生態設計理念下的北極熊海冰平臺設計研究

胡妙笛 黃鈺準 張軍

摘要：以尊重和維護生態環境為主旨，面向北極熊棲息冰面缺失的生存問題， 為北極熊設計提供生存條件的海冰平臺。通過對生態設計理念與原則的梳理， 結合極地環境的特殊性，提出了面向極地的生態設計策略，并在此基礎上探索生態設計理念在解決冰面消融導致北極熊瀕危問題的可行性。設計了一種可供冰川生長的海冰平臺，為北極熊提供了賴以生存的冰面棲息環境，以應對氣候變暖和冰川融化帶來的威脅。將“面向極地的生態設計策略”運用于“冰種計劃”海冰平臺的概念設計過程中，驗證了其可行性，同時也為解決極地生態問題提供了新思路。

關鍵詞：生態設計理念 極地環境 氣候變暖 冰川融化 北極熊 海冰平臺

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2023）20-0129-05

Abstract：With the main theme of respecting and maintaining the ecological environment，we design a sea ice platform that provides survival conditions for polar bears by facing the survival problem of the lack of ice surface for polar bear habitat. By sorting out the ecological design concepts and principles and combining the special characteristics of the polar environment，the polar-oriented ecological design principles are proposed，and under the guidance of the principles，the feasibility of the ecological design concept in solving the problem of endangered polar bears due to the melting ice surface is explored.A glacier-ready ice platform has been designed to provide the ice habitat that polar bears depend on to cope with the threats posed by a warming climate and melting glaciers.The "polar-oriented ecological design strategy" was applied to the conceptual design of the ice platform to verify the feasibility of the strategy and to provide new ideas for solving polar ecological problems.

Keywords：Ecological design concept Polar environment Global warming Glacier melting Polar bears Ice platform

引言

地球面臨的生態系統和生物多樣性的環境危機日益嚴重，在生態設計領域保護北極熊是一個重要且急迫的課題，世界自然基金會已將北極熊確定為北極海洋生態系統復雜性和相互依存性的獨特象征[1]。由于長期的全球變暖和人類活動的影響，北極地區的氣溫急劇上升， 浮冰覆蓋率急劇下降，嚴重危及北極熊的生存領域。北極熊依靠冰面平臺獵捕海豹，浮冰融化導致獵物減少，北極熊被迫長途遷徙尋找食物，日益增長的冰面間距增加了溺斃的風險，北極熊的未來不得不依賴人類提供更多的保護措施[2]。本研究將以北極熊的生存問題為背景，基于生態設計理念，從概念設計的角度探索如何緩解北極熊危急的生存現狀。

一 、北極熊生存形勢危急及北極海冰面的重要性

極地海冰作為全球氣候系統的一個重要組成部分，通過影響大洋表面的輻射平衡、物質平衡、能量平衡以及大洋溫、鹽流的形成和循環而影響全球氣候變化[3]。在北極，冰面承載著將太陽能量反射回太空、降低地球溫度、抑制海洋與大氣間熱量交換的作用。然而隨著溫度升高，北極海冰覆蓋面積在不斷縮小，海冰的減少會使得太陽輻射熱量直接進入海水[3]，對北極的海洋生物及海域生態環境造成威脅。聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在第3 次評估報告中指出北極易受到氣候變化的影響，各種反饋機制將引起“極地放大效應”，讓北極冰川融化問題更加嚴峻。

海冰為北極熊、海豹、海象等多種生物提供棲息地和繁殖地，也是馴鹿和山牛的重要遷徙路線，對生態系統有重要作用。北極海冰的融化問題，波及整個北極海洋食物網，其中對北極熊的影響（圖1） 尤為顯著[1]。冰面是北極熊棲息和捕食的重要場所，春季海冰提前消融和秋季海冰推遲凝結導致長時間“無冰期”的出現，北極熊在無捕食平臺的情況下需要長途涉海以尋找食物，而海冰平臺的缺失也意味著在游泳路途中缺少浮冰作為落腳點，長時間的跋涉易導致北極熊在水中耗盡精力，極大地增加了它們溺斃的危險。北極生態學家Stirlin 和Derocher 曾預測，如果氣候變暖持續有增無減，海冰的消失將導致整個北極熊亞種群的減少或消失[4]。

