萬之源 | Wan Zhiyuan

楊云迪 | Yang Yundi

倫敦大學(xué)學(xué)院（University College London，UCL）巴特萊特建筑學(xué)院（The Bartlett School of Architecture）有建筑學(xué)、城市設(shè)計(jì)、風(fēng)景園林、設(shè)計(jì)管理4個(gè)專業(yè)，筆者是2018—2019 學(xué)年度的城市設(shè)計(jì)專業(yè)碩士生，該專業(yè)有基于仿生學(xué)、分體學(xué)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、氣象學(xué)、數(shù)字媒體的城市設(shè)計(jì)6個(gè)研究方向。兼任該學(xué)院城市形態(tài)發(fā)生實(shí)驗(yàn)室（Urban Morphogenesis Lab）主任的克勞迪婭·帕斯奎羅（Claudia Pasquero）領(lǐng)導(dǎo)了其中的第16城市設(shè)計(jì)研究工作室，團(tuán)隊(duì)分為3個(gè)小組，每組3～4人，分別以多頭絨泡菌、蜘蛛和結(jié)晶鹽的性質(zhì)及形態(tài)衍化為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行基于仿生學(xué)的城市設(shè)計(jì)探究，本文將以多頭絨泡菌為例闡述其介入城市設(shè)計(jì)專業(yè)碩士教育的思想、方法與過程。

1 仿生學(xué)的理論簡(jiǎn)述

仿生學(xué)（Bionics）一詞來源于希臘語(yǔ)的“bios”，有自然、生命的意思，是一門從技術(shù)可用性的角度研究生物有機(jī)體的機(jī)制和功能的應(yīng)用科學(xué)①。仿生學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用由來已久，如一戰(zhàn)中的德國(guó)潛水艇氣閥便是受到魚鰾的啟示，雷達(dá)則受益于蝙蝠回聲定位的啟發(fā)等，其于1960年由美國(guó)軍醫(yī)杰克·斯蒂爾（Jack E.Steele）正式定名②。在建筑領(lǐng)域，美國(guó)建筑師巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller）受蜂窩的棱形結(jié)構(gòu)啟發(fā)，在蒙特利爾世博會(huì)（1967）的美國(guó)館的設(shè)計(jì)中采用了球形構(gòu)架結(jié)構(gòu)（Geodesic Dome）③（圖1）。還有學(xué)者通過研究白蟻穴的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，以尋求建筑空間的通達(dá)性與通風(fēng)問題④，通過研究蜘蛛的結(jié)網(wǎng)過程與形態(tài)，試圖創(chuàng)造出穩(wěn)定性高的懸索結(jié)構(gòu)橋梁等⑤。城市設(shè)計(jì)作為一門人居環(huán)境營(yíng)造技術(shù)也可借鑒某些生物有機(jī)體的機(jī)制和功能為我所用，并從規(guī)劃設(shè)計(jì)思想和方法視角啟發(fā)人居環(huán)境營(yíng)造，而克勞迪婭便是當(dāng)代仿生學(xué)介入城市設(shè)計(jì)的重要學(xué)者之一，其從2006年開始探尋生物與城市的關(guān)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(tǒng)建筑學(xué)》（Systemic Architecture）兩本著作，前者介紹了生物培育與樣本觀察經(jīng)驗(yàn)對(duì)迪拜城市空間流暢性的營(yíng)造⑥，后者則是研究生物的習(xí)性與制品在城市設(shè)計(jì)中的應(yīng)用⑦。

圖1 球形構(gòu)架

為探尋仿生學(xué)對(duì)于城市設(shè)計(jì)的意義與應(yīng)用價(jià)值，克勞迪婭布置研究生進(jìn)行生物行為習(xí)性的實(shí)驗(yàn)與觀察，冀望與城市設(shè)計(jì)產(chǎn)生類比求同，汲優(yōu)補(bǔ)缺的認(rèn)識(shí)。觀察實(shí)驗(yàn)是以一種具有生長(zhǎng)智慧的真核菌類—多頭絨泡菌（Physarum Polycephalum）為藍(lán)本開始的。

2 生物行為實(shí)驗(yàn)

