基于3D打印技術的人工鳥巢設計研究

笪娟娟　肖康

摘 要：本文通過調查環巢湖三個國家濕地公園的夏候鳥和留鳥種群數量以及棲息地環境、天然巢的形態、人工巢的使用等，深入研究該區域天然巢的多樣性特征，選取三個具有代表性的鳥巢，分別為灰喜鵲營建的樹干巢、灰頭綠啄木鳥營建的洞巢和家燕營建的建筑巢。通過總結營巢方法、巢材構成、巢穴尺度、巢盤特征及營巢樹種等，探索如何基于3D打印技術進行仿生人工鳥巢的設計，提出適宜的設計方法。包括設計原則、材料選擇、模型構建、色彩設計等，為環巢湖濕地鳥類種群保護與科學管理提供相關依據。

關鍵詞：環巢湖；濕地；3D打印；人工鳥巢；設計

中圖分類號：S769；TS853? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2023）04-0016-04

自然界的鳥巢形態多種多樣，大多數鳥類依據營巢地點，選用適當材料，如樹枝、樹皮、樹葉、枯草、泥土、蛛絲、青苔、羽毛，甚至蛇蛻等營造出可使鳥卵不致滾散，且有利于親鳥孵化和喂雛的巢。天然鳥巢的營建并非是一件易事，鳥類要經過成百上千次銜取巢材，少則幾天，多達數月方能完成鳥巢的營建。如喜鵲夫婦需要經過三期“工程”，第一期“工程”用粗大樹枝搭出鳥巢骨架，第二期“工程”用泥土涂抹樹枝縫隙之間，同時不斷加固鳥巢結構，第三期“工程”用更多的泥土和干草填塞在鳥巢內側，圍成大約5厘米厚的泥盆，待泥盆干燥后，再把各種柔軟材料鋪在泥盆表面，總耗時長達1個多月。即便如此，絕大多數的鳥類一旦進入產卵期，就開始營建各自的巢。然而，盡管鳥類筑巢范圍廣泛，但由于棲息地生態環境變化，有時也會難以找到合適的住處，如空心古樹的消失會直接影響次級洞巢鳥類（包括大山雀、沼澤山雀、灰椋鳥等）筑巢。環境污染使得鳥類利用人造材料營巢，如大嘴烏鴉將鐵絲衣架弄彎卡在樹上代替樹枝筑巢，暗綠繡眼鳥使用人類丟棄的塑料繩來筑巢。使用這些材料筑巢的鳥類，其幼鳥很可能會有誤食或被纏繞的危險，從而降低繁殖概率。

在我國，人工巢研究實驗多采用宋杰提出的巢箱模型，主要集中于個體繁殖生物學以及蟲害、鼠害控制等方面[1]。人工巢的類型多為巢洞型，使用對象較為單一，對其他鳥巢類型關注較少。本文通過對環巢湖三個濕地的天然鳥巢多樣性進行分類研究，選取具有代表性的典型鳥巢樣式，結合3D打印技術原理，進行仿生人工鳥巢設計研究。

1 研究區域概況

本項目研究地點為環巢湖三個濕地公園，包括巢湖半島國家濕地公園、巢湖柘皋河省級濕地公園以及巢湖槐林省級濕地公園。三個公園呈現帶狀沿巢湖分布。其中，巢湖半島國家濕地公園位于巢湖北部，由花塘河濕地、烔煬河濕地、雞裕河濕地以及沿湖灘涂組成。柘皋河省級濕地公園，地跨中垾鎮、夏閣鎮和柘皋鎮，由柘皋河河道和巢湖沿岸濕地及龜山區域組成。巢湖槐林省級濕地公園位于巢湖南部槐林鎮，東靠高林河入湖口處，北至朱家崗西側，西至兆河東側大圩埂，南至兆河大橋東側。三個濕地公園目前都規劃了濕地保育區、恢復重建區、科教宣普區、管理服務區和合理利用區。

