生物計(jì)算與海藻基材料：從時(shí)尚到家具的可持續(xù)設(shè)計(jì)方法研究

摘要：探索將生物計(jì)算設(shè)計(jì)方法與海藻基材料結(jié)合應(yīng)用于時(shí)尚和家具設(shè)計(jì)中，驗(yàn)證其在可持續(xù)設(shè)計(jì)中的可行性，并基于這種結(jié)合嘗試提出一種創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)方法。通過分析兩個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，使用反應(yīng)擴(kuò)散算法和3D打印技術(shù)，探討海藻基材料在不同尺度和應(yīng)用場景中的表現(xiàn)。項(xiàng)目一為以人體為基礎(chǔ)的時(shí)尚產(chǎn)品設(shè)計(jì)，項(xiàng)目二為以端桌為代表的家具設(shè)計(jì)，評(píng)估這些方法的多樣性和適應(yīng)性。研究發(fā)現(xiàn)，生物計(jì)算設(shè)計(jì)與海藻基材料結(jié)合在形態(tài)復(fù)雜性、材料可持續(xù)性和生產(chǎn)效率方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。時(shí)尚產(chǎn)品項(xiàng)目展示了高精度和復(fù)雜性，家具設(shè)計(jì)項(xiàng)目展示了材料的可擴(kuò)展性和環(huán)境適應(yīng)性。生物計(jì)算設(shè)計(jì)與海藻基材料的結(jié)合為可持續(xù)設(shè)計(jì)提供了一條新的路徑，提出了一種新的設(shè)計(jì)方法。這種方法不僅在形式和功能上具有創(chuàng)新性，還在環(huán)境保護(hù)和資源利用效率上表現(xiàn)出色，具有廣泛的應(yīng)用前景和研究價(jià)值。

關(guān)鍵詞：生物計(jì)算設(shè)計(jì)；海藻基材料；可持續(xù)設(shè)計(jì)；3D打??；循環(huán)經(jīng)濟(jì)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2024）15-0008-04

引言

（一）數(shù)字設(shè)計(jì)與生物計(jì)算。隨著后人類時(shí)代的到來，設(shè)計(jì)方法不斷進(jìn)化 [1]。數(shù)字化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了從物理層面的材料（Material）到數(shù)字層面的物質(zhì)性（Materiality）的計(jì)算解碼 [2]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)體到數(shù)字信息再到形態(tài)重塑的轉(zhuǎn)變。為了使設(shè)計(jì)方法適應(yīng)外部環(huán)境的空間和性能需求，設(shè)計(jì)師借鑒自然系統(tǒng)的智能計(jì)算原理，孕育出新的設(shè)計(jì)范式——生物計(jì)算設(shè)計(jì)。這種方法不再僅僅追求美學(xué)上的仿生數(shù)字設(shè)計(jì) [3]，而是試圖理解生物自我進(jìn)化和適應(yīng)環(huán)境的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)。例如，珊瑚礁的殖民生長展示了生成智能，這種智能與反應(yīng)擴(kuò)散的原理一致 [4]。另一個(gè)例子是菌絲（Mycelium）系統(tǒng)在土壤環(huán)境以及不同樹干表皮的擴(kuò)展，展示了對(duì)資源最優(yōu)分配的智能。

自然界中，形態(tài)的形成和材料的分布通常由外部條件定義，這些條件被視為“環(huán)境”[5]。然而，在生物計(jì)算設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)師常常出于主觀的審美判斷，而不是基于環(huán)境數(shù)據(jù)的優(yōu)化特性來產(chǎn)生設(shè)計(jì)形態(tài) [6]，這使得設(shè)計(jì)難以達(dá)到自然界的高度一體化。與此同時(shí)，當(dāng)我們?cè)谠O(shè)計(jì)中追求自然系統(tǒng)性時(shí)，材料是不可忽視的關(guān)鍵因素。然而，形態(tài)生成的過程常常與材料的實(shí)際應(yīng)用相分離 [5]，導(dǎo)致設(shè)計(jì)缺乏自然界那種萬物歸一的系統(tǒng)循環(huán)性。生物數(shù)字化設(shè)計(jì)在可持續(xù)性方面表現(xiàn)不足，未能充分利用自然材料和生態(tài)系統(tǒng)的潛力。

（二）基于循環(huán)材料的生物計(jì)算設(shè)計(jì)。在自然界中，生物有機(jī)物質(zhì)在生命周期結(jié)束后，會(huì)通過降解回歸土壤，成為新生命的養(yǎng)料。這種自然循環(huán)不僅維持了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，也展示了資源高效利用的方式。然而，氣候變化和資源枯竭等環(huán)境危機(jī)迫使我們重新思考設(shè)計(jì)和制造方法，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展 [7]。

