仿生學：自然如何啓發我們未來的城市 - 彭博社

Franck Michel/Flickr在劍橋大學的實驗室裏，生物工程師 米歇爾·奧耶一直忙於製作人工骨骼和蛋殼的樣本。這些樣本只有幾釐米長，但她希望它們有一天能構成高樓大廈。通過這種方式，未來的城市將模仿自然界中最聰明的設計師之一。

那個未來仍然需要幾十年，但像奧耶這樣的科學家一直在研究自然界中發現的過程——例如，葉子自我清潔的方式，或者螞蟻 在水中漂浮 的方式——如何解決人類面臨的一些最具挑戰性的問題，比如應對氣候變化和建設可持續城市。

彭博社城市實驗室紐約市通勤者在最新的交通混亂中被困在公交車和火車上經歷了創紀錄的炎熱夏季後，空調強制措施的壓力加大研究發現，城市地區的降雨量比鄉村邊緣地區更多芝加哥在赤字超過10億美元的情況下暫停招聘，直到2025年也許森林生態系統的繁榮可以教會城市規劃者如何建設能夠抵禦極端天氣事件的城市。或者建築師可以 以白蟻巢穴為模型設計摩天大樓，這些巢穴在內部保持涼爽。這一切都屬於一個被稱為仿生學的研究領域。

“自然世界和生態系統可能是可持續世界的最佳圖景，它的運作方式，”諮詢公司 Biomimicry 3.8 的高級設計負責人Erin Rovalo説。“如果我們的建築環境能夠像這些生態系統一樣運作，也許這就是可持續設計的巔峯。”

“我們忘記了我們也是自然，我們……有一些可以模仿和學習的東西。”Oyen正在嘗試複製骨頭的自然形成，以製造比混凝土和鋼鐵更可持續的建築材料。僅混凝土行業就佔全球二氧化碳排放的 10%，部分原因是生產水泥所需的高温（超過一千度）。與此同時，Oyen説：“天然材料是在室温或體温下製造的。它們不需要如此巨大的能量，因此它們總是會更可持續。”

骨頭和蛋殼還有一個優勢，就是強度：按重量計算，骨頭比鋼鐵更強，而蛋殼則難以破裂且重量輕。這歸功於它們的礦物質和蛋白質組成。礦物質使骨頭堅硬且抗斷裂，而蛋白質則使它們輕便。

為了製作她的樣本，礦物質被“模板化”到商業明膠中，明膠是天然蛋白質膠原蛋白的副產品。“我們一直在進行非常字面意義上的骨骼仿生，”她説。下一步是用一種機械性能與真實人骨一樣強的聚合物替代明膠。

印度的拉瓦薩鎮是以其周圍茂密森林的靈感設計的。Chintan Patel/Flickr作為一個正式的研究領域，仿生學直到1970年代才開始獲得動力，部分原因是1960年代環境運動的影響。仿生技術是仿生學的一個分支，涉及將自然設計應用於工程、醫學和材料科學等領域，根據Oyen的説法，在1990年代隨着納米技術的出現而迅速流行。這個領域有時被稱為“古老實踐的新興學科，”Rovalo説。“人類一直以來都將自然界視為靈感的來源。”

今天，你可以在許多地方和不同形式中找到仿生學的例子。想想日本高速列車的鼻子設計，它們與鳥喙相似。或者安東尼·高迪在巴塞羅那的19世紀和20世紀建築，曲線屋頂模仿葉子的設計，柱子看起來像樹幹。

拉瓦薩，印度，一個容易遭受季風、乾旱和侵蝕威脅的山城，已被建模為其周圍茂密森林的生態系統。“設計團隊開始問，‘當地生態系統是如何應對這個季風而不失去所有土壤的？’”Rovalo説，他的公司與設計公司 HOK 合作在這裏建立一個社區。

因此，他們開始研究生態系統，並考慮如何設計雨水儲存系統，以模仿在雨季吸收水分並儲存以備後用的樹木。他們還研究了可以幫助減緩降雨速度的設計——就像森林中的葉子所做的那樣。

“建築環境中的一個問題是，當場地被清理時，你會移除很多垂直結構，因此[雨水]擊中地面的第一表面是以最大速度的，”她説。“生態系統是由灌木層、中層樹木層、樹冠層構成的，所有這些層都會減緩雨滴的速度，以至於在它真正擊中土壤時，它是非常柔和的，並且被迅速吸收。”

奧迪城市未來倡議確實，在未來，仿生學可能會體現在房屋的建造方式或我們的交通網絡的佈局上。靈感幾乎可以來自任何地方，從整個生態系統到其中的單個植物和昆蟲。它可能來自粘菌，或者來自人體。

“我們忘記了我們也是自然。而且我們和其他任何物種一樣，基本上是生物學，有一些我們可以模仿和學習的東西，”阿恩德·佩赫斯坦説，他負責仿生學3.8的姐妹智庫仿生學德國。作為一名在柏林的神經科學家，佩赫斯坦正在與奧迪城市未來倡議的研究人員合作，重新思考城市的交通網絡——他正在根據我們身體內“貨物”在細胞內的移動方式進行建模。

蛋白質和細胞器——“貨物”——通過稱為馬達蛋白的載體運輸，這些載體沿着不同的微管或“街道”移動。“一種馬達蛋白不僅能夠攜帶一種特定的貨物，因此它可以與該貨物解耦並可以承擔其他貨物，”Pechstein説。“你還有不同的馬達蛋白可以在不同的基礎設施之間切換，而無需任何等待時間或延遲。”

Audi Urban Future Initiative馬達蛋白之間相互通信，傳遞它們正在攜帶的物品以及需要放置的位置，從而防止我們細胞中的交通堵塞。這比我們城市中發生的情況高效得多，在城市中，汽車大部分時間處於閒置狀態，而高峯時段可能導致嚴重的交通癱瘓。

在研究促進這種效率的模式時，Pechstein和他的團隊重新設計了汽車的概念，並將其命名為Flywheel。在這種新的、更模塊化的設計中，汽車是圓形的，乘客艙可容納兩人。為了容納更多的人或運輸其他貨物，它可以與其他車輛合併形成“列車”。而且，團隊提出了一種基礎設施設計，使汽車——像馬達蛋白一樣——可以在路面和地下之間切換。

“如果我們能夠通過將交通引導到其他地方來減少地面的交通量，那麼我們將大幅減少城市中運輸所需的噪音、污染和空間，”他説。

奧迪城市未來倡議我們很可能在幾十年內不會看到佩赫斯坦的設計或奧耶恩的骨頭城市願景成真。雖然仿生學邀請來自各個領域的科學家，但佩赫斯坦表示，仿生學在城市規劃的背景下尚未成為主流。

他説，仿生學既關乎創新，也關乎改變人們的行為。人們必須想要它。奧耶恩也承認，她的許多工作是實驗性的，並且面臨許多挑戰，比如成本和嚴格的建築規範。

此外，負責任地實施自然啓發的設計本身就是一種仿生學。“你可以有顛覆性的變化，”他説。“但在自然界中，進化往往不是顛覆性的，而是更漸進的。”