自然與藝術(shù)的交匯：生物材料啟發(fā)的空間設(shè)計

在當(dāng)代設(shè)計與建筑領(lǐng)域，可持續(xù)性問題日益成為全球關(guān)注的重點。隨著自然資源的減少和環(huán)境危機(jī)的加劇，設(shè)計師、藝術(shù)家和建筑師紛紛開始重新思考材料的使用與空間設(shè)計的方式[1]。在這一背景下，生物材料，即那些從自然界中提取或仿生制造的材料，逐漸成為解決這些問題的關(guān)鍵。它們不僅具備環(huán)境友好性，還能提供新的設(shè)計思路[2，3]。

本文將探討生物材料在空間設(shè)計中的應(yīng)用，從仿生學(xué)理論出發(fā)，分析跨學(xué)科合作案例，并提出未來發(fā)展的可能方向，展示自然與人類創(chuàng)新相結(jié)合的生態(tài)設(shè)計實踐。

1 仿生學(xué)作為一種可持續(xù)設(shè)計方法

1.1 仿生學(xué)概述

仿生學(xué)（Biomimicry）是一種跨學(xué)科的方法，旨在從自然界中獲取靈感，并將其轉(zhuǎn)化為設(shè)計與工程解決方案。這種設(shè)計方法模仿自然界中的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能，以應(yīng)對當(dāng)代人類面臨的各種挑戰(zhàn)，尤其是環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)。通過研究自然界經(jīng)過數(shù)十億年演化的策略，設(shè)計師、工程師和科學(xué)家能夠創(chuàng)造出更高效、更環(huán)保的技術(shù)和設(shè)計。

1.2 生物材料在設(shè)計中的應(yīng)用

生物材料在仿生設(shè)計中的應(yīng)用廣泛，尤其是在優(yōu)化材料使用和提升空間感知方面。貝殼、竹子等自然界的結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為設(shè)計師和建筑師仿生設(shè)計的靈感來源。例如，貝殼的輕質(zhì)、堅固性以及其幾何結(jié)構(gòu)可以幫助優(yōu)化建筑物的強(qiáng)度和提升材料使用效率；竹子則以其靈活性和快速生長的特性，成為可持續(xù)建筑材料的代表。

1.3 案例分析：自然界中的高效結(jié)構(gòu)與仿生學(xué)在建筑設(shè)計中的實現(xiàn)

一個經(jīng)典的案例是東非的熱帶白蟻巢穴結(jié)構(gòu)。白蟻巢穴利用復(fù)雜的通風(fēng)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)溫度，這一設(shè)計原理被應(yīng)用于建筑中，開發(fā)出了“仿生建筑”的概念。例如，位于津巴布韋首都哈拉雷的東門大廈（Eastgate Centre）便是以白蟻巢穴為設(shè)計靈感，通過自然通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)建筑內(nèi)部的溫度，從而減少了對空調(diào)系統(tǒng)的需求。該建筑每年節(jié)省的能量費用，充分體現(xiàn)了仿生學(xué)在可持續(xù)建筑設(shè)計中的潛力。

2 跨學(xué)科設(shè)計中的仿生學(xué)

2.1 跨學(xué)科合作的重要性

仿生設(shè)計作為一種結(jié)合自然與人類智慧的設(shè)計方法，在推動創(chuàng)新方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。它不僅僅是一個單一領(lǐng)域的研究成果，而是通過建筑、藝術(shù)、科學(xué)等多個學(xué)科的合作，為設(shè)計領(lǐng)域帶來新的突破。跨學(xué)科合作的重要性在于，它能夠?qū)⒉煌瑢W(xué)科的知識和方法結(jié)合，產(chǎn)生更加全面和創(chuàng)新的設(shè)計解決方案。在建筑和空間設(shè)計中，仿生學(xué)提供了新的設(shè)計語言，通過模仿自然界的形態(tài)和功能，創(chuàng)造出更加高效、可持續(xù)的建筑設(shè)計。