設(shè)計(jì)師通過理解，并模仿自然界的循環(huán)過程，創(chuàng)造出類似的設(shè)計(jì)方法。這種方法不僅關(guān)注形態(tài)和功能的優(yōu)化，還強(qiáng)調(diào)材料的循環(huán)利用?？刂普撎峁┝艘粋€(gè)有力的框架，將設(shè)計(jì)師視為控制者，通過引入循環(huán)材料，構(gòu)建一個(gè)與自然界類似的閉環(huán)系統(tǒng) [8][9]。這種閉環(huán)系統(tǒng)不僅涵蓋了材料的初始使用，還包括了其再利用和最終降解，形成一個(gè)完整的碳循環(huán)體系。這樣，設(shè)計(jì)產(chǎn)品在其生命周期結(jié)束后，不會(huì)成為廢物，而是能回歸生態(tài)系統(tǒng)，繼續(xù)參與自然循環(huán)。

因此，生物計(jì)算設(shè)計(jì)與循環(huán)材料的結(jié)合，提供了一種新的設(shè)計(jì)方法，使設(shè)計(jì)更加貼近自然、更環(huán)保且高效。例如，通過收集和利用被污染和廢棄的生物基材料如因藻華現(xiàn)象產(chǎn)生的大量海藻，通過改變?cè)械奶忌陕窂剑ㄍǔU棄的生物基材料處理方式為焚燒），將其轉(zhuǎn)化為建造材料，不僅減少了環(huán)境負(fù)擔(dān)，還實(shí)現(xiàn)了材料的循環(huán)利用 [10]。這種方法間接增強(qiáng)了碳循環(huán)的效果，使得設(shè)計(jì)更加符合自然界的優(yōu)化原則，并為可持續(xù)設(shè)計(jì)開辟了新的路徑。

一、背景

（一）生物計(jì)算設(shè)計(jì)中的“反應(yīng)與擴(kuò)散”。生物計(jì)算設(shè)計(jì)中的“計(jì)算”是指通過算法提取自然界生物的智慧，用以優(yōu)化設(shè)計(jì)形態(tài)和性能。

反應(yīng)和擴(kuò)散（Reaction and Diffusion）是一種從生物過程中汲取靈感的計(jì)算設(shè)計(jì)方法，模擬自然界中的復(fù)雜行為，如斑馬紋理和珊瑚礁系統(tǒng)的殖民式生長。在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域中，Cantrell 和Cosner 的研究通過反應(yīng)擴(kuò)散方程揭示了生態(tài)系統(tǒng)中的空間模式形成過程 [11]。他們的研究表明，反應(yīng)擴(kuò)散方程可以用于模擬物種分布、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性以及生物多樣性。這些模型不僅在生態(tài)學(xué)中具有重要意義，也為建筑和設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供了強(qiáng)大的理論支持。例如，在城市規(guī)劃和景觀設(shè)計(jì)中，反應(yīng)擴(kuò)散模型被用來模擬城市擴(kuò)展和綠地分布模式，從而實(shí)現(xiàn)更具生態(tài)適應(yīng)性的設(shè)計(jì)。同時(shí)在其他的研究顯示，通過反應(yīng)擴(kuò)散方程，可以預(yù)測和優(yōu)化種群分布和相互作用模式 [12]。這種理論在建筑設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用于優(yōu)化空間利用和功能分區(qū)。例如在建筑立面設(shè)計(jì)中，反應(yīng)擴(kuò)散算法可以生成復(fù)雜的自組織圖案，增強(qiáng)建筑的美觀性和功能性，如圖1。反應(yīng)和擴(kuò)散算法能夠無縫地模擬二維和三維空間中的現(xiàn)象，滿足從微觀到宏觀尺度的設(shè)計(jì)需求，并與空間數(shù)據(jù)集成，增強(qiáng)設(shè)計(jì)的定制性，使設(shè)計(jì)師能夠適應(yīng)特定的上下文和用戶需求 [11]。例如，ecologicStudio的H.O.R.T.U.S. XL Astaxanthin.g 項(xiàng)目利用反應(yīng)和擴(kuò)散算法，創(chuàng)造了1：1 比例的生物雕塑，并拓展到城市尺度，展示了這種算法在自組織性和尺度突破方面的能力。然而，該項(xiàng)目主要關(guān)注形態(tài)生成，缺乏與空間數(shù)據(jù)的結(jié)合，未能充分響應(yīng)特定環(huán)境條件和用戶需求。這些不足之處提示未來的研究需要加強(qiáng)算法與空間數(shù)據(jù)的聯(lián)系，從而進(jìn)一步增強(qiáng)其定制性和適應(yīng)性，如圖2。

Nervous System 工作室的 Floraform 珠寶系列項(xiàng)目則是生物計(jì)算設(shè)計(jì)和 3D 打印技術(shù)在時(shí)尚領(lǐng)域（小尺度）的應(yīng)用。該項(xiàng)目利用神經(jīng)算法生成了一件復(fù)雜的可穿戴飾品，通過 3D 打印技術(shù)將設(shè)計(jì)物化。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)使用了反應(yīng)與擴(kuò)散原理和參數(shù)化設(shè)計(jì)工具來控制獨(dú)特的生長過程，邊緣快速擴(kuò)展，形成曲線和褶皺。該系列包括24 種設(shè)計(jì)，采用3D 打印的尼龍和純銀制成。然而，項(xiàng)目在形態(tài)生成和金屬材料利用方面雖然取得了一定的成功，但同樣存在一些不足。首先，形態(tài)相對(duì)單一，無法靈活的選取任 何人體空間數(shù)據(jù)，并無法在掃描的數(shù)據(jù)上進(jìn)行生物形態(tài)的生長以此來拓展覆蓋面與尺度。此外，依然沒有將生物計(jì)算與可持續(xù)材料結(jié)合，如圖3。

