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模仿自然界生物的运作方式,能够节约更多资源

蛛丝和火甲虫

位于蜘蛛腹部的腺体可分泌出6种不同的细丝原料,编织在一起变成蛛丝。这种丝线具有独特的高强度与延展性,比所有人造纤维都要强韧。一位材料学家形象地描述蛛丝的强度和韧性:“如果用铅笔杆粗细的蛛丝来结张大网,这张网甚至可能拦截住一架飞行中的波音747。”

在人造纤维中,最接近蛛丝特性的纤维材料叫做芳纶纤维,虽然其韧性仍不及蛛丝,但强度可与蛛丝相媲美。然而,要造出芳纶纤维,需要极端的压力和极高的温度,会严重污染环境。而相比之下,蜘蛛却能在再普通不过的环境中,在常温常压下利用死苍蝇和水作原料轻松造出这类纤维。

一种黑色火甲虫拥有不同寻常的“红外探测器”。“探测器”薄薄的角质层中充满了水,当外界温度升高,角质层中的水会突然膨胀,膨胀带来的压力变化随即会被高敏感的机械感觉细胞所感知。利用这个原理,火甲虫可以探测到远在80千米外的森林火灾,功力大约是人造火灾探测范围的10000倍。更重要的是,这个小家伙不需要电线,不需要连接使用燃料的发电机,格外节省资源。

火箭、超级计算机、卫星、太空站、人工智能……尽管现在,人类科技已高度发达,但从蛛丝和火甲虫的例子可看出,我们依然需要向大自然取经,达到提高基本资源使用率、循环利用资源的目的。

泡泡建筑

植物和动物细胞里充满了气体或液体,借鉴细胞这个原理,建筑师设计出了一系列新颖别致的充气充液的体育建筑。这样的建筑明亮透气,结构曲线自然优美,且绿色环保。

与细胞原理类似的,还有肥皂泡的“泡泡建筑”。“泡泡建筑”不仅明亮透气,还可以通过改变泡泡直径,以适应任何凸凹不平的地面,摆脱地面形态的限制。也就是说,建筑师能够在任何复杂地面上,“吹”出自己的“泡泡建筑”英国建筑设计师迈克尔·波林和伙伴们在“伊甸园计划”中就发挥了泡泡不挑地面形态的优势。

在“伊甸园计划”项目中,建筑师们需要建立一个巨型温室。温室所处的建筑环境异常复杂,不仅不规则,而且还在不断变化,因为当地仍在不断开采当中,他们便采用了“泡泡建筑”。“泡泡”结构既能很好契合当地地形特点,减少地形不确定带来的麻烦,又能保证建筑的采光设计达到最优。

不过,粗略地确定“泡泡”形状远远不够。真正的肥皂泡泡外表面是巨大的球面结构。总不能粗暴地用巨大的空心玻璃球吧?这在技术上几乎无法实现。于是,他们将球状曲面看成由若干个有规则“小泡泡单元”相加起来的组合。这样一来,设计圆顶的问题就转变为寻找支撑性更强的小部分的几何图形问题。

花粉、放射虫和足球烯

究竟什么样的多边形拼起来才能够组成一个巨大的、近乎完美的球形曲面呢?科学家把大自然看作样本,参考一些生物精妙的结构设计来制定计划,既方便,又靠谱。

在显微镜下,花粉颗粒是由六边形组成的球体。足球烯也是这样,足球烯是碳元素的一种同素异形体,分子结构为球形32面体,由60个碳原子通过20个六元环和12个五元环连接而成,像一只足球。放射虫,一类浑身上下长满骨针和伪足的海洋单细胞动物,它们外形结构十分精美灵巧,堪称“天然的艺术形态”,同样有五边形和六边形组成的球状结构。

受这些自然生物的启发,建筑师团队选择了正五边形和正六边形这两种最简单,拼合后最接近于球体的结构作为小泡泡单元。而计算机数值模拟也支持了这一结论。并且,善于观察的建筑师又学习了蜻蜓透明翅膀的结构特点,成功解决了小泡泡单元之间的链接问题,极大地缩减了钢材的使用数量,节约了资源。

意外收获

不过,要想更高效使用资源和能源,必须重新考虑制造“小泡泡”单元的材料,因为玻璃延展性不高,无法将六边形单位面积做到最大。同时,又考虑到温室封闭式薄膜的特点,建筑师最终决定采用可替代玻璃的一种高强度聚合物材料ETFE。他们把这种材料做成三层,将边缘处焊接起来,然后充气。

这种多层材料的单元面积能够达到玻璃的7倍大,重量却仅为双层玻璃的百分之一,所用材料也仅为双层玻璃的百分之一。而且,新结构又进一步缩减了单元与单元连接处使用的钢材数量。少一些钢材,就多一些阳光进来。

巨型温室收工时,建筑师欣喜地发现,温室上方圆顶的总重量甚至低于室内空气的重量,轻飘飘的,是个名副其实的“泡泡屋顶”。

从自然生物那里学到的技巧,不仅能实现同样的功能,而且还可以达到事半功倍的效果。实际上,大自然有数不清的生物,都可以供建筑师参考。

动物骨架和大树

20世纪30年代,一位西班牙建筑师曾在巴塞尔市的一次建筑任务中突发奇想,仿照动物身体的骨架,改造了咖啡厅天花板上的钢架设计。这种模拟生物骨骼结构的建筑取得了良好的效果,不仅符合受力特性,而且还具有赏心悦目的外观。

1992年国际博览会的科威特展览馆,其屋顶是可自由闭合的结构,也是模仿动物关节设计而成的。在夜间,屋顶可以敞开,露出布满繁星的天空,供人类进行各种聚会活动。

在结构设计生物模拟方面,树状结构也是建筑师常用来参考的结构,因为比较简单。许多建筑师仿照树状结构的特点,在房屋中央设置主要的承重结构,四周则模仿树杈的生长机理,设计成悬空的楼板,外表用幕墙装饰,造出的建筑别有一番风味。

这个既美丽又高效的世界值得我们不断探索。

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