基于生物行為的城市節慶交通空間優化
——以巴特萊特建筑學院仿生學方向的碩士培養為例

萬之源 | Wan Zhiyuan

楊云迪 | Yang Yundi

倫敦大學學院（University College London，UCL）巴特萊特建筑學院（The Bartlett School of Architecture）有建筑學、城市設計、風景園林、設計管理4個專業，筆者是2018—2019 學年度的城市設計專業碩士生，該專業有基于仿生學、分體學、大數據、虛擬現實、氣象學、數字媒體的城市設計6個研究方向。兼任該學院城市形態發生實驗室（Urban Morphogenesis Lab）主任的克勞迪婭·帕斯奎羅（Claudia Pasquero）領導了其中的第16城市設計研究工作室，團隊分為3個小組，每組3～4人，分別以多頭絨泡菌、蜘蛛和結晶鹽的性質及形態衍化為出發點進行基于仿生學的城市設計探究，本文將以多頭絨泡菌為例闡述其介入城市設計專業碩士教育的思想、方法與過程。

1 仿生學的理論簡述

仿生學（Bionics）一詞來源于希臘語的“bios”，有自然、生命的意思，是一門從技術可用性的角度研究生物有機體的機制和功能的應用科學①。仿生學的發展和應用由來已久，如一戰中的德國潛水艇氣閥便是受到魚鰾的啟示，雷達則受益于蝙蝠回聲定位的啟發等，其于1960年由美國軍醫杰克·斯蒂爾（Jack E.Steele）正式定名②。在建筑領域，美國建筑師巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller）受蜂窩的棱形結構啟發，在蒙特利爾世博會（1967）的美國館的設計中采用了球形構架結構（Geodesic Dome）③（圖1）。還有學者通過研究白蟻穴的內部空間結構，以尋求建筑空間的通達性與通風問題④，通過研究蜘蛛的結網過程與形態，試圖創造出穩定性高的懸索結構橋梁等⑤。城市設計作為一門人居環境營造技術也可借鑒某些生物有機體的機制和功能為我所用，并從規劃設計思想和方法視角啟發人居環境營造，而克勞迪婭便是當代仿生學介入城市設計的重要學者之一，其從2006年開始探尋生物與城市的關系，并在2010年相繼出版《世界海洋生物孵化器—迪拜》（The World Dubai Marine Life Incubators）和《系統建筑學》（Systemic Architecture）兩本著作，前者介紹了生物培育與樣本觀察經驗對迪拜城市空間流暢性的營造⑥，后者則是研究生物的習性與制品在城市設計中的應用⑦。

圖1 球形構架

為探尋仿生學對于城市設計的意義與應用價值，克勞迪婭布置研究生進行生物行為習性的實驗與觀察，冀望與城市設計產生類比求同，汲優補缺的認識。觀察實驗是以一種具有生長智慧的真核菌類—多頭絨泡菌（Physarum Polycephalum）為藍本開始的。

2 生物行為實驗

多頭絨泡菌是一種古老的具有負趨光性（Nagative phototaxis）且介于原生動物（Protozoa）和真菌（Fungus）之間的微生物⑧。其與原生動物有相似的進食行為，主要以小型菌類和其他有機顆粒為食；依靠孢子囊中釋放的游離態孢子進行繁殖，且為增強組織韌性和附著性可產生類似植物和真菌的細胞壁⑨。另外，在暗箱中，該菌落的生長環境單純，生長速度快，可控性強，培育花費的時間適合學生的學習尺度，其觀察也具有可知可感且連續的特征，故而成為一種極佳的城市仿生模擬教育的菌種⑩。

克勞迪婭帶領大家首先進行多頭絨泡菌的培育與觀察。菌落對生長環境要求苛刻，故需嚴格按照其培育標準施行?。其培育過程有制備培養基、菌落投放、營養物質制備與添加4步（圖2）；生長觀察則因多頭絨泡菌厭光，故需利用暗房延時攝影完成（圖3）。

