自然與藝術的交匯：生物材料啟發的空間設計

在當代設計與建筑領域，可持續性問題日益成為全球關注的重點。隨著自然資源的減少和環境危機的加劇，設計師、藝術家和建筑師紛紛開始重新思考材料的使用與空間設計的方式[1]。在這一背景下，生物材料，即那些從自然界中提取或仿生制造的材料，逐漸成為解決這些問題的關鍵。它們不僅具備環境友好性，還能提供新的設計思路[2，3]。

本文將探討生物材料在空間設計中的應用，從仿生學理論出發，分析跨學科合作案例，并提出未來發展的可能方向，展示自然與人類創新相結合的生態設計實踐。

1 仿生學作為一種可持續設計方法

1.1 仿生學概述

仿生學（Biomimicry）是一種跨學科的方法，旨在從自然界中獲取靈感，并將其轉化為設計與工程解決方案。這種設計方法模仿自然界中的形態、結構、功能，以應對當代人類面臨的各種挑戰，尤其是環境和可持續發展的挑戰。通過研究自然界經過數十億年演化的策略，設計師、工程師和科學家能夠創造出更高效、更環保的技術和設計。

1.2 生物材料在設計中的應用

生物材料在仿生設計中的應用廣泛，尤其是在優化材料使用和提升空間感知方面。貝殼、竹子等自然界的結構已經成為設計師和建筑師仿生設計的靈感來源。例如，貝殼的輕質、堅固性以及其幾何結構可以幫助優化建筑物的強度和提升材料使用效率；竹子則以其靈活性和快速生長的特性，成為可持續建筑材料的代表。

1.3 案例分析：自然界中的高效結構與仿生學在建筑設計中的實現

一個經典的案例是東非的熱帶白蟻巢穴結構。白蟻巢穴利用復雜的通風系統來調節溫度，這一設計原理被應用于建筑中，開發出了“仿生建筑”的概念。例如，位于津巴布韋首都哈拉雷的東門大廈（Eastgate Centre）便是以白蟻巢穴為設計靈感，通過自然通風系統調節建筑內部的溫度，從而減少了對空調系統的需求。該建筑每年節省的能量費用，充分體現了仿生學在可持續建筑設計中的潛力。

2 跨學科設計中的仿生學

2.1 跨學科合作的重要性

仿生設計作為一種結合自然與人類智慧的設計方法，在推動創新方面發揮了關鍵作用。它不僅僅是一個單一領域的研究成果，而是通過建筑、藝術、科學等多個學科的合作，為設計領域帶來新的突破。跨學科合作的重要性在于，它能夠將不同學科的知識和方法結合，產生更加全面和創新的設計解決方案。在建筑和空間設計中，仿生學提供了新的設計語言，通過模仿自然界的形態和功能，創造出更加高效、可持續的建筑設計。

自然、技術和設計的結合為解決復雜設計問題提供了平衡的視角。通過從自然中汲取靈感并結合先進的技術手段，仿生學展現了極大的潛力。例如，樹木的分支結構啟發了建筑中的管道設計，通過模仿樹枝系統優化了空氣流動。這種將自然與技術相結合的方法彌合了理論與實踐之間的鴻溝，使得建筑設計更加高效且富有創新性。

此外，空間的整體性也強調了從不同學科的角度理解空間的多維屬性。例如，在景觀設計中，結合自然科學、社會科學和藝術的方法，形成更為全面的空間理解。這種跨學科互動不僅有助于解決具體設計問題，還為整個設計過程提供了豐富的理論基礎。

2.2 仿生設計在不同學科中的應用

仿生設計不僅限于理論研究，它在不同學科中的實際應用同樣值得關注。通過跨學科合作，科學、藝術與設計的結合推動了仿生設計在建筑和藝術裝置中的創新。例如，設計師在建筑設計中利用仿生原理，從自然界中獲取靈感，并將這些靈感轉化為實際的建筑元素。通過這種跨學科的交叉融合，建筑和藝術作品變得更加具有創新、實用和可持續性。