通過上述項(xiàng)目，我們看到該算法具有顯著的通用功能，能夠無縫模擬二維和三維空間中的現(xiàn)象，滿足從裝置尺度到城市空間尺度的不同設(shè)計(jì)要求 [13]。然而，未來的研究應(yīng)加強(qiáng)與空間數(shù)據(jù)的聯(lián)系，以增強(qiáng)定制性和生物算法拓展的易用性。

（二）生物計(jì)算設(shè)計(jì)中的3D 打印技術(shù)。在現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計(jì)中，3D 打印技術(shù)扮演著舉足輕重的角色。通過逐層添加材料，3D 打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形態(tài)和結(jié)構(gòu)的制造。它具備高效、精確和靈活的特點(diǎn)，可以精準(zhǔn)控制材料的分布和形態(tài)生成，并支持多種單一和復(fù)合材料的使用。結(jié)合生物計(jì)算算法，3D 打印技術(shù)在生物計(jì)算設(shè)計(jì)中得以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的幾何形態(tài)和結(jié)構(gòu) [14]。

一個(gè)典型的案例是麻省理工學(xué)院媒介實(shí)驗(yàn)室的Aguahoja 項(xiàng)目，該項(xiàng)目利用3D 打印技術(shù)和生物計(jì)算算法，使用生物基材料（如殼聚糖和纖維素）創(chuàng)造出復(fù)雜且美觀的建筑構(gòu)件。通過FDM（熔融沉積建模）打印技術(shù)，將生物材料逐層打印成形，最終形成具有高結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和功能性的建筑組件 [15]。這一項(xiàng)目展示了3D 打印技術(shù)在生物計(jì)算設(shè)計(jì)中的應(yīng)用潛力，特別是在生成復(fù)雜形態(tài)和實(shí)現(xiàn)材料優(yōu)化方面，如圖4。

然而，Aguahoja 項(xiàng)目也存在一些局限性。首先，該項(xiàng)目的打印尺度相對(duì)較大，采用了分塊多次打印并拼合的方法，未能挑戰(zhàn)大尺度上一體打印的可能性。其次，項(xiàng)目主要使用FDM 打印技術(shù)，雖然精度高，但在定制化和靈活性上不如機(jī)械臂打印技術(shù)。最后，該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和建造過程缺乏通過生物計(jì)算進(jìn)行迭代優(yōu)化的過程，限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的靈活性和效率。未來的研究應(yīng)進(jìn)一步探索如何針對(duì)不同的空間尺度，利用定制化程度更高的打印技術(shù)，如機(jī)械臂打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更大尺度和更高復(fù)雜度的打印。

（三）基于廢棄海藻的可持續(xù)循環(huán)材料與生物計(jì)算設(shè)計(jì)。隨著環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，設(shè)計(jì)界逐漸認(rèn)識(shí)到可持續(xù)生物基材料的重要性。這類材料不僅具有可再生性和生物降解性，還能有效減輕環(huán)境負(fù)擔(dān) [16]。廢棄海藻回收作為一種新興的可持續(xù)材料，因其再生性和生物降解性而備受關(guān)注。通過將廢棄海藻加工成適用于3D 打印的材料，不僅有效緩解了海洋污染，還實(shí)現(xiàn)了材料的循環(huán)利用 [10]。在作者之前的研究中，收集來自青島海岸的石莼海藻，經(jīng)過干燥、粉碎、混合和擠出成型等工業(yè)步驟，并與PLA 生物塑料混合，海藻比例最大可拓展至20%，最終制成基于海藻的生物塑料3D 打印材料。這種材料在物理性能、經(jīng)濟(jì)性和生態(tài)特性上表現(xiàn)優(yōu)異，顯著減少了環(huán)境負(fù)擔(dān)。此外，通過與制造工廠的戰(zhàn)略合作，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的生產(chǎn)無縫轉(zhuǎn)化為工業(yè)規(guī)模，提升了材料的結(jié)構(gòu)完整性和操作效率，并大幅降低了生產(chǎn)成本 [10]。