二、面向極地的生態設計策略的提出

生態設計源于人們對于現代技術文化所引起的環境及生態破壞的反思，其關注產品從原材料提取到最終處置的整個生命周期，目前已經開發了一套相當完整的生態設計原則、指南和工具[5]。總體來看，以改善北極熊生存狀況為目標，介入北極生態環境的設計符合生態設計的理念與愿景，但目前仍然缺乏面向極地生態的方法和策略的設計指引。

對于極地的特殊環境，目前已在多種設計領域（如建筑設計、產品設計等）涌現出了不同類別的指導性原則以幫助設計師介入極地問題。如學者任飛結合南極的實地情況，建立了一套南極地區建筑設計的生態策略[6]。趙秋陽在寒地住宅的可持續發展設計對策研究中提出的寒地可持續住宅的保護環境原則、適居性原則、整體性原則[7]。在設計研究的領域甚至出現了“北極設計（ARCTIC DESIGN）”這一極端環境條件下設計行動的一般理論框架，關注北極地區的人類和非人類福祉[8]。

本文結合極地特殊的地理、生態和氣候特征，建立了一套具有適用性的面向極地的生態設計策略，為設計介入極地環境生物保護問題提供策略參考。

（一）“關注生物需求的設計策略”：從設計學科的視角介入生態問題首先需要轉變我們長久以來的“以人為中心”的設計思維，自然物種常以物質資源的形式出現在設計中，并為設計師提供靈感（如仿生設計），但它們很少被視為設計成果的直接受益者[9]。面向極地生態環境的設計需要關注生物需求，考慮生物福祉和設計的生態影響，以生物作為設計主體和重要參與者，尊重生物多樣性，確保極地生態平衡，最大限度減少對生物多樣性環境的干擾。

（二）“清潔能源使用設計策略”：可再生的新能源具有清潔、環保、持續、長久等優勢，已成為應對能源短缺、氣候變化與節能減排的重要選擇之一[10]。倡導產品在設計上采用太陽能、風能等綠色清潔能源，強調在整個產品生命周期中進行能量最小化的系統考慮。尤其在海面開闊的極地，沒有建筑物的遮擋，非常適合開發太陽能和風能等清潔能源，利用獨立發電系統，為缺電或無電的南極北極、沿海島嶼等公共電網難以覆蓋的地區解決供電問題，對于促進極地生態環境協調發展具有重大意義[11]。

（三）“擬自然的生態設計策略”：遵照自然物的外觀和自然的運行規律來設計，使產品與自然環境充分結合，創造出和諧的產品生態環境。尊重和維護生物多樣性，包括原有生物環境的保護和新的生物環境的創造。把對極地環境的影響因素降到最低程度，實現可持續發展。如在極地海面上設計產品就要考慮與漂浮海冰的適配， 維護極地動物的自然棲息地，確保它們在熟悉的環境中生存。

（四）“產品幾何化設計策略”：指在設計過程中盡量設計結構簡單、形狀對稱的產品形態，避免采用不規則的幾何圖形。極地距離市場和供應商很遠，加上氣候條件和缺乏合適的基礎設施，可能導致生產備件過程中需要更多的時間。在為極地設計產品時，產品幾何化有利于提高成型加工的效率，減少材料使用，降低成本，提高產品的堅固性，使外觀更加簡潔美觀，更好地適應極地復雜的環境。

（五）“產品模塊化設計策略”：產品的模塊化意味著對產品的功能進行歸類分析，設計同系列的功能模塊，根據需求對模塊進行組合，以構成不同功能的同體系的產品，增加產品的多功能屬性。極地極寒的氣候易導致零件的損壞，模塊化的組裝設計可以減少非必要的資源消耗[12]，在產品故障情況下僅更需換損壞的模塊，提高回收利用率，用有限的產品種類來最大限度地滿足生態環境的要求， 同時降低了成本，符合綠色生態設計理念。

（六）“材料因地制宜使用策略”：是指設計師在源頭設計上充分運用可循環的天然產品物料流，采用有彈性可再生閉環方案來形成周期性的材料流。從全局考慮產品的環境親和力，使用當地材料、植物和建材等，創造具有自然特性、地域特征的景觀，滿足“人－產品－自然”系統動態平衡[13]。如北極氣候寒冷，因紐特人就地取材以冰來建造冰屋，材料因地制宜是適應環境的選擇，能最大程度地融入極地環境、節省資源和降低成本。

（七）“產品周期延長設計策略”：設計師有責任設計更耐用的產品，提高產品的使用效能，延長產品的生命周期[14]。為了延長產品壽命，設計師應著重考慮產品所在的極地環境屬性，把極寒的環境性能作為產品設計考慮的出發點。如韓國南極科考站世宗王站經過周密的設計，從建站以來基本沒有大的損壞，依然保持良好的使用性能， 該站體現了延長產品壽命，高效節約資源和能源的重要生態原則[6]。