一個廣泛應用的仿生設計案例是昆蟲翅膀啟發的建筑外墻設計。昆蟲翅膀的結構輕巧且具有高強度，同時具備出色的空氣動力學特性。設計師通過模仿昆蟲翅膀的微結構，開發出了一種既美觀又功能強大的建筑外墻系統。

跨學科合作在這一案例中發揮了關鍵作用。建筑師、工程師和材料科學家共同合作，將昆蟲翅膀的獨特結構特性轉化為實際的建筑設計。這不僅改善了建筑的能源效率，還增強了建筑的美學表現。通過跨學科合作，仿生學為設計師提供了新的工具來應對當代建筑的挑戰。

3 仿生材料在空間設計中的實際應用

3.1 生物材料的實踐應用

近年來，隨著對可持續設計需求的不斷增加，生物材料作為仿生學設計中的重要組成部分，在建筑與空間設計中的應用變得尤為關鍵。生物材料通過模仿自然界中的結構與功能，不僅為設計提供了新的美學可能性，還優化了建筑與空間的功能性。隨著數字化制造技術的進步，設計師得以更加輕松地獲取與運用這些生物材料，為建筑修復、裝飾和空間功能優化創造出前所未有的可能性。

在這方面，微纖化纖維素水凝膠作為一種新型生物材料，已被廣泛應用于建筑修復與改造。這種材料源自木材廢料，其可再生性和低碳排放使其成為理想的建筑材料。通過三維立體（3D）打印技術，設計師使用這種水凝膠對歷史建筑的木質元素進行了精確涂覆，實現了功能與美學的雙重提升。此方法不僅保留了建筑的歷史元素，還為其注入了現代美學特點，彰顯了材料的可持續性。

生物材料的應用不僅限于修復與保存，它們在建筑的空間功能優化中也扮演著重要角色。例如，竹子和木材等可再生材料因其天然的可塑性和抗壓性能，被廣泛應用于建筑和室內設計中。這些材料不僅具備出色的結構性能，還通過其獨特的紋理和外觀為空間增添自然的美感。

3.2 案例分析：通過生物材料改善空間設計的實際案例

通過生物材料改善空間設計的案例不勝枚舉，以下是兩個代表性案例：

3.2.1 瑞典哥特式塔樓的修復項目

在瑞典斯德哥爾摩的18世紀歷史塔樓的修復項目中，設計團隊選擇使用微纖化纖維素水凝膠作為修復材料。這種生物材料不僅來源于可再生的木材廢料，還能夠通過數字化三維立體打印技術進行精確涂覆，確保修復后的建筑元素在美學和功能上都得到提升。設計師不僅保持了建筑的歷史風貌，還通過數字化手段為其注入了現代感。

3.2.2 竹子在綠色建筑中的應用

竹子因其快速生長和卓越的物理性能，已成為綠色建筑中最受歡迎的生物材料之一。在建筑中，竹子既可以作為結構材料，也可以作為室內裝飾材料，展現出其靈活多變的特性。例如，在越南的綠色屋頂建筑項目中，竹子被用作建筑的主要結構材料，結合現代技術實現了通風、遮陽和結構支撐的多功能性。這不僅減少了對傳統高能耗材料的依賴，還在空間設計中展現出竹子的天然美感。

4 未來的生物啟發設計方向

4.1 設計中的創新前景

隨著全球對可持續發展的需求不斷加深，生物材料在未來空間設計中的可持續發展潛力也逐漸被揭示出來。近年來，真菌生物材料作為一種新型材料，逐漸引起了建筑和設計領域的廣泛關注。真菌生物材料，特別是由菌絲體制成的復合材料，正逐漸成為建筑行業中提高環境和經濟可持續性的重要材料。

