7）所示，生態(tài)材料在輸入階段遵循共贏和多樣性的設計原則，產生具有減少、無害和節(jié)能三大特點的產品。生態(tài)材料研究不僅僅是關于造物基礎材料的單純探討與嘗試，更是踐行了產品從“搖籃到搖籃”的設計原則。一方面需 要關注新型可持續(xù)材料的原料來源，另一方面則需要關注材料在產品制造過程和產品生命周期結束后的可持續(xù)性。

總結

共贏與多樣性也是大自然運行的關鍵原則。該原則不僅適用于設計領域，同樣適用于能源、經濟和農業(yè)生產中。能源的多樣性，不僅保證了我們生活的基本需求，也給我們提供了更多的選擇。正如維克多·帕帕奈克所說，“主要的挑戰(zhàn)已經不再是商品的生產。而是說，必須要做出選擇，處理多好？而不是多少的問題?！盵8]因此，我們需要重新思考設計與社會的關系。我們正處于材料革命發(fā)生的邊緣，這可能有助重新平衡人類與地球的關系，并重塑社會。在可預見的未來，我們必然會找到一種更好的、更智能的、更具有周期性的方法，取代目前線性的“制造-丟棄”產品關系。生態(tài)的、可持續(xù)的產品設計既離不開生態(tài)材料的設計，也離不開跨學科的合作，同時還堅持共贏與多樣性的設計原則。系統(tǒng)研究和深入探索可持續(xù)材料在產品設計中的運用，應當遵循森林生產的方式，倚重生態(tài)學、材料學理論和新技術等交叉學科研究方法，分析可持續(xù)產品設計的系統(tǒng)內部各元素間的特性與潛在關聯(lián)，從需求、產出、特性等方面對可持續(xù)材料的各個產品設計環(huán)節(jié)進行仔細且全面的分析，并將其轉為實際且可以應用的可持續(xù)材料設計準則，將產品設計中的可持續(xù)材料研究方法融入在可持續(xù)評估標準體系中，產出真正行之有效的方法論與研究模型。

基金項目：北京市創(chuàng)新團隊IDHT20180511項目;北京服裝學院高水平教師隊伍建設新進青年教師啟動計劃BIFTXJ201804項目。

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