多頭絨泡菌是一種古老的具有負(fù)趨光性（Nagative phototaxis）且介于原生動(dòng)物（Protozoa）和真菌（Fungus）之間的微生物⑧。其與原生動(dòng)物有相似的進(jìn)食行為，主要以小型菌類和其他有機(jī)顆粒為食；依靠孢子囊中釋放的游離態(tài)孢子進(jìn)行繁殖，且為增強(qiáng)組織韌性和附著性可產(chǎn)生類似植物和真菌的細(xì)胞壁⑨。另外，在暗箱中，該菌落的生長(zhǎng)環(huán)境單純，生長(zhǎng)速度快，可控性強(qiáng)，培育花費(fèi)的時(shí)間適合學(xué)生的學(xué)習(xí)尺度，其觀察也具有可知可感且連續(xù)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(lǐng)大家首先進(jìn)行多頭絨泡菌的培育與觀察。菌落對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境要求苛刻，故需嚴(yán)格按照其培育標(biāo)準(zhǔn)施行?。其培育過程有制備培養(yǎng)基、菌落投放、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)制備與添加4步（圖2）；生長(zhǎng)觀察則因多頭絨泡菌厭光，故需利用暗房延時(shí)攝影完成（圖3）。

圖2 黏菌培育工具（楊云迪攝）

圖3 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)器具

采用濃度2%的瓊脂溶液作培養(yǎng)基，從母培養(yǎng)基上切下多片菌落植入培養(yǎng)基，每日三次用鑷子向菌落中心投放麥片顆?；蛴米⑸淦髯⑸湎♂尩难帑溒?，以維持其生長(zhǎng)發(fā)育?。

在菌落成功培育的過程中，生物行為觀察得以開展?？藙诘蠇I安排了菌落自由擴(kuò)散行為和菌落避障行為兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。

（1）菌落自由擴(kuò)散行為實(shí)驗(yàn)

將菌落和餌食分散放置在培養(yǎng)皿各處，觀察記錄菌落由小到大的蔓延式擴(kuò)張過程，以及不同菌群觸碰后的營(yíng)養(yǎng)傳輸網(wǎng)的形成與擴(kuò)散軌跡。經(jīng)延時(shí)拍攝觀測(cè)：?jiǎn)尉浠蚨嗑湓谖c(diǎn)（餌食放置點(diǎn)）有序排列下的生長(zhǎng)軌跡（圖4～5）；多菌落在吸引點(diǎn)無序排列下的平面及曲面生長(zhǎng)軌跡（圖6～7）。以此類比人居環(huán)境在受資源吸引條件下由聚落—城市—城市群的發(fā)軔、擴(kuò)展、蔓延與聯(lián)絡(luò)的過程。

圖4 有序單點(diǎn)擴(kuò)散（拍攝間隔8h）

圖5 有序多點(diǎn)擴(kuò)散（拍攝間隔8h）

圖6 平面亂序多點(diǎn)擴(kuò)散（拍攝間隔8h）

（2）菌落避障行為實(shí)驗(yàn)

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(yǎng)基，將菌胚植入迷宮入口處，延時(shí)拍攝觀察多菌落的生長(zhǎng)軌跡。該實(shí)驗(yàn)需按餌食密度分為4組對(duì)照進(jìn)行，僅有一組在64小時(shí)內(nèi)爬離迷宮（圖8），其余3組皆因餌食過于稀疏分散，養(yǎng)分短缺而死亡。以此類比人類聚居環(huán)境在受河流、山脈等限制與受資源吸引條件下，其生長(zhǎng)發(fā)育的過程。

圖7 曲面亂序多點(diǎn)擴(kuò)散（拍攝間隔8h）

圖8 黏菌走迷宮（拍攝間隔8h）

上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了以下觀察結(jié)論：在自由擴(kuò)散行為實(shí)驗(yàn)中，因餌食點(diǎn)分布較為均勻，菌落生長(zhǎng)分布同樣較為均勻，且會(huì)隨時(shí)間在較近的兩個(gè)餌食點(diǎn)間形成一條較粗的養(yǎng)分輸送路徑；在避障行為實(shí)驗(yàn)中，菌落每當(dāng)蔓延至岔路口時(shí)，都會(huì)向不同路口延申出一小段以試探其與餌食的距離，當(dāng)某一端先觸碰到后續(xù)的餌食時(shí)，則該端生長(zhǎng)蔓延速度加快并形成主干養(yǎng)分輸送路徑。兩組實(shí)驗(yàn)都反映黏菌會(huì)優(yōu)先以最近的餌食點(diǎn)為目標(biāo)生長(zhǎng)擴(kuò)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(huì)的自我組織與發(fā)展模式中，從而給城市設(shè)計(jì)帶來一些理性預(yù)判與思想火花。

3 生物行為的計(jì)算機(jī)模擬

多頭絨泡菌的生物行為模式及其菌落形態(tài)發(fā)展與人類城市系統(tǒng)的自我組織、外向擴(kuò)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(zhǎng)擴(kuò)張模式用適宜的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿生模擬，便成為后續(xù)城市設(shè)計(jì)運(yùn)用的關(guān)鍵。