生物材料的應用不僅僅局限于真菌材料，未來可能還會有更多基于自然界啟發的材料技術突破。這些材料在空間設計中的應用潛力巨大，可以幫助建筑行業減少碳排放、提高能源效率，并提升建筑物的整體可持續性。例如，可再生木材和生物塑料等新型材料也逐漸成為未來建筑設計中的可行選擇。通過這些材料的應用，設計師可以創造出更加環保、可持續的建筑和空間。

4.2 仿生建筑的未來挑戰與機遇

盡管生物材料在未來建筑設計中展現出巨大的潛力，但仿生建筑仍面臨一些挑戰。首先，許多生物材料的機械性能，例如抗壓強度和耐久性，尚未達到傳統建筑材料的水平。雖然菌絲體復合材料具有出色的隔熱和隔音性能，但在結構承重方面仍有局限。因此，在大規模建筑應用中，這些材料通常需要與傳統材料（如木材和鋼材）結合使用。

此外，耐水性和耐久性也是未來生物材料在建筑中應用的一個關鍵問題。盡管有研究表明，通過生物涂層技術可以提高材料的耐候性，但在戶外環境中的應用仍面臨挑戰。這些材料的壽命和維護成本也是需要進一步解決的問題。

然而，未來的材料技術突破可能為仿生建筑帶來新的機遇。例如，研究表明，真菌材料具有自我修復的潛力，這意味著這些材料可以在遭受輕微損壞后自行修復，延長建筑的使用壽命并降低維護成本。此外，真菌材料還具備自適應性，可以根據外部環境的變化（如濕度或溫度）自動調整其結構和功能，為智能建筑的設計提供了新的可能性。

4.3 案例分析與未來展望

未來，隨著生物材料技術的進一步發展和成熟，仿生設計將在建筑和空間設計中發揮更加重要的作用。例如，真菌樹（MycoTree）項目是一個使用真菌復合材料作為結構材料的項目，通過數字制造和參數化設計實現了自支撐結構。這種設計方法不僅體現了真菌材料的結構潛力，還為未來自由形態建筑的實踐提供了理論和技術支持。

此外，菌絲建筑材料設計（El Monolito Micelio）項目展示了如何使用真菌材料進行拱頂結構的單體鑄造。通過采用基于結構信息的計算設計，設計師能夠僅通過菌絲體復合材料來吸收壓縮力，從而減少了對傳統建筑材料的依賴。

隨著這些項目的成功實施，未來的建筑設計將更多地依托于生物啟發的解決方案。真菌材料、仿生結構和生態設計方法為空間設計的可持續發展提供了新的契機。

5 結語

本文探討了仿生學在空間設計中的多個層面應用，包括生物材料在實際項目中的創新應用、跨學科合作的必要性以及未來仿生設計的潛在方向。正如多個案例所展示的那樣，生物材料為空間設計提供了全新的可能性，它們的靈活性、自適應性以及自我修復能力，使得未來建筑和設計在功能與可持續性上實現了顯著的提升。

總的來說，仿生學為設計領域提供了一個嶄新的視角，它從自然界中汲取靈感，幫助我們應對全球環境和資源挑戰。通過不斷推動跨學科的合作與創新，生物材料和仿生設計有潛力成為未來建筑和設計實踐中的核心力量，最終實現人與自然更加和諧的共生關系。■

引用

[1] BLOK V， GREMMEN B. Ecological Innovation： Biomimicry as a New Way of Thinking and Acting Ecologically[J]. Agric. Environ. Ethics， 2016（29）： 203–217.

[2] JOYE Y. Biophilic design aesthetics in art and design education[J]. Aesthet. Educ， 2011（45）：17–35.

[3] POHL G.， NACHTIGALL W. Biomimetics for Architecture amp; Design： Nature-Analogies-Technology[M]. 1st ed. Springer： London， UK， 2015：1–331.

作者簡介：陳耀（1987—），男，福建福清人，博士研究生，就職于清華大學未來實驗室。

通訊作者：郝強（1983—），女，黑龍江齊齊哈爾人，博士研究生，助理研究員，就職于清華大學未來實驗室。