同時(shí)生物計(jì)算設(shè)計(jì)與這種循環(huán)材料的結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)設(shè)計(jì)提供了新的路徑。設(shè)計(jì)師通過控制者的視角將回收廢棄海藻制成的3D 打印材料引入設(shè)計(jì)循環(huán)中，構(gòu)建一個(gè)類似于自然界的循環(huán)系統(tǒng)。這種方法在生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)可行性上展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，推動(dòng)了可持續(xù)設(shè)計(jì)的發(fā)展。通過使用反應(yīng)與擴(kuò)散算法，可以生成復(fù)雜的幾何形態(tài)，并通過3D 打印技術(shù)將這些形態(tài)物化。例如，作者在項(xiàng)目“Small-scale biomorphogenicprototype based on Ulva-algae-biopolymer”中，通過珊瑚生長模擬算法（基于反應(yīng)與擴(kuò)散原理），生成了基于人體幾何形態(tài)的3D 打印原型。這一過程從使用Catmull-Clark 細(xì)分的人體幾何開始，分配空間坐標(biāo)，通過數(shù)據(jù)過濾選擇特定區(qū)域，以模擬珊瑚群落的依附生長。最終，這些設(shè)計(jì)原型使用3D 打印技術(shù)與定制的海藻基線材結(jié)合，展示了數(shù)字生物算法和生物材料在數(shù)字設(shè)計(jì)時(shí)代的融合過程 [10]，如圖5、6。

然而，這種結(jié)合也存在一些挑戰(zhàn)和局限性。首先，盡管廢棄海藻材料在小尺度上表現(xiàn)出色，但在大尺度應(yīng)用中的可行性和性能穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。其次，材料的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)可行性需在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和建筑空間類的生產(chǎn)和應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估。盡管如此，通過不斷探索和創(chuàng)新，生物計(jì)算設(shè)計(jì)與循環(huán)材料的結(jié)合有望在未來實(shí)現(xiàn)更為環(huán)保和高效的設(shè)計(jì)方案，為可持續(xù)設(shè)計(jì)提供廣闊的發(fā)展前景。

二、 研究目的與目標(biāo)

基于前述背景章節(jié)中探討的內(nèi)容，本文旨在進(jìn)一步研究生物計(jì)算設(shè)計(jì)與循環(huán)材料結(jié)合在實(shí)際設(shè)計(jì)中的應(yīng)用潛力。生物計(jì)算設(shè)計(jì)與循環(huán)材料的結(jié)合為設(shè)計(jì)提供了新的視角和方法，特別是在不同尺度設(shè)計(jì)應(yīng)用中的可持續(xù)性和創(chuàng)新性方面。本文旨在提出一種新的設(shè)計(jì)方法，通過結(jié)合生物計(jì)算和循環(huán)材料，為未來的可持續(xù)設(shè)計(jì)提供參考和指導(dǎo)。

為實(shí)現(xiàn)這一目的，本文將通過兩個(gè)具體設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行探討：時(shí)尚穿戴品設(shè)計(jì)項(xiàng)目和家具設(shè)計(jì)項(xiàng)目。時(shí)尚穿戴品設(shè)計(jì)項(xiàng)目將驗(yàn)證生物計(jì)算設(shè)計(jì)與海藻基循環(huán)材料在小尺度設(shè)計(jì)中的有效性，而家具設(shè)計(jì)項(xiàng)目將探索這種設(shè)計(jì)方法在大尺度設(shè)計(jì)中的適應(yīng)性和多樣性。此外，這些項(xiàng)目將展示3D 打印技術(shù)在生物計(jì)算設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)變應(yīng)用，從傳統(tǒng)的FDM 打印技術(shù)到更具定制化和精度的機(jī)械臂打印技術(shù)。

通過對(duì)這兩個(gè)項(xiàng)目的分析，本文將評(píng)估每一個(gè)設(shè)計(jì)迭代的過程，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)和材料選擇，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和可持續(xù)性。通過對(duì)比分析，揭示這種設(shè)計(jì)方法在多樣環(huán)境條件中的潛力，并探討其在實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)和改進(jìn)方向。最終，本文希望通過這一系列研究，展示生物計(jì)算設(shè)計(jì)與循環(huán)材料結(jié)合的巨大潛力，為未來的設(shè)計(jì)研究提供了新的方向和工具。

三、 設(shè)計(jì)項(xiàng)目應(yīng)用與實(shí)踐方式

（一）項(xiàng)目一：Green Bloom。第一個(gè)項(xiàng)目由作者與其團(tuán)隊(duì)于2023年8 月完成，旨在探索如何將生物計(jì)算工具無縫集成到時(shí)尚產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，在小尺度上與人體建立和諧關(guān)系。這不僅展示了形態(tài)設(shè)計(jì)的精確性，還深刻呼應(yīng)了Thompson（1942）在《生長與形式》[17] 中所闡述的自然數(shù)學(xué)復(fù)雜性指導(dǎo)有機(jī)結(jié)構(gòu)演變的原則。該項(xiàng)目的核心是應(yīng)用受珊瑚生長啟發(fā)的數(shù)字算法，即反應(yīng)擴(kuò)散生長，來設(shè)計(jì)和制造時(shí)尚產(chǎn)品。這一算法使設(shè)計(jì)師能夠生成跨越各種尺度的時(shí)尚產(chǎn)品原型，深入評(píng)估回收海藻線材在不同功能背景和空間配置中的行為和性能，如圖7。