雖然仿生模擬可以依靠多種軟件實(shí)現(xiàn)，但作為建規(guī)景的學(xué)生都能掌握的軟件便是Rhino（犀牛），故而克勞迪婭引導(dǎo)同學(xué)結(jié)合一款基于Rhino的、有數(shù)形結(jié)合功能的插件——Grasshopper完成此項(xiàng)學(xué)習(xí)內(nèi)容。

根據(jù)生物學(xué)對(duì)多頭絨泡菌生物行為規(guī)律的解讀，為達(dá)到最低生物能耗，其生長(zhǎng)軌跡決定于外圍細(xì)胞經(jīng)探索感知后所優(yōu)選出的多條養(yǎng)分輸送路徑，其中最粗的一條則是兩點(diǎn)間的最短路徑?；因多頭絨泡菌的生長(zhǎng)為間斷式和避障探索式，故最短路徑非直線。以此為切入點(diǎn)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(zhǎng)點(diǎn)到餌食點(diǎn)的營(yíng)養(yǎng)傳輸路徑。對(duì)前期延時(shí)攝影圖像進(jìn)行識(shí)別判讀，可由簡(jiǎn)入繁地歸納出菌落擴(kuò)張的6種生物行為模式：?jiǎn)尉鋽U(kuò)張，單菌落趨利擴(kuò)張，多菌落趨利擴(kuò)張，以及以上三種模式下的避障擴(kuò)張。利用Grasshopper的圖形編碼與數(shù)據(jù)可視化功能，根據(jù)拍攝圖像的形態(tài)變遷與尺度，將生長(zhǎng)規(guī)律和影響生長(zhǎng)的因子替換為圖形語(yǔ)言，調(diào)試編碼參數(shù)以控制圖形尺度與生長(zhǎng)速度等。

Grasshopper的圖形編碼及其相應(yīng)的數(shù)據(jù)可視化可運(yùn)用于模擬城市蔓延?，優(yōu)化城市、公園和景區(qū)的路網(wǎng)系統(tǒng)，制定城市節(jié)慶時(shí)期的交通管控方案等，也可成為平面與空間造型設(shè)計(jì)時(shí)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(kuò)張行為實(shí)驗(yàn)為例來闡述其從理性調(diào)試過程到感性造型創(chuàng)作的飛躍。

設(shè)想迷宮的形態(tài)為圖9所示，A和B分別為起始點(diǎn)和終點(diǎn)，C為餌食點(diǎn)（綠點(diǎn)）的分布近似曲線（基準(zhǔn)曲線），在此運(yùn)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(zhǔn)曲線周邊離散點(diǎn)的數(shù)量，從而增加A到B的步數(shù)，爾后疊加出的圖像便能近似還原多頭絨泡菌的生長(zhǎng)軌跡（圖10）?；谠摷夹g(shù)手段，通過更改“迷宮形態(tài)”、起止點(diǎn)位置和路徑復(fù)雜程度等參數(shù)，進(jìn)而可得到千奇百怪的基于多頭絨泡菌生長(zhǎng)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(duì)物質(zhì)空間的認(rèn)識(shí)并充滿了生物智慧與藝術(shù)迷離，也使學(xué)生領(lǐng)悟出基于仿生學(xué)的城市設(shè)計(jì)不僅要關(guān)注理性的仿生借鑒，同時(shí)還需認(rèn)識(shí)到城市仿生創(chuàng)造的價(jià)值，而這樣的體驗(yàn)是通過克勞迪婭布置的技術(shù)延伸專題實(shí)現(xiàn)的。帶著滿滿的期待，我們將8個(gè)月的學(xué)習(xí)成果運(yùn)用在了畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jié)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(yáng)繪）

4 畢業(yè)設(shè)計(jì)——基于多頭絨泡菌生長(zhǎng)模型的城市節(jié)慶空間交通優(yōu)化

研究生學(xué)習(xí)的最后3個(gè)月便是運(yùn)用前文介紹的多頭絨泡菌的生物行為實(shí)驗(yàn)及其計(jì)算機(jī)模擬來進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)了，畢業(yè)設(shè)計(jì)選題定為泰國(guó)曼谷潑水節(jié)慶時(shí)的交通管制優(yōu)化。