自然、技術(shù)和設(shè)計的結(jié)合為解決復(fù)雜設(shè)計問題提供了平衡的視角。通過從自然中汲取靈感并結(jié)合先進(jìn)的技術(shù)手段，仿生學(xué)展現(xiàn)了極大的潛力。例如，樹木的分支結(jié)構(gòu)啟發(fā)了建筑中的管道設(shè)計，通過模仿樹枝系統(tǒng)優(yōu)化了空氣流動。這種將自然與技術(shù)相結(jié)合的方法彌合了理論與實踐之間的鴻溝，使得建筑設(shè)計更加高效且富有創(chuàng)新性。

此外，空間的整體性也強(qiáng)調(diào)了從不同學(xué)科的角度理解空間的多維屬性。例如，在景觀設(shè)計中，結(jié)合自然科學(xué)、社會科學(xué)和藝術(shù)的方法，形成更為全面的空間理解。這種跨學(xué)科互動不僅有助于解決具體設(shè)計問題，還為整個設(shè)計過程提供了豐富的理論基礎(chǔ)。

2.2 仿生設(shè)計在不同學(xué)科中的應(yīng)用

仿生設(shè)計不僅限于理論研究，它在不同學(xué)科中的實際應(yīng)用同樣值得關(guān)注。通過跨學(xué)科合作，科學(xué)、藝術(shù)與設(shè)計的結(jié)合推動了仿生設(shè)計在建筑和藝術(shù)裝置中的創(chuàng)新。例如，設(shè)計師在建筑設(shè)計中利用仿生原理，從自然界中獲取靈感，并將這些靈感轉(zhuǎn)化為實際的建筑元素。通過這種跨學(xué)科的交叉融合，建筑和藝術(shù)作品變得更加具有創(chuàng)新、實用和可持續(xù)性。

一個廣泛應(yīng)用的仿生設(shè)計案例是昆蟲翅膀啟發(fā)的建筑外墻設(shè)計。昆蟲翅膀的結(jié)構(gòu)輕巧且具有高強(qiáng)度，同時具備出色的空氣動力學(xué)特性。設(shè)計師通過模仿昆蟲翅膀的微結(jié)構(gòu)，開發(fā)出了一種既美觀又功能強(qiáng)大的建筑外墻系統(tǒng)。

跨學(xué)科合作在這一案例中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。建筑師、工程師和材料科學(xué)家共同合作，將昆蟲翅膀的獨特結(jié)構(gòu)特性轉(zhuǎn)化為實際的建筑設(shè)計。這不僅改善了建筑的能源效率，還增強(qiáng)了建筑的美學(xué)表現(xiàn)。通過跨學(xué)科合作，仿生學(xué)為設(shè)計師提供了新的工具來應(yīng)對當(dāng)代建筑的挑戰(zhàn)。

3 仿生材料在空間設(shè)計中的實際應(yīng)用

3.1 生物材料的實踐應(yīng)用

近年來，隨著對可持續(xù)設(shè)計需求的不斷增加，生物材料作為仿生學(xué)設(shè)計中的重要組成部分，在建筑與空間設(shè)計中的應(yīng)用變得尤為關(guān)鍵。生物材料通過模仿自然界中的結(jié)構(gòu)與功能，不僅為設(shè)計提供了新的美學(xué)可能性，還優(yōu)化了建筑與空間的功能性。隨著數(shù)字化制造技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)計師得以更加輕松地獲取與運用這些生物材料，為建筑修復(fù)、裝飾和空間功能優(yōu)化創(chuàng)造出前所未有的可能性。

在這方面，微纖化纖維素水凝膠作為一種新型生物材料，已被廣泛應(yīng)用于建筑修復(fù)與改造。這種材料源自木材廢料，其可再生性和低碳排放使其成為理想的建筑材料。通過三維立體（3D）打印技術(shù)，設(shè)計師使用這種水凝膠對歷史建筑的木質(zhì)元素進(jìn)行了精確涂覆，實現(xiàn)了功能與美學(xué)的雙重提升。此方法不僅保留了建筑的歷史元素，還為其注入了現(xiàn)代美學(xué)特點，彰顯了材料的可持續(xù)性。