在2020年7月—2021年6月，對環巢湖三個濕地公園的鳥類種類、數量和生境因子進行了調查，共記錄鳥類15目，49科，157種。其中，能夠在濕地公園中繁殖營巢的夏候鳥和留鳥，包括國家Ⅱ級重點野生保護鳥類9種，安徽省重點野生保護鳥類16種，國家“三有物種名錄”保護鳥類41種。共66種。本文服務對象將圍繞25種重點野生保護性鳥類進行研究，對其巢穴類型進行分類，并選取三個典型鳥巢樣式深入探索人工鳥巢的設計。

2 天然巢的形態特征

2.1 五種天然巢類型及其營巢鳥類名稱

天然巢根據營建地點的不同，可分為五種類型。其中營建在地面上的巢穴稱為地面巢，通過對環巢湖三個濕地中25種重點野生鳥類巢穴營建調查，發現營建地面巢的鳥類只有1種，為環頸雉；營建在樹干或者草莖中的巢穴，稱之為樹干巢，在三個濕地中，營建樹干巢的鳥類共14種，分別是赤腹鷹、松雀鷹、黑翅鳶、黑鳶、灰喜鵲、暗綠繡眼鳥、紅嘴藍鵲、小鴉鵑、黑枕黃鸝、斑嘴鴨、畫眉、紅尾伯勞、棕背伯勞；利用空心朽木或啄洞為巢的將其稱之為洞巢，該區域中營建洞巢的鳥類共5種，分別是星頭啄木鳥、紅隼、大斑啄木鳥、白胸翡翠以及灰頭綠啄木鳥；將巢搭建在水面浮葉上的稱之為水面浮巢，該區域營建水面浮巢的鳥類只有1種，為水雉；將巢穴營建在建筑檐下的稱之為建筑巢，該區域筑巢的鳥類共2種，分別是家燕和金腰燕。這些鳥中還有3種不營巢，將卵產在其他鳥巢中，分別是大鷹鵑、四聲杜鵑和噪鵑。

2.2 三種典型鳥巢的巢穴特征

鳥巢具有保護卵和雛鳥發育的作用，是依托于特定的巢樹、巢枝而形成的物理環境。一個天然巢的營造需要綜合考慮筑巢親鳥的形態和行為特征。一般來說，巢的大小主要由親鳥體型決定[1]。天然巢的形態多變，根據《世界鳥巢圖鑒記載》，包括碗狀巢、杯狀巢、球狀巢、半球狀巢、梨狀巢、袋狀巢、編織巢、樹洞巢等。對不同鳥類而言，所構筑的巢穴不同，天然巢的材料組成、構建方法、巢穴尺度、巢盤特征也都不相同。以灰喜鵲巢、灰頭綠啄木鳥巢、家燕巢為例，其特征如表1所示。

3 人工巢箱的使用

鳥類招引可為自然界鳥類提供適宜的居住環境，增加鳥類在惡劣氣候環境中的生存幾率，同時也降低了野貓、黃鼬、蛇類等天敵對鳥類的危害，使其有安全的場所營巢，進而增加鳥類數量，抑制害蟲的發生，形成良性循環[2]。傳統人工巢箱的設計多以人類視角考慮鳥類生存的必要功能，但由于技術限制或者造價成本等問題，人類為鳥兒制作的巢穴，往往忽略了服務對象的大部分需求，如不同鳥類的行為特點、形體特征、巢箱形態等。因此，在以往的人工巢箱設計中，通過研究發現，只有次級洞巢鳥對人工巢箱的接受程度最大，其他鳥類使用人工巢箱的可能性較小。在巢湖半島三個濕地公園常見的人工鳥巢是以木板構建的小型巢箱和椰子殼構建的小型巢洞為主。能滿足部分小型洞巢鳥繁殖需求，如大山雀、麻雀以及啄木鳥科等鳥類。從整體上說，招引種類受限程度較高。同時，由于氣候環境影響，巢箱常年曝曬或雨水侵蝕，巢箱易變形腐朽損壞，整體利用率較低。