項(xiàng)目始于對(duì)人體微觀空間數(shù)據(jù)的細(xì)致分析，通過數(shù)字化人體模型，將其解剖特征轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)格和點(diǎn)集。通過將各種人體指標(biāo)輸入Rhino Grasshopper，我們?cè)谔摂M模型上模擬形態(tài)發(fā)生模式。這些模式由模擬自然中反應(yīng)擴(kuò)散機(jī)制的算法指導(dǎo)，然后應(yīng)用于人體表面的三維結(jié)構(gòu)，如圖8。

在設(shè)計(jì)過程中，我們使用了Kangaroo 插件，這是一個(gè)基于物理的仿真工具，專為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形態(tài)的實(shí)時(shí)形變和優(yōu)化而設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)測試分為兩個(gè)大組，每個(gè)大組包含兩個(gè)小組。這兩個(gè)大組的區(qū)別在于最初的影響曲線形態(tài)不同。所有小組的碰撞檢測次數(shù)與生長功能（通過調(diào)整生長權(quán)重）均設(shè)置相同，但分段密度有所不同。具體設(shè)置如下：（1）類型01 的兩個(gè)小組，分段密度分別為700 和1400，（2）類型02 的兩個(gè)小組，分段密度分別為700 和1400，（3）每個(gè)小組經(jīng)歷0、2、4 和6次迭代。通過這些實(shí)驗(yàn)設(shè)置，我們對(duì)比不同的情景，以優(yōu)化設(shè)計(jì)。類型01 通過操縱影響線的形態(tài)并改變分段密度，觀察不同迭代次數(shù)下的對(duì)比結(jié)果；類型02 則在保持相同分段密度的情況下改變影響線的形態(tài)，導(dǎo)致與類型01 顯著不同的結(jié)果。Kangaroo 還引入了物理現(xiàn)實(shí)層，通過模擬重力、張力等力，確保設(shè)計(jì)不僅在美學(xué)上符合人體表面，還保持結(jié)構(gòu)完整性。

在本研究中，我們聚焦于使用FDM（熔融沉積建模）3D 打印技術(shù)制造小尺度的人體產(chǎn)品，采用Anycubic Kobra Max 線材打印機(jī)。使用1.75mm 直徑的線材，搭配0.2mm 的精細(xì)噴嘴，將打印速度設(shè)置為40mm/s，層高為0.2mm，打印溫度設(shè)定為200℃。這些設(shè)置在生產(chǎn)與人體緊密接觸的時(shí)尚物品時(shí)，實(shí)現(xiàn)了良好的精度。研究展示了生物計(jì)算設(shè)計(jì)策略與材料制造技術(shù)之間的復(fù)雜互動(dòng)，突顯了FDM 3D 打印在使用海藻基材料制作細(xì)節(jié)豐富、可持續(xù)材料物品方面的有效性。特別是噴嘴精度和打印速度的調(diào)整在提高小尺度海藻材料輸出的質(zhì)量和細(xì)節(jié)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，如圖9。

該項(xiàng)目細(xì)致地探索了生物計(jì)算工具在時(shí)尚設(shè)計(jì)領(lǐng)域的創(chuàng)新整合，強(qiáng)調(diào)了與人體和諧相處的小規(guī)模應(yīng)用。在這種與身體交互的時(shí)尚設(shè)計(jì)專業(yè)領(lǐng)域中，使用計(jì)算建模創(chuàng)建與人體解剖結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合的定制形態(tài)。以環(huán)境可持續(xù)性聞名的海藻基線材作為3D 打印這些設(shè)計(jì)的理想基材。這種打印方法所提供的精度確保了復(fù)雜、算法生成的圖案能夠真實(shí)呈現(xiàn)，生成的可穿戴物品不僅符合人體輪廓，還倡導(dǎo)環(huán)境可持續(xù)性。通過設(shè)計(jì)這一穿戴式的時(shí)尚產(chǎn)品，項(xiàng)目展示了生物計(jì)算與海藻材料結(jié)合的潛力。借助反應(yīng)擴(kuò)散算法，海藻材料能夠與人體形態(tài)完美契合，重新定義了物質(zhì)性和可持續(xù)性，體現(xiàn)了現(xiàn)代設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)保和創(chuàng)新的追求。

（二）項(xiàng)目二：Alga-table 2.0。Alga-table 2.0 項(xiàng)目由作者于2023年10 月在中國國家自然歷史博物館的世界自然基金會(huì)（WWF）主辦的展覽中展示，作為生物計(jì)算設(shè)計(jì)與海藻材料在家具領(lǐng)域結(jié)合的先鋒案例。項(xiàng)目通過創(chuàng)建一個(gè)創(chuàng)新的“茶幾”，展現(xiàn)了這些技術(shù)的結(jié)合潛力，標(biāo)志著研究方向從貼合人體的時(shí)尚物品拓展到更廣泛的生物數(shù)字設(shè)計(jì)在家具生產(chǎn)中的應(yīng)用。核心在于采用機(jī)器人手臂技術(shù)制作家具，提升了制作精度，并探索了海藻基材料在家具制造中的可擴(kuò)展性及變革潛力。這種材料的使用不僅強(qiáng)調(diào)可持續(xù)性，還展示了在設(shè)計(jì)復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)功能性方面的優(yōu)勢。項(xiàng)目通過這一舉措，展示了生物計(jì)算設(shè)計(jì)技術(shù)從可穿戴物品向生活空間功能物品的邏輯與尺度的擴(kuò)展，不僅為未來家具設(shè)計(jì)提供了新的視角，也為如何在設(shè)計(jì)中融入生態(tài)材料與先進(jìn)制造技術(shù)提供了重要參考和靈感，推動(dòng)了設(shè)計(jì)與自然環(huán)境之間更深層次的對(duì)話，如圖10。