生物材料的應(yīng)用不僅限于修復(fù)與保存，它們在建筑的空間功能優(yōu)化中也扮演著重要角色。例如，竹子和木材等可再生材料因其天然的可塑性和抗壓性能，被廣泛應(yīng)用于建筑和室內(nèi)設(shè)計中。這些材料不僅具備出色的結(jié)構(gòu)性能，還通過其獨特的紋理和外觀為空間增添自然的美感。

3.2 案例分析：通過生物材料改善空間設(shè)計的實際案例

通過生物材料改善空間設(shè)計的案例不勝枚舉，以下是兩個代表性案例：

3.2.1 瑞典哥特式塔樓的修復(fù)項目

在瑞典斯德哥爾摩的18世紀(jì)歷史塔樓的修復(fù)項目中，設(shè)計團(tuán)隊選擇使用微纖化纖維素水凝膠作為修復(fù)材料。這種生物材料不僅來源于可再生的木材廢料，還能夠通過數(shù)字化三維立體打印技術(shù)進(jìn)行精確涂覆，確保修復(fù)后的建筑元素在美學(xué)和功能上都得到提升。設(shè)計師不僅保持了建筑的歷史風(fēng)貌，還通過數(shù)字化手段為其注入了現(xiàn)代感。

3.2.2 竹子在綠色建筑中的應(yīng)用

竹子因其快速生長和卓越的物理性能，已成為綠色建筑中最受歡迎的生物材料之一。在建筑中，竹子既可以作為結(jié)構(gòu)材料，也可以作為室內(nèi)裝飾材料，展現(xiàn)出其靈活多變的特性。例如，在越南的綠色屋頂建筑項目中，竹子被用作建筑的主要結(jié)構(gòu)材料，結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)實現(xiàn)了通風(fēng)、遮陽和結(jié)構(gòu)支撐的多功能性。這不僅減少了對傳統(tǒng)高能耗材料的依賴，還在空間設(shè)計中展現(xiàn)出竹子的天然美感。

4 未來的生物啟發(fā)設(shè)計方向

4.1 設(shè)計中的創(chuàng)新前景

隨著全球?qū)沙掷m(xù)發(fā)展的需求不斷加深，生物材料在未來空間設(shè)計中的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿σ仓饾u被揭示出來。近年來，真菌生物材料作為一種新型材料，逐漸引起了建筑和設(shè)計領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。真菌生物材料，特別是由菌絲體制成的復(fù)合材料，正逐漸成為建筑行業(yè)中提高環(huán)境和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性的重要材料。

生物材料的應(yīng)用不僅僅局限于真菌材料，未來可能還會有更多基于自然界啟發(fā)的材料技術(shù)突破。這些材料在空間設(shè)計中的應(yīng)用潛力巨大，可以幫助建筑行業(yè)減少碳排放、提高能源效率，并提升建筑物的整體可持續(xù)性。例如，可再生木材和生物塑料等新型材料也逐漸成為未來建筑設(shè)計中的可行選擇。通過這些材料的應(yīng)用，設(shè)計師可以創(chuàng)造出更加環(huán)保、可持續(xù)的建筑和空間。

4.2 仿生建筑的未來挑戰(zhàn)與機(jī)遇

盡管生物材料在未來建筑設(shè)計中展現(xiàn)出巨大的潛力，但仿生建筑仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，許多生物材料的機(jī)械性能，例如抗壓強(qiáng)度和耐久性，尚未達(dá)到傳統(tǒng)建筑材料的水平。雖然菌絲體復(fù)合材料具有出色的隔熱和隔音性能，但在結(jié)構(gòu)承重方面仍有局限。因此，在大規(guī)模建筑應(yīng)用中，這些材料通常需要與傳統(tǒng)材料（如木材和鋼材）結(jié)合使用。