三、生態設計指導下的北極熊問題解決方案——“冰種計劃”海冰平臺設計

（一）極地生態設計策略下以北極熊需求為導向的海冰平臺設計研究

本研究將以北極熊為背景，探索生態設計策略如何應用于解決北極嚴峻的生態問題。同時在北極熊問題上對生態設計策略的實踐， 可以推動生態設計策略的進一步完善與發展。

在“冰種計劃”全過程的設計中，面向極地的生態設計策略作為海冰平臺的設計指導（圖2）。北極熊面臨的最嚴重和緊迫的問題是因為冰面消融導致的海面支撐平臺的減少，因此本文考慮的重點是如何為北極熊提供長期穩定的海冰平臺。“冰種計劃”海冰平臺基于極地海面陽光充足的自然條件，將太陽能作為基礎能源，為北極熊設計了一套有制冰功能的棲息平臺。不僅考慮產品的功能與極地生物的需求相匹配，而且讓產品的運行對極地生態環境起到積極作用。從極地生物的需求出發，為北極熊提供更好的生活條件。

（二）冰川自生長的北極熊海冰平臺

為北極熊設計的海冰平臺最主要的功能是能為北極熊及平臺本身提供足夠的浮力，以支撐北極熊在海冰平臺上的活動。傳統浮力材料包括浮力球、浮力筒、泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫鋁、金屬鋰、木材和聚烴材料等，但這些材料的大規模應用勢必會加劇環境污染。參照“材料因地制宜使用策略”和“產品周期延長設計策略”，本設計利用自然特性，采用人造平臺與北極海水聯合制冰的思路，將富集繩作為冰種，為北極海冰提供生長平臺，通過太陽能供電對平臺進行降溫，使海水和水中雜質凝結核在低溫條件下冷凝成冰。在全生命周期中，平臺下結的冰塊體積會逐漸增大，逐漸生成冰川，為北極熊制造有足夠浮力的冰面，提供長途游泳的落腳點和捕獵平臺， 同時緩解氣候變暖和冰川消融帶來的威脅。

（三）利用太陽能為海冰平臺提供電能

基于“清潔能源使用設計策略”，考慮到北極廣闊的海面太陽輻射量充足的特征，選擇了太陽能作為本系統的能量來源。太陽能發電對可持續發展具有重要意義，作為標志性的綠色清潔能源，取之不盡用之不竭并且非常穩定，具備非常大的發展空間以及潛力[11]。

將太陽能應用于北極海面采用離網運行的太陽能光伏發電形式。光伏發電離網運行最適合運行在“目前未被電網覆蓋的區域”且“陽光充足的地方”，而廣闊的北極海面同時滿足這兩個特點。因此，將太陽能應用于北極海面是面對北極問題的設計最優解，既十分契合兩者特征，又能變害為利，將間接導致冰川融化的陽光合理利用為可發電的太陽能。

太陽能在本系統中的作用是提供電能，從而進行除鹽、電解鈣、富集等輔助平臺制冰的活動，同時太陽能板可遮陽降溫促進制冰，并且可以為平臺運行提供動力以及為各項功能模塊提供電力。在極地合理利用太陽能對生態文明與可持續發展具有重大意義。

（四）“冰種計劃”海冰平臺造型推演

基于“擬自然的生態設計策略”，海冰平臺的造型設計應匹配極地環境，巧妙融入北極海面，與自然冰面生態和諧共存。基于“產品幾何化設計策略”本設計將冰川形狀初步提取，并進行幾何化推演， 設計結構簡單、形狀對稱的產品形態。為了更好地模擬自然界的冰川凝結過程，模塊采用了一至多的拼合過程，該過程是隨機的，形成的圖案更加自然。為了能讓各模塊間更好地拼接，使各模塊如同拼圖般進行穩固且美觀的連接，模塊在造型上選擇了以三角形和六邊形為基礎幾何圖形，再進行形狀上的重組（圖3 上），經過實用、美學和地貌上的考量，設計出了漂浮模塊（圖3 ①）和動力模塊（圖3 ②）。

兩個模塊通過磁吸拼接可組合成不同形式（圖3 下），以適配北極冰面各種環境。同時這種凹與凸的三角拼圖方式可以確保兩個模塊必然會異種相接，從而確保平均每個動力模塊推動漂浮模塊的數量最多不會超過3 個，足夠符合其動力可支撐的范圍，不會過載。