圖2 黏菌培育工具（楊云迪攝）

圖3 實驗觀測器具

采用濃度2%的瓊脂溶液作培養基，從母培養基上切下多片菌落植入培養基，每日三次用鑷子向菌落中心投放麥片顆粒或用注射器注射稀釋的燕麥片粥，以維持其生長發育?。

在菌落成功培育的過程中，生物行為觀察得以開展。克勞迪婭安排了菌落自由擴散行為和菌落避障行為兩個實驗。

（1）菌落自由擴散行為實驗

將菌落和餌食分散放置在培養皿各處，觀察記錄菌落由小到大的蔓延式擴張過程，以及不同菌群觸碰后的營養傳輸網的形成與擴散軌跡。經延時拍攝觀測：單菌落或多菌落在吸引點（餌食放置點）有序排列下的生長軌跡（圖4～5）；多菌落在吸引點無序排列下的平面及曲面生長軌跡（圖6～7）。以此類比人居環境在受資源吸引條件下由聚落—城市—城市群的發軔、擴展、蔓延與聯絡的過程。

圖4 有序單點擴散（拍攝間隔8h）

圖5 有序多點擴散（拍攝間隔8h）

圖6 平面亂序多點擴散（拍攝間隔8h）

（2）菌落避障行為實驗

以10cm見方的薄玻璃板上用無痕膠固定PVC板制備的迷宮作為培養基，將菌胚植入迷宮入口處，延時拍攝觀察多菌落的生長軌跡。該實驗需按餌食密度分為4組對照進行，僅有一組在64小時內爬離迷宮（圖8），其余3組皆因餌食過于稀疏分散，養分短缺而死亡。以此類比人類聚居環境在受河流、山脈等限制與受資源吸引條件下，其生長發育的過程。

圖7 曲面亂序多點擴散（拍攝間隔8h）

圖8 黏菌走迷宮（拍攝間隔8h）

上述兩個實驗產生了以下觀察結論：在自由擴散行為實驗中，因餌食點分布較為均勻，菌落生長分布同樣較為均勻，且會隨時間在較近的兩個餌食點間形成一條較粗的養分輸送路徑；在避障行為實驗中，菌落每當蔓延至岔路口時，都會向不同路口延申出一小段以試探其與餌食的距離，當某一端先觸碰到后續的餌食時，則該端生長蔓延速度加快并形成主干養分輸送路徑。兩組實驗都反映黏菌會優先以最近的餌食點為目標生長擴散，從生物行為的角度展示了多頭絨泡菌的生存智慧。這種生物行為與智慧也可映射到人類的城市與社會的自我組織與發展模式中，從而給城市設計帶來一些理性預判與思想火花。

3 生物行為的計算機模擬

多頭絨泡菌的生物行為模式及其菌落形態發展與人類城市系統的自我組織、外向擴張、趨利互連等具有高度的相似性?，因此，如何將多頭絨泡菌的生長擴張模式用適宜的計算機軟件進行仿生模擬，便成為后續城市設計運用的關鍵。

雖然仿生模擬可以依靠多種軟件實現，但作為建規景的學生都能掌握的軟件便是Rhino（犀牛），故而克勞迪婭引導同學結合一款基于Rhino的、有數形結合功能的插件——Grasshopper完成此項學習內容。

根據生物學對多頭絨泡菌生物行為規律的解讀，為達到最低生物能耗，其生長軌跡決定于外圍細胞經探索感知后所優選出的多條養分輸送路徑，其中最粗的一條則是兩點間的最短路徑?；因多頭絨泡菌的生長為間斷式和避障探索式，故最短路徑非直線。以此為切入點用Grasshopper插件編寫出一套基于最短路徑的算法，以模擬黏菌生長點到餌食點的營養傳輸路徑。對前期延時攝影圖像進行識別判讀，可由簡入繁地歸納出菌落擴張的6種生物行為模式：單菌落擴張，單菌落趨利擴張，多菌落趨利擴張，以及以上三種模式下的避障擴張。利用Grasshopper的圖形編碼與數據可視化功能，根據拍攝圖像的形態變遷與尺度，將生長規律和影響生長的因子替換為圖形語言，調試編碼參數以控制圖形尺度與生長速度等。