4 基于3D打印技術的人工巢箱設計研究

目前，我國對于人工鳥巢的研究工作處于基礎應用階段，主要用于繁殖生態學的監測和調查，沒有真正把人工鳥巢作為保護措施深入開展人工鳥巢設計的系統性研究[3]。在2019年，美國加州大學伯克利分校建筑系教授帕茲·古塔蕾斯帶領的學生團隊，利用3D掃描、3D打印技術及機械編織工藝，制作了一個大型的織巢鳥鳥巢。這一系列研究使得利用3D打印技術設計人工鳥巢成為可能，且對該領域未來發展起到引領作用。

4.1 3D打印技術對于人工鳥巢設計的可行性分析

3D打印技術憑借其微米級精度和加工復雜三維結構的技術優勢，在微結構成型領域有巨大應用潛力[4]。天然鳥巢結構復雜，以灰喜鵲為例，淺盤狀的外輪廓由幾百上千根枯樹枝堆集而成，再用大量的枯草葉及草莖將枯樹枝縫隙填補，使得巢穴更加穩固，最后在內部墊以枯葉、苔草、獸毛、麻、樹皮纖維等材料，用以巢穴保溫。3D打印技術有效地解決了人工鳥巢的外部結構問題，通過模型制作模擬不同鳥類的巢穴形態。因此，無論是淺盤巢、碗狀巢還是頸瓶狀巢穴，3D打印技術都能還原天然巢的外形和結構。其難點在于人工鳥巢模型構建以及3D打印材料選擇等，這成為3D打印技術在人工鳥巢設計中的關鍵。

4.2 基于3D打印技術的人工鳥巢設計原則

4.2.1 形態仿生原則

形態仿生是人類模擬自然界事物進行再設計時常用的方法，傳統人工鳥巢的形態設計往往將巢穴設計成房屋形狀，事實上，人類設計的“房子”巢箱鳥兒是否喜愛是個問題，實驗數據表明，麻雀對此類人工巢箱的適應程度較好，入巢率可達60%左右，大山雀入巢率約為35%，而紅角鸮的入巢率僅為16%左右。且均為洞巢鳥，其他鳥類幾乎不入住“房子”巢箱。為突破這一局限性問題，在人工鳥巢的設計上應進行形態仿生，還原鳥類喜愛的巢穴樣式和造型、尺度、色彩等。最大限度地吸引不同類型的鳥類使用人工鳥巢，使鳥類保護方式更為有效多元。

4.2.2 分類設計原則

自然界的鳥巢形態豐富多彩，大小不一。在對人工鳥巢進行設計時，應將自然鳥巢按照類型、尺度、建造方法進行分類。分類本身是一種信息組織與呈現方式，其合理性取決于人們是否容易理解，且能夠有效區分。因此，對于自然鳥巢的調研工作必不可少。分類后，對每種類型的鳥巢設計出1-2個典型模型，再根據實際使用情況和鳥類使用偏好進行設計調整。

4.2.3 生態安全原則

安全性是鳥類在選擇營巢地點時重點考慮的首要問題，鳥卵和雛鳥是許多蛇類及其他動物的天然美餐。因此，人工鳥巢的設計要有足夠的安全穩定、扎實堅固，能夠阻擋外界各類環境因素的刺激，材料須易于維護、不易腐爛等。同時，傳統鳥巢大多取材于自然環境，材料安全可靠，在進行人工鳥巢設計時，同樣要選擇環保材料，避免對鳥卵產生刺激，增加其成功孵化的可能性。