Alga-table 2.0 的設(shè)計(jì)過程始于在Rhino Grasshopper 中應(yīng)用進(jìn)階的反應(yīng)擴(kuò)散算法，使用一種類似但不同于初始項(xiàng)目的計(jì)算策略。在這一嘗試中，重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了大規(guī)模應(yīng)用海藻基材料，優(yōu)先考慮尺度、體積和建造速度，而不是精度。因此，通過圖11 可以看出該項(xiàng)目的初始空間數(shù)據(jù)不是來源于三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，而是從一種強(qiáng)調(diào)自下而上、逐漸擴(kuò)展的平面方法開始的，該方法源于反應(yīng)擴(kuò)散過程。這一方法導(dǎo)致了演變的線性模式，這些模式經(jīng)歷碰撞和變形，每次變化的迭代都被細(xì)致地記錄并在z 軸方向上分層，與初始項(xiàng)目中單一線形態(tài)的轉(zhuǎn)變不同。這種計(jì)算方法促進(jìn)了各種原型的生成，每個(gè)原型都旨在滿足不同的空間需求。通過操縱特定參數(shù)，如二維平面上影響線的形態(tài)、每次迭代中碰撞力的權(quán)重、這些線的分段密度以及延伸到垂直空間的迭代次數(shù)，實(shí)現(xiàn)在形態(tài)密度和結(jié)構(gòu)扭曲方面的變化。這種定制方法確保了設(shè)計(jì)不僅與海藻基材料的特性兼容，而且符合制造過程的要求。

在下一階段當(dāng)中，利用Rhino Grasshopper 中的KUKA prc 插件生成機(jī)械臂的打印路徑指令。首先，將反應(yīng)擴(kuò)散算法生成的模型分層線作為輸入，提取所有分層線的控制點(diǎn)。這些控制點(diǎn)經(jīng)過細(xì)致校準(zhǔn)，確保在z 軸方向上的一致性，以避免打印過程中的誤差。利用插件的功能，這些控制點(diǎn)被轉(zhuǎn)化為機(jī)械臂識(shí)別的指令。

在路徑生成過程中，通過插件模擬打印，優(yōu)化路徑以最小化機(jī)械臂的移動(dòng)距離和轉(zhuǎn)向次數(shù)，提高打印效率。為確保層與層之間的連接一致，將所有提升點(diǎn)位設(shè)置在固定的z 軸高度上，確保打印過程中每層精確對(duì)齊，避免結(jié)構(gòu)不穩(wěn)。最終，將處理后的點(diǎn)位按從下到上的順序?qū)霗C(jī)械臂控制系統(tǒng)，保證打印的連續(xù)性和穩(wěn)定性。通過這些步驟，我們不僅優(yōu)化了路徑規(guī)劃，還確保了打印過程中的精度與一致性，使機(jī)械臂能夠高效執(zhí)行復(fù)雜打印任務(wù)，如圖12。

項(xiàng)目的最后一步， 將數(shù)據(jù)傳輸至KUKA 機(jī)器人手臂（KR270R2700），標(biāo)志著算法與材料的結(jié)合向大規(guī)模生產(chǎn)的過渡。采用熔爐式加熱打印，使用海藻基顆粒料替代傳統(tǒng)線材。這一轉(zhuǎn)變使得構(gòu)建尺寸為600mm 寬、1100mm 長、450mm 高的藻桌成為可能，顯著提升了規(guī)模。

設(shè)計(jì)被分為225 個(gè)打印線性層，通過Grasshopper 精確管理控制點(diǎn)進(jìn)行打印。每層打印高度為2mm，擠出寬度為8mm，在180℃和200mm/s 的速度下進(jìn)行。過程中，海藻顆粒與透明PLA 顆粒按照精確比例混合，不僅增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)完整性，還賦予了復(fù)雜的顏色漸變。這種方法的精確校準(zhǔn)促進(jìn)了大尺度打印下的精度控制，并展示了材料和技術(shù)在大規(guī)模生產(chǎn)中的潛力。通過這種改進(jìn)的反應(yīng)擴(kuò)散與生物材料結(jié)合的打印技術(shù)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)熟練地掌握了海藻材料在大規(guī)模應(yīng)用中的復(fù)雜性，為大規(guī)模家具制造中的生物計(jì)算設(shè)計(jì)提供了更細(xì)致、邏輯更一致的探索，如圖13。