Grasshopper的圖形編碼及其相應的數據可視化可運用于模擬城市蔓延?，優化城市、公園和景區的路網系統，制定城市節慶時期的交通管控方案等，也可成為平面與空間造型設計時不可思議而又充滿生物智慧的的思想源泉。下面以單菌落避障趨利擴張行為實驗為例來闡述其從理性調試過程到感性造型創作的飛躍。

設想迷宮的形態為圖9所示，A和B分別為起始點和終點，C為餌食點（綠點）的分布近似曲線（基準曲線），在此運用最短路徑算法后得到曲線D，即為A到B的最短蔓延路徑——主干路。生成分支路徑的方法為增加基準曲線周邊離散點的數量，從而增加A到B的步數，爾后疊加出的圖像便能近似還原多頭絨泡菌的生長軌跡（圖10）。基于該技術手段，通過更改“迷宮形態”、起止點位置和路徑復雜程度等參數，進而可得到千奇百怪的基于多頭絨泡菌生長的平面路徑和空間路徑（圖11）。這些三維空間模型刷新了我們對物質空間的認識并充滿了生物智慧與藝術迷離，也使學生領悟出基于仿生學的城市設計不僅要關注理性的仿生借鑒，同時還需認識到城市仿生創造的價值，而這樣的體驗是通過克勞迪婭布置的技術延伸專題實現的。帶著滿滿的期待，我們將8個月的學習成果運用在了畢業設計中。

圖9 通過障礙物的最短路徑（萬之源繪）

圖10 15種路徑模擬結果（姜沛哲繪）

圖11 交通路徑模擬圖（a 楊云迪繪；b 羅清吟繪；c 姜沛哲繪；d 黃楊陽繪）

4 畢業設計——基于多頭絨泡菌生長模型的城市節慶空間交通優化

研究生學習的最后3個月便是運用前文介紹的多頭絨泡菌的生物行為實驗及其計算機模擬來進行畢業設計了，畢業設計選題定為泰國曼谷潑水節慶時的交通管制優化。

曼谷是世界著名的旅游城市，每年4月中旬的潑水節既是傣族的新年，又是為期一周的全國性盛典，這一活動每年都吸引著成千上萬的世界各地游客來泰國旅游體驗?，該一時段的城市交通管控便成為城市慶典的重要保障，我們的課題便是圍繞該背景展開。

通過對曼谷為期10天的現場調研與勘探，選取曼谷中心的拉差達區（Ratchada）內四種最受歡迎的節慶地點分別進行生物自由擴散行為實驗。經調研，該區域有舉辦潑水節的寺院6座和宮殿1座，體育場館6座，公共綠地11處和夜市6處，總計30處的節慶地點冠以“+”標記；將拉差達區供游客旅居的酒店區3處冠以“O”標記（圖12）；隨后將地圖上的“+”點與“O”點等比縮放至培養基尺度，在3個酒店區植入等量菌胚，將30處代表性節慶地點按4大類別，分別放置與調研數量等額的麥片顆粒（圖13），以此為基礎開展“城市片區尺度”的生物自由擴散行為實驗。經64小時培育，將拍攝的4組實驗影像分別與該區域城市路網按同等比例疊加（圖14）。

圖12 城市節慶熱點與旅居點

圖13 培養基中對應的餌食點與菌胚投放點

圖14 多頭絨泡菌與城市

因生物行為實驗僅在吸引點數量較少時結果較為精確，反之則會無規律性蔓延，故上述步驟需分4組對照實驗獨立完成。其全面表現則需用先前調試好的Grasshopper的最短路徑算法進行以城市路網為基礎的綜合生長模擬，通過量化菌落在吸引點綜合條件下的生長軌跡對城市節慶交通流量進行模擬與評價，以便為城市交通管制方案的制定提供依據。