此外，耐水性和耐久性也是未來生物材料在建筑中應(yīng)用的一個關(guān)鍵問題。盡管有研究表明，通過生物涂層技術(shù)可以提高材料的耐候性，但在戶外環(huán)境中的應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)。這些材料的壽命和維護(hù)成本也是需要進(jìn)一步解決的問題。

然而，未來的材料技術(shù)突破可能為仿生建筑帶來新的機(jī)遇。例如，研究表明，真菌材料具有自我修復(fù)的潛力，這意味著這些材料可以在遭受輕微損壞后自行修復(fù)，延長建筑的使用壽命并降低維護(hù)成本。此外，真菌材料還具備自適應(yīng)性，可以根據(jù)外部環(huán)境的變化（如濕度或溫度）自動調(diào)整其結(jié)構(gòu)和功能，為智能建筑的設(shè)計提供了新的可能性。

4.3 案例分析與未來展望

未來，隨著生物材料技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，仿生設(shè)計將在建筑和空間設(shè)計中發(fā)揮更加重要的作用。例如，真菌樹（MycoTree）項目是一個使用真菌復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)材料的項目，通過數(shù)字制造和參數(shù)化設(shè)計實現(xiàn)了自支撐結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計方法不僅體現(xiàn)了真菌材料的結(jié)構(gòu)潛力，還為未來自由形態(tài)建筑的實踐提供了理論和技術(shù)支持。

此外，菌絲建筑材料設(shè)計（El Monolito Micelio）項目展示了如何使用真菌材料進(jìn)行拱頂結(jié)構(gòu)的單體鑄造。通過采用基于結(jié)構(gòu)信息的計算設(shè)計，設(shè)計師能夠僅通過菌絲體復(fù)合材料來吸收壓縮力，從而減少了對傳統(tǒng)建筑材料的依賴。

隨著這些項目的成功實施，未來的建筑設(shè)計將更多地依托于生物啟發(fā)的解決方案。真菌材料、仿生結(jié)構(gòu)和生態(tài)設(shè)計方法為空間設(shè)計的可持續(xù)發(fā)展提供了新的契機(jī)。

5 結(jié)語

本文探討了仿生學(xué)在空間設(shè)計中的多個層面應(yīng)用，包括生物材料在實際項目中的創(chuàng)新應(yīng)用、跨學(xué)科合作的必要性以及未來仿生設(shè)計的潛在方向。正如多個案例所展示的那樣，生物材料為空間設(shè)計提供了全新的可能性，它們的靈活性、自適應(yīng)性以及自我修復(fù)能力，使得未來建筑和設(shè)計在功能與可持續(xù)性上實現(xiàn)了顯著的提升。

總的來說，仿生學(xué)為設(shè)計領(lǐng)域提供了一個嶄新的視角，它從自然界中汲取靈感，幫助我們應(yīng)對全球環(huán)境和資源挑戰(zhàn)。通過不斷推動跨學(xué)科的合作與創(chuàng)新，生物材料和仿生設(shè)計有潛力成為未來建筑和設(shè)計實踐中的核心力量，最終實現(xiàn)人與自然更加和諧的共生關(guān)系。■

引用

[1] BLOK V， GREMMEN B. Ecological Innovation： Biomimicry as a New Way of Thinking and Acting Ecologically[J]. Agric. Environ. Ethics， 2016（29）： 203–217.

[2] JOYE Y. Biophilic design aesthetics in art and design education[J]. Aesthet. Educ， 2011（45）：17–35.

[3] POHL G.， NACHTIGALL W. Biomimetics for Architecture amp; Design： Nature-Analogies-Technology[M]. 1st ed. Springer： London， UK， 2015：1–331.

作者簡介：陳耀（1987—），男，福建福清人，博士研究生，就職于清華大學(xué)未來實驗室。

通訊作者：郝強(qiáng)（1983—），女，黑龍江齊齊哈爾人，博士研究生，助理研究員，就職于清華大學(xué)未來實驗室。