從制作時(shí)尚物品到設(shè)計(jì)家具件的轉(zhuǎn)變提供了深入探索生物合成設(shè)計(jì)可擴(kuò)展性及其在材料科學(xué)領(lǐng)域影響的機(jī)會(huì)。將重點(diǎn)從人體的復(fù)雜性轉(zhuǎn)向更廣泛的生活環(huán)境，使得可以對(duì)不同尺度上的生物計(jì)算精度、材料在日常使用中的耐久性以及將可持續(xù)的生物啟發(fā)設(shè)計(jì)原則有效融入實(shí)際環(huán)境進(jìn)行批判性審查。海藻茶幾的建造過程展示了生物啟發(fā)算法的適應(yīng)性，證明了控制小尺度生物現(xiàn)象的基礎(chǔ)原則可以成功擴(kuò)展到更大的設(shè)計(jì)項(xiàng)目中。這種方法不僅保持了對(duì)可持續(xù)性的承諾，還在自然界復(fù)雜工程與人類建筑和設(shè)計(jì)的廣泛規(guī)模之間建立了具體聯(lián)系，確保這些創(chuàng)作在其預(yù)定空間內(nèi)既具有生態(tài)責(zé)任感又具有功能相關(guān)性。

四、 綜合評(píng)估與未來展望

本研究通過將生物計(jì)算設(shè)計(jì)與生物循環(huán)材料相結(jié)合，提出了一種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法。這種方法不僅在理論上具有突破性，而且在實(shí)際應(yīng)用中展示了其必要性和可行性。生物計(jì)算設(shè)計(jì)通過模擬自然界的形態(tài)生成過程，能夠生成復(fù)雜且具有適應(yīng)性的設(shè)計(jì)，而生物循環(huán)材料則提供了環(huán)境可持續(xù)的解決方案。這種結(jié)合彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在可持續(xù)性和材料利用效率方面的不足，為設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來了新的視角和工具 [16]。

在Green Bloom 和Alga-table 2.0 兩個(gè)項(xiàng)目中，生物計(jì)算設(shè)計(jì)和生物循環(huán)材料的結(jié)合展示了顯著的成功。Green Bloom 項(xiàng)目通過參數(shù)化設(shè)計(jì)和3D 打印技術(shù)，成功地將回收海藻材料與人體形態(tài)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高精度和高可持續(xù)性的時(shí)尚產(chǎn)品。該項(xiàng)目展示了生物算法在小尺度時(shí)尚產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的精確應(yīng)用，通過生物算法生成的形態(tài)與人體高度契合，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的細(xì)致和環(huán)境友好性。而Alga-table 2.0 項(xiàng)目則在大尺度家具設(shè)計(jì)中展示了生物算法的擴(kuò)展應(yīng)用，通過使用機(jī)器人手臂技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜形態(tài)的大規(guī)模生產(chǎn)，證明了生物計(jì)算設(shè)計(jì)在不同尺度上的適應(yīng)性和可行性。這些項(xiàng)目不僅在形式上表現(xiàn)出色，更重要的是在功能性和可持續(xù)性方面具有突出的優(yōu)勢。

然而，這些項(xiàng)目也暴露出一些不足之處。例如，在大規(guī)模應(yīng)用中，材料性能和制造成本仍需進(jìn)一步優(yōu)化。此外，雖然生物計(jì)算設(shè)計(jì)在形態(tài)生成方面表現(xiàn)出色，但在動(dòng)態(tài)適應(yīng)性和環(huán)境數(shù)據(jù)的整合上仍有提升空間。未來的研究應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化生物計(jì)算設(shè)計(jì)的算法，提高其在復(fù)雜環(huán)境中的精確度和適應(yīng)性。例如，通過改進(jìn)反應(yīng)擴(kuò)散算法，可以更好地模擬自然界的動(dòng)態(tài)過程，生成更具環(huán)境適應(yīng)性的設(shè)計(jì)。同時(shí)，優(yōu)化海藻基材料的生產(chǎn)工藝，提高其性能和循環(huán)利用率，將是未來研究的重點(diǎn)。通過將這些技術(shù)與智能建造技術(shù)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)更為環(huán)保和高效的設(shè)計(jì)與制造過程。未來的設(shè)計(jì)應(yīng)從小尺度應(yīng)用擴(kuò)展到大尺度建筑和城市設(shè)計(jì)中。例如，可以將成功的時(shí)尚和家具設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到建筑外立面、景觀設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，進(jìn)一步驗(yàn)證其在不同環(huán)境和尺度中的可行性。這將有助于實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新，推動(dòng)設(shè)計(jì)行業(yè)的進(jìn)步。

總結(jié)