將經ArcGIS采樣后的曼谷拉差達區道路交通網格導入Grasshopper模擬器作為基礎路徑，在河流水系和山體處設置障礙，標示寺廟、體育館、公共綠地和夜市共計30個潑水節吸引點，以及3個旅居區作生長起始點?，最后采用Grasshopper生物計算模擬的方法生成潑水節下人的活動軌跡（圖15a），得到在城市節慶下流量較大的路徑（粗線），和流量較小的路徑（細線）。經與原始路網疊加并近似取樣，得出潑水節時段各道路的載流（圖15b）。

圖15 a 潑水節人居活動軌跡 圖15b 潑水節道路載流（姚逸凡繪）

至此基于仿生學的畢業課題研究告一段落，下一階段的交通管控方案的制定內容因與本文主題無關，限于篇幅不再贅述。經與克勞迪婭協商，潑水節人居活動軌跡的最終成果形式為經像素化處理的版畫刻錄模型（圖16）。

圖16 a 定稿路徑規劃方案 b 激光切片過程 c 實體模型照片

結語

就本次研究性設計的成果而言，現在看來還有未盡之處與深化的空間，甚至若深究曼谷城市片區仿生模擬的細節，其結果還略顯粗糙，但本文意圖并非為展示一幅設計作品，更注重的是多頭絨泡菌介入城市仿生設計的新方法及其碩士培養教育過程。且該方法并非停留在理論探討層面，而是通過教學組織設計，融入到碩士生親歷親為的學習過程之中，這即是巴特萊特建筑學院給我國建筑及城市設計學科教育所能帶來的啟示。

（注 感謝巴特萊特建筑學院城市設計第16設計研究工作室—多頭絨泡菌研究小組其他成員羅清吟、姜沛哲和黃楊陽的辛勤付出）

資料來源：

圖1：https://baike.baidu.com/pic/建筑仿生學/22392645/0/8644ebf81a4c510fdc0beb206c59252dd42aa538?fr=lemma&ct=single#aid=0&pic=8644ebf81a4c510fdc0beb206c59252dd42aa538 ；

圖3：來源于UCL2017-2018學年城市設計16工作室作品集；

文中其余圖片凡未署名均由楊云迪、羅清吟、姜沛哲和黃楊陽繪制、拍攝完成。

注釋

①管玥.建筑與仿生學[J].規劃與設計,2018(05). p.73-74。

② Alexa nder,Tesar.Bionics a nd fractal configurations in structural engineering.International Journal for Numerical Methods in Engineering. Vol.3(2006):795-796。

③Rebecca,Dalvesco &R. Buckminster Fuller.the Expo'67 Pavilion and the Atoms for Peace Program. Leonardo. Vol.50.Issue 5(2017):488-489。

④ Bratton,Benjamin.Computer application technology in bionics.New Normal.Vol.13(2016):12-14。

⑤ Sujeet,Ganesh,Kore.Design and Analysis of a Machine Tool Structure Based On Structural Bionics. International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research. Vol.8(2014):135-136.

⑥ Pasquero,Claudia.The World Dubai Marine Life Incubators.Biological thought and technology.Vol.5(2010):27-29。

⑦ Pasquero,Claudia.Systemic Architecture.Bionic structure.Vol.14(2010):42-44。

⑧ Adamatzky,Andrew.Physarum machines:encapsulating reaction-diffusion to compute spanning tree. Die Naturwissenschaften.Vol.37(2007):978-980。

⑨ Jonghyun,Lee.A novel growth mode of Physarum polycephalum during starvation.Institut für Biophysik.Vol.12(2018):87-90。

⑩ Li,Lee.Inspiration of the biological behavior of Physarum polycephalum on mathematical modeling. Physics of Life Reviews. Vol.3(2019):38-40。

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