（五）“冰種計劃”模塊化設計

模塊化設計方法，是設計師開始尋求解決產品更新換代，實現生態設計的一個重要思路。“冰種計劃”裝置采用“產品模塊化設計策略”，由兩種形態的模塊組成，分別是漂浮模塊（圖4 左）和動力模塊（圖4 右），二者的共同點是均配備為裝置系統提供電能的太陽能板（圖5 ①），都可以為北極熊提供漂浮的冰面作為棲息地和長途游泳的落腳點，北極熊可以在其上休息，也可以通過海冰平臺的掩護捕捉水下的獵物。二者的區別在于設置了不同的功能組合， 動力模塊主要作用是在冰川形成的前期控制系統運動，下方分布有3 個噴氣裝置，其上安裝了供遠程監控與拍攝的攝像頭；漂浮模塊下方分布有3 個閃爍的吸引燈，以及富集伸縮繩與重力球。

海冰平臺采用模塊化的設計方法，可以豐富產品的適應性，使用戶能夠根據自身具體的需求組合個性化的產品或功能，縮短設計周期，降低成本，有利于產品更新換代。

動力與漂浮模塊：動力模塊下方有3 個方向互成120°的噴氣裝置（圖5 ②），通過控制排氣閥開合、改變推動力大小從而可使系統向各方向移動；動力模塊上的攝像頭（圖5 ③）可實時傳輸影像， 供工作人員遠程控制海冰平臺的目的地及移動路徑。動力模塊與漂浮模塊通過磁吸進行連接（圖⑤），在動力模塊端可遠程控制磁吸的開關，進行連接與分離的操作。抵達目標海域后也可關閉動力，使其像自然冰面一樣進行自由漂浮。動力模塊和漂浮模塊通過多種連接方式，可組合成不同面積、不同形狀的大片冰面平臺。

富集繩與重力球：海水結冰需要3 個條件，一是氣溫比水溫低， 二是相對于水開始結冰時的溫度已有少量的過冷卻現象，三是水中有懸浮微粒、雪花等雜質凝結核[15]。基于“材料因地制宜使用策略” 利用極地自有的材料，即陽光、海水和低溫進行制冰。“冰種計劃” 海冰平臺上的太陽能板（圖5 ①）吸收太陽能，轉化為電能進行制冷，為海水結冰營造低溫環境。同時，人造海冰平臺可為下方生長的冰體阻擋陽光，有效減緩因太陽輻射強度大而導致的冰體消融現象。當到達目標海域后，重力球（圖5 ⑥）會釋放帶動富集繩（圖5 ⑦）伸長，富集繩可以電解水中鈣離子形成水下固化鈣，吸附周圍水中雜質凝結核從而促進海水結冰。“產品周期延長設計策略”讓海冰平臺在全生命周期的浮力效益逐步增大、愈加穩固，水面下的冰體會沿著富集繩逐漸生長，海冰初生時呈針狀或薄片狀冰晶，繼而形成海綿狀進一步凍結，富集繩上布滿這種冰后便會逐漸增加厚度， 最終會連成一大片冰川（圖5 ⑧），為北極熊的棲息提供足夠的浮力， 供北極熊進行休息、捕獵、玩耍等冰面活動（圖5 ⑨）。

吸引燈：為了給北極熊提供充足的食物資源，漂浮模塊下的吸引燈（圖5 ④）利用海洋生物的趨光性將獵物吸引到海冰平臺附近， 為北極熊提供充足的食物來源。

攝像頭：在“關注生物需求的設計策略”的指導下，要給北極熊提供更好的生活環境，海冰平臺應配有相應的功能，為了及時營救發生危險的北極熊，北極工作人員需要實時掌握北極熊動態，于是在動力模塊上增加了攝像頭功能（圖5 ③）。攝像頭不僅可以在平臺移動過程中監控周圍環境與北極熊狀態，還可為北極熊拍攝生活紀錄片。當攝像頭檢測到有物體移動時錄制功能會自動開啟，沒有物體運動時攝像頭會休眠以達到節電效果。攝影模塊外層有透明玻璃罩保護，防止被雨水冰雪等自然力量或動物碰撞等行為損壞，延長產品使用壽命。