4.3 基于3D打印技術的人工鳥巢設計方法

4.3.1 材料選擇

人工鳥巢材料選擇對于整體設計而言至關重要，我國目前常見的材料有木板、椰子殼、竹筒、油氈紙、瓦罐等。由于新技術新材料的出現，也可以在人工鳥巢設計上探索更多可能。隨著3D打印技術的發展，材料也越趨多樣化。包括金屬材料、工程塑料、陶瓷粉末、光敏材料甚至是水泥、巖石、紙張、木材、鹽、糖等。熔融沉積技術（FDM）是近年來用途非常廣泛的一種三維打印技術，采用的材料包括ABS塑料、PLA塑料等。人工鳥巢的使用對象通常為濕地中的野生鳥類，對原材料的環保特性、可降解性、無毒無害等方面要求較高。PLA材料，有極其良好的生物可降解性和生物相容性，降解后只產生二氧化碳和水，不會對環境產生污染，是公認的綠色高分子材料。該種材料適合環巢湖人工鳥巢中的樹干巢及建筑巢的設計制作，而針對洞巢的設計則可采用3D打印中的木質材料進行設計。首先研磨木材成粉末，然后與硅酸鈉、水泥、纖維素、石膏、塑料和粘合劑混合制成細絲。其優點是成本較低，生物粘合劑和木粉結合可有效減少對環境的污染，且這種復合木材相對于純木材更為結實耐用。

4.3.2 模型構建

樹干巢：依據樹干巢中灰喜鵲鳥巢的自然形態，其結構為淺盤狀或平臺狀，采用細枯枝圍繞堆集形成，外徑170-180mm，內徑110-120mm，高200mm，深0-70mm。設計時，使用CINEMA 4D進行人工鳥巢模型制作。該模型設計要點一是模擬樹枝搭建形態，二是構建淺盤狀巢穴造型。要解決這兩個問題，第一步，需要設計鳥巢的構成要素——細枯枝。利用擺線制作天然鳥巢的單個細枯枝的弧度與造型，通過添加圓環來控制細枯枝的粗細，最后通過縮放控制細枯枝起始段和末端的大小，盡量還原細枯枝的原始形態。通過復制細枯枝，并調整其粗細、長度、造型等，完成幾種類型造型的細枯枝設計。第二步，根據天然鳥巢的外徑、內徑、深、高等，利用圓柱體，通過上下表面縮放及復制操作，設計樹干巢基礎的碗狀或盤狀造型。第三步，點擊運動圖形添加克隆，框選設計好的細枯枝添加為碗狀巢穴的子集。第四步，調整對象屬性，運用表面體積分布、圖形效果器中的隨機效果克隆，調整合適的數量和參數，如圖1所示。

洞巢：依據《世界鳥巢圖鑒》一書中對于啄木鳥洞巢造型的介紹，其洞穴洞口為圓形，直徑為50-60mm，內部則為圓柱狀，內徑為130-150mm，深度可達240-420mm。灰頭綠啄木鳥喜愛在木材腐朽的樹干上筑巢。考慮其鳥巢特性，設計時需解決三個問題，第一，模擬原始樹干。利用SKETCH UP模擬樹干形態和表皮紋理設計一段樹干造型。第二，根據灰頭綠啄木鳥巢穴形態特點，設計巢穴的具體造型。分為洞口及巢身兩大組成部分，洞口設計為口徑60mm的圓形，巢身則設計為內徑150mm，深度300mm的圓柱體，圓柱體的上下兩端根據巢穴形態特點稍做收口處理。之后再將洞口與巢身相連接，刪除交接處多余模型部分。第三，將設計好的巢穴放置樹干中，這一步需要確定兩個模型位置，利用模型交錯，讓巢穴在樹干中交錯顯示相應形態，再將該形態刪除，便可得到鑲嵌在樹干內部的灰頭綠啄木鳥巢穴，如圖2所示。