曼谷是世界著名的旅游城市，每年4月中旬的潑水節(jié)既是傣族的新年，又是為期一周的全國(guó)性盛典，這一活動(dòng)每年都吸引著成千上萬的世界各地游客來泰國(guó)旅游體驗(yàn)?，該一時(shí)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(duì)曼谷為期10天的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與勘探，選取曼谷中心的拉差達(dá)區(qū)（Ratchada）內(nèi)四種最受歡迎的節(jié)慶地點(diǎn)分別進(jìn)行生物自由擴(kuò)散行為實(shí)驗(yàn)。經(jīng)調(diào)研，該區(qū)域有舉辦潑水節(jié)的寺院6座和宮殿1座，體育場(chǎng)館6座，公共綠地11處和夜市6處，總計(jì)30處的節(jié)慶地點(diǎn)冠以“+”標(biāo)記；將拉差達(dá)區(qū)供游客旅居的酒店區(qū)3處冠以“O”標(biāo)記（圖12）；隨后將地圖上的“+”點(diǎn)與“O”點(diǎn)等比縮放至培養(yǎng)基尺度，在3個(gè)酒店區(qū)植入等量菌胚，將30處代表性節(jié)慶地點(diǎn)按4大類別，分別放置與調(diào)研數(shù)量等額的麥片顆粒（圖13），以此為基礎(chǔ)開展“城市片區(qū)尺度”的生物自由擴(kuò)散行為實(shí)驗(yàn)。經(jīng)64小時(shí)培育，將拍攝的4組實(shí)驗(yàn)影像分別與該區(qū)域城市路網(wǎng)按同等比例疊加（圖14）。

圖12 城市節(jié)慶熱點(diǎn)與旅居點(diǎn)

圖13 培養(yǎng)基中對(duì)應(yīng)的餌食點(diǎn)與菌胚投放點(diǎn)

圖14 多頭絨泡菌與城市

因生物行為實(shí)驗(yàn)僅在吸引點(diǎn)數(shù)量較少時(shí)結(jié)果較為精確，反之則會(huì)無規(guī)律性蔓延，故上述步驟需分4組對(duì)照實(shí)驗(yàn)獨(dú)立完成。其全面表現(xiàn)則需用先前調(diào)試好的Grasshopper的最短路徑算法進(jìn)行以城市路網(wǎng)為基礎(chǔ)的綜合生長(zhǎng)模擬，通過量化菌落在吸引點(diǎn)綜合條件下的生長(zhǎng)軌跡對(duì)城市節(jié)慶交通流量進(jìn)行模擬與評(píng)價(jià)，以便為城市交通管制方案的制定提供依據(jù)。

將經(jīng)ArcGIS采樣后的曼谷拉差達(dá)區(qū)道路交通網(wǎng)格導(dǎo)入Grasshopper模擬器作為基礎(chǔ)路徑，在河流水系和山體處設(shè)置障礙，標(biāo)示寺廟、體育館、公共綠地和夜市共計(jì)30個(gè)潑水節(jié)吸引點(diǎn)，以及3個(gè)旅居區(qū)作生長(zhǎng)起始點(diǎn)?，最后采用Grasshopper生物計(jì)算模擬的方法生成潑水節(jié)下人的活動(dòng)軌跡（圖15a），得到在城市節(jié)慶下流量較大的路徑（粗線），和流量較小的路徑（細(xì)線）。經(jīng)與原始路網(wǎng)疊加并近似取樣，得出潑水節(jié)時(shí)段各道路的載流（圖15b）。

圖15 a 潑水節(jié)人居活動(dòng)軌跡 圖15b 潑水節(jié)道路載流（姚逸凡繪）

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

圖16 a 定稿路徑規(guī)劃方案 b 激光切片過程 c 實(shí)體模型照片

結(jié)語(yǔ)

就本次研究性設(shè)計(jì)的成果而言，現(xiàn)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(qū)仿生模擬的細(xì)節(jié)，其結(jié)果還略顯粗糙，但本文意圖并非為展示一幅設(shè)計(jì)作品，更注重的是多頭絨泡菌介入城市仿生設(shè)計(jì)的新方法及其碩士培養(yǎng)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(xué)組織設(shè)計(jì)，融入到碩士生親歷親為的學(xué)習(xí)過程之中，這即是巴特萊特建筑學(xué)院給我國(guó)建筑及城市設(shè)計(jì)學(xué)科教育所能帶來的啟示。

（注 感謝巴特萊特建筑學(xué)院城市設(shè)計(jì)第16設(shè)計(jì)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(yáng)的辛勤付出）

資料來源：

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

圖3：來源于UCL2017-2018學(xué)年城市設(shè)計(jì)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(yáng)繪制、拍攝完成。

注釋

①管玥.建筑與仿生學(xué)[J].規(guī)劃與設(shè)計(jì),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。

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