（六）面向極地的生態設計策略在海冰平臺設計中的應用及展望

將“面向極地的生態設計策略”運用于海冰平臺的概念設計（圖2），能夠緩解北極熊面臨的北極冰面消融的困境，其中的7 個子策略分別起到了不同的作用，“關注生物需求的設計策略”在海冰平臺的設計中體現在為北極熊提供適宜的棲息地、游泳落腳點與捕獵平臺；“清潔能源使用設計策略”充分利用北極豐裕的太陽能為海冰平臺系統提供電能；“擬自然的生態設計策略”讓海冰平臺與北極環境相適配；“產品幾何化設計策略”指導海冰平臺設計成可互相拼接的幾何造型平臺，單體便于運輸，拼接連接成大片冰面便于北極熊在上面活動；“產品模塊化設計策略”指導動力模塊和漂浮模塊分別設計了多功能模塊化組件，提高效率降低成本；“材料因地制宜使用策略” 考慮本地特色環境資源，將北極環境已有的海水作為提供浮力的結冰原料，利用極地的低溫與海水中富含的雜質讓海水逐漸凝結成水下冰川；“產品周期延長設計策略”讓海冰平臺隨著海冰生長周期愈加穩固，構建環境友好、生物友好的生態裝置。

“冰種計劃”海冰平臺設計是處理當前北極熊瀕危問題的一種可行方案。使用模塊化產品拼接形成初步平臺，再利用太陽能板遮擋陽光并發電將海水制冰，從而形成足夠浮力的活動平臺，為北極熊提供了適宜的生存空間，這個產品的大量應用可以增大北極的冰川面積， 從而在一定程度上能緩解冰川消融帶來的環境問題。

結語

本設計方案以保護北極熊生存為目的，根據極地環境的特殊性設計了一套供北極熊棲息、捕食及生活的海冰平臺。利用北極充足的太陽能和海水資源，借力大自然使冰自生長，幫助北極熊打造適宜的極地生活環境，從而達到保護北極生物多樣性的目的。

生態設計的重要性是生態學家和設計師反復論證的內容，但其在解決生態系統問題上的應用并不多見，通過對生態設計理論進行梳理，對前人發表的生態設計原則與工具進行總結歸納與創新，本文提出了面向極地的7 條生態設計策略：“關注生物需求的設計策略”“清潔能源使用設計策略”“擬自然的生態設計策略”“產品幾何化設計策略”“產品模塊化設計策略”“材料因地制宜使用策略”“產品周期延長設計策略”。這些策略為極地生態產品設計提供了新的思考方向，本文將這些設計策略運用于“冰種計劃”海冰平臺的設計過程中， 驗證了面向極地的生態設計策略的可行性，同時也為解決極地生態保護類問題提供了新思路。

參考文獻

[1]Norris S，Rosentrater L，Eid P M. Polar bears at risk [R] . Gland，Switzerland：WWF （Organization），2002.

[2]葉海英，鄭桂眉.全球氣候變暖威脅北極熊[J].環境保護與循環經濟，2009，29（02）：58-59.

[3]唐述林，秦大河，任賈文，康建成.極地海冰的研究及其在氣候變化中的作用[J].冰川凍土，2006（01）： 91-100.

[4]Stirling I，Derocher A E. Possible impacts of climatic warming on polar bears[J]. Arctic，1993：240-245.

[5]Ceschin F，Gaziulusoy I. Evolution of design for sustainability：From product design to design for system innovations and transitions[J]. Design studies，2016（47）：118-163.

[6]任飛. 南極地區建筑設計生態策略研究[D].清華大學，2005.

[7]趙秋陽. 寒地住宅的可持續發展設計對策研究[D].哈爾濱工業大學，2007.

[8]Yl?-Kotola M. Arctic design[M]//Arctic design：opening the discussion. Lapin yliopisto，2012：12-15.

[9]Metcalfe D. Multispecies Design[D]. University of the Arts London in collaboration with Falmouth University，2015.

[10]閆云飛，張智恩，張力，代長林.太陽能利用技術及其應用[J].太陽能學報，2012，33（S1）：47-56.

[11]周昰彤，鞠振河.關于太陽能發電技術的綜述及展望[J].電子世界，2020（01）：83-84.

[12]方安妮，解勇，關佳征.論產品設計中的生態屬性[J].設計，2022，35（07）：84-86.

[13]任新宇，王倩.論綠色產品設計的特征及策略[J].設計，2018，（08）：108-110.

[14]曹琪.面向產品生命周期的可持續設計7R原則研究[J].藝術與設計（理論），2018，2（10）：84-86.

[15]孟志三.河水、海水結冰的差異[J].地理教學，2010（05）：9-10.