建筑巢：依據自然界家燕巢形態為設計對象，并分析其巢穴特點。家燕通常營巢于檐下，既可以遮風避雨又能在一定程度上躲避蛇類天敵。隨著現代化進程推進，城市中大量人字形雙坡屋頂被拆除，原本帶有寬大屋檐的建筑也被高層取代。光滑的外立面使得家燕巢的附著能力變差。家燕巢在城市中變得難以尋覓。因此，結構設計要考慮檐長度、檐下擋板組合形式和擋板寬度[5]。家燕傾向于三板式檐下結構單獨繁殖[3]。該模型設計步驟與灰喜鵲鳥巢模型類似，利用C4D軟件，先設計家燕巢的組成部件，不同尺寸的泥點及組件鳥巢的植物纖維。再根據家燕巢的身體尺寸，利用矩形與二分之一圓柱設計家燕巢的檐下擋板及鳥巢的造型。運用表面體積分布、圖形效果器中的隨機效果克隆，調整合適的數量和參數，盡可能還原原始家燕巢穴的形態。利用該方法設計的人工巢模型外觀真實，尺寸準確，結構堅固，于后期的打印和使用而言，可操作性較強，如圖3所示。

4.3.3 基于3D打印技術的人工鳥巢色彩設計

目前，3D打印上色技術主要有兩種，一種是以單色打印為主，后期經過打磨、修補、噴漆上色，另一種則是使用彩色打印機打印。常見的PLA、ABS、尼龍、光敏樹脂材料都為單色打印。根據需要使用有色耗材打印，也可以在后期進行色彩噴繪，但需要注意的是人工鳥巢的服務對象為野生鳥類，其安全性尤為重要，普通噴漆技術會有三廢排放以及重金屬超標問題，應使用環保納米噴鍍技術進行上色。天然鳥巢的色彩多為灰色、暗綠色、棕色或棕褐色。這是由于鳥類多使用其生存空間場地的材料進行巢穴營造，便于與周圍環境相融合，躲避天敵和進行偽裝。因此，在人工鳥巢的色彩設計上，其外表面應根據鳥巢安置地點環境顏色進行色彩選擇。而內壁則不宜噴涂顏色，應保持原材料的特點，避免影響鳥類的生命安全。

5 結語

目前，3D打印技術以其具有的數字化、智能化、個性化特點，被廣泛運用到工業制造、生物醫學、建筑工程、教育教學等各個領域，并發揮了巨大作用[6]。將其運用于野生鳥類的保護設計中，雖具有一定難度，如鳥巢結構復雜，打印過程中所需的支撐材料較多，需要級別較高的3D打印設備才能完成。但其在人工仿生鳥巢設計中，具有較高的創新性和可行性。利用3D打印技術進行鳥巢的設計過程，不僅能夠強化人們對天然鳥巢的認知，還可以通過軟件模型制作不斷優化鳥巢結構，這無疑為人工鳥巢的發展提供了全新思路，對野生鳥類的保護及生態環境可持續發展都具備積極意義。

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參考文獻：

〔1〕魏頤凊，崔國發.東方白鸛鳥巢結構特征與人工巢架設計[J].應用生態學報，2014，25（12）：3451-3457.

〔2〕朱家貴，溪波，杜志勇，等.董寨國家級自然保護區人工巢箱招引鳥類研究[J].安徽農業科學，2016， 44（18）：160-161+179.

〔3〕魏頤清.人工鳥巢設計方法初探[D].北京：北京林業大學，2014.

〔4〕姜晨，朱達，魏久翔，等.基于3D打印的大尺寸豬籠草口緣區仿生表面設計[J].機械工程學報，2021，57（13）：225-231.

〔5〕劉佳妮.基于鳥類棲息地修復的浙江省城市濱水開放空間設計研究[D].杭州：浙江農林大學，2015.

〔6〕樊佳.基于3D打印技術的工業產品造型設計與研究[J].機械工程與自動化，2021，40（04）：185-187.

收稿日期：2022-12-27

基金項目：巢湖學院2021年度校級科學研究項目（人文社科）（XWY-202115）