基于本文的研究目的與目標(biāo)，作者通過探討生物計(jì)算設(shè)計(jì)方法與海藻基循環(huán)材料的結(jié)合，驗(yàn)證其在實(shí)際設(shè)計(jì)中的應(yīng)用潛力，展示了這種結(jié)合在可持續(xù)設(shè)計(jì)中的重要性。Green Bloom 項(xiàng)目通過生物算法與海藻基材料整合，實(shí)現(xiàn)了高精度和復(fù)雜性的設(shè)計(jì)，展示了其在人類尺度上的應(yīng)用潛力。Alga-table 2.0 項(xiàng)目則展示了這種方法在大尺度家具設(shè)計(jì)中的可擴(kuò)展性和創(chuàng)新性。通過利用海藻基材料的特性和生物算法的計(jì)算能力，設(shè)計(jì)師能夠創(chuàng)造出美觀且環(huán)保的解決方案。

從控制論的角度，將生物計(jì)算設(shè)計(jì)與基于廢棄海藻的循環(huán)材料融為一種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法，展示了設(shè)計(jì)在應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境條件中的適應(yīng)性和潛力。通過跨學(xué)科合作和數(shù)字制造技術(shù)的創(chuàng)新，生物計(jì)算設(shè)計(jì)的變革潛力得以充分發(fā)揮。Green Bloom 和Alga-table 2.0 兩個(gè)項(xiàng)目不僅在形式上表現(xiàn)出色，更在功能性和可持續(xù)性方面具有優(yōu)勢，驗(yàn)證了本研究方法的有效性。

本研究強(qiáng)調(diào)了設(shè)計(jì)與生物學(xué)、材料科學(xué)的深度結(jié)合，未來的研究應(yīng)繼續(xù)推動(dòng)跨學(xué)科合作。同時(shí)，通過理論研究和實(shí)踐項(xiàng)目的結(jié)合，不斷推動(dòng)生物計(jì)算設(shè)計(jì)方法論的發(fā)展和完善，為設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供更加豐富的工具和方法。未來的研究應(yīng)優(yōu)化生物計(jì)算設(shè)計(jì)的算法，提升其在復(fù)雜環(huán)境中的精確度和適應(yīng)性，并探索其在更大尺度和更多領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。通過不斷創(chuàng)新，設(shè)計(jì)師可以利用這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)更環(huán)保和高效的設(shè)計(jì)方案，推動(dòng)設(shè)計(jì)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。這一創(chuàng)新方法在理論和實(shí)踐中展示了其必要性和可行性，為未來設(shè)計(jì)研究提供了新方向和工具。

參考文獻(xiàn)

[1]李杰，蔡新元.人工智能使設(shè)計(jì)重返“意義”[J].設(shè)計(jì)，2024，37（02）：30-35.

[2]Pink S，Ardèvol E，Lanzeni D. Digital materiality[M]//Digital materialities. Routledge，2020：1-26.

[3]Frazer J. A natural model for architecture[J]. Computational Design Thinking，2011：149-157.

[4]Salcedo-Sanz S. A review on the coral reefs optimization algorithm：new development lines and current applications[J]. Progress in Artificial Intelligence，2017，6：1-15.

[5]Oxman N，Laucks J，Kayser M，et al. Biological Computation for Digital Design and Fabrication[C]//Computation and Performance–Proceedings of the 31st eCAADe Conference. 2013，1：585-594.

[6]Kolarevic B，Klinger K. Manufacturing material effects：rethinking design and making in architecture[M]. Routledge，2013.

[7]Steffen W，Richardson K，Rockstr?m J，et al. Planetary boundaries：Guiding human development on a changing planet[J]. science，2015，347（6223）：1259855.

[8]Wiener N. Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine[M]. MIT press，2019.

[9]Meadows D H. Thinking in systems：A primer[M]. chelsea green publishing，2008.

[10]Chen H，Pasquero C. Making Matter：Small-Scale Biomorphogenic Prototype Based on Ulva-Algae-Biopolymer[C]//The International Conference on Computational Design and Robotic Fabrication. Singapore：Springer Nature Singapore，2023：379-394.

[11]Cantrell，R. S. amp; Cosner，C. Spatial Ecology via Reaction-Diffusion Equations（J. Wiley，2003）.Tilman，D. amp; Kareiva，P. Spatial

[12]Tilman，D.，amp; Kareiva，P.（2018）. Spatial Ecology：The Role of Space in Population Dynamics and Interspecific Interactions（MPB-30），vol. 30. Princeton University Press.

[13]Carpo M. The second digital turn：design beyond intelligence[M]. MIT press，2017.

[14]Ian Gibson I G. Additive manufacturing technologies 3D printing，rapid prototyping，and direct digital manufacturing[J]. 2015.

[15]Ling A S. Design by decay，decay by design[D]. Massachusetts Institute of Technology，2018.

[16]邵俊森，鞏淼森.可持續(xù)發(fā)展背景下可降解塑料產(chǎn)品服務(wù)設(shè)計(jì)研究[J].設(shè)計(jì)，2023，36（24）：97-99

[17]Thomson J A. On growth and form[J]. 1917.

[18]李杰，王冠云.“智能”加持讓設(shè)計(jì)師轉(zhuǎn)型決策者和創(chuàng)意指導(dǎo)者[J].設(shè)計(jì)，2024，37（02）：72-75.