（设计艺术学专业论文）生物科学视角下的类生命体生态设计.pdf

；、；_r。o；，、；，九妒k 设计学跨越人文和自然两大学科。对于研究人类在物质与精神两方面的需求而言， 较之其他学科，设计学的研究和发展更加强调交叉性与综合性。本论文是在现阶段生 态设计研究的基础上，从生物科学的角度去审视和重新思考生态设计，将类生命体的概 念注入生态设计。类生命体生态设计不同于绿色设计，不是简单注重单个产品的材料 循环利用，而是将整个人类社会系统当作一个生命有机体来考虑。产品的设计愈加强 调用户的体验和自主性，更容易与人产生互动，因为它们具有生命特性，具有应激性、 自我更新、繁殖、进化、记忆，可以对外界环境做出反应而进一步自我学习。 2 0 0 多年来，人类依赖化石能源创造了文明的奇迹，但是伴随着它的是温室效应和 生存环境的恶化，碳基能源已经走到了尽头。于是人们开始寻找新能源，一种清洁可循 环的能源，来源于自然，与自然能量连接，使人、建筑与自然生态环境之间形成一个 良性循环系统。从生物的生命特征和自然界系统的能量、物质流动重新设计产品材料 的使用和工业生产、能源的供给。 近年来由于纳米技术和人工智能的发展，仿生学也逐渐开始模拟人的神经作用和酶 的代谢调节。在不远的将来，仿生产品可以通过与人类生命体的结合，用以恢复和替代 某种赏失的复杂功能，在医疗和服务机器人领域将有着广阔的发展前景。 关键词：自然规律，类生命体，自然能量 a b s t r a c t _ 一一- _ _ _ - _ - _ _ _ - _ _ - _ 一 a b s t r a c t d e s i g ni sad i s c i p l i n a r yw h i c hi sc r o s sh u m a n i t y t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fd e s i g nm o r e a n dn a t u r e c o m p a r e dw i t ho t h e rd i s c i p l i n a r y , a n dm o r ef o c u so nt h ec r o s sa n di n t e g r i t y b a s e do nt h ep r e s e n tr e s e a r c ho fb i o l o g i c a ld e s i g n ，t h i sp a p e rr e t h i n k sa n di n s p e c t si tf r o m t h ep e r s p e c t i v eo fb i o s c i e n c e t h e r e f o r e ，t h ec o n c e p to fs i m i l a ro r g a n i s mc h a r a c t e r i s t i c si s i n j e c t e di n t ob i o l o 西c a ld e s i g n u n l i k eg r e e nd e s i g n ，s i m i l a ro r g a n i s m c h a r a c t e r i s t i c s c o n s i d e rt h ew h o l eh u m a ns o c i a ls y s t e ma sal i v i n gt h i n gr a t h e rt h a nf o c u so nt h er e c y c l i n go f m a t e r i a l s f u r t h e r m o r e p r o d u c t sb e c o m e sm o r ei n t e r a c t i v ea n ds u i t a b l ef o ru s e re x p e r i e n c e ， b e c a u s ep r o d u c t sp o s s e s ss i m i l a ro r g a n i s mc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha ss e n s i t i v i t y ，s e l f - r e n e w a l ， s e l f - r e p r o d u c t i o n ，m e m o r y , e v o l u t i o n m o r e o v e r , p r o d u c t s s e r v ea sam e d i u mt oc o m m u n i c a t e h u m a na n dn a t u r ea n dg e te v o l v e df r o mt h er e s p o n s et ot h ee x t e m a lw o r l d i n2 0 0y e a r s ，h u m a nb e i n g sh a v er e l i e do nf o s s i le n e r g yt o c r e a t eb r i l l i a n tc i v i l i z a t i o n h o w e v e r w i t hg r e e n h o u s ee f f e c ta n dd e t e r i o r a t e de n v i r o n m e n t ，f o s s i le n e r g yh a sg o n et ot h e e n d s op e o p l eb e g a nt of i n dn e we n e r g yd e r i v i n gf r o mn a t u r e ，w h i c hm a k e sh u m a n ， a g r i c u l t u r ea n dn a t u r a le n v i r o n m e n ta no p t i m u mc y c l i n gs y s t e m i naw o r d ，d e s i g nt n es y s t e m o fm a t e r i a lr e c y c l i n g ，i n d u s t r i a le n e r g ys u p p l yf r o ml e a r n i n gt h ed i s c i p l i n e so fo r g a n i s m c h a r a c t e r i s t i c sa n dn a t u r e se n e r g yf l o wa n dc i r c u l a t i o no fm a t e r i a l s i na d d i t i o n ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a n ot e c h n o l o g ya n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，n e r v es y s t e m a n de n z y m er e g u l a t i o nh a sb e e ni m i t a t e d i nt h en e a rf u t u r e ，p r o d u c t sc a nb ec o m b i n e dw i t h h u m a nb e i n g st os t r e n g t h e nl o s tf u n c t i o n ，w h i c hw i l lb ea p p l i e di nt h ef i e l do fm e d i c a l t r e a t m e n t k e y w o r d s ：n a t u r ed i s c i p l i n a r y , s i m i l a ro r g a n i s mc h a r a c t e r i s t i c ，n a t u r a le n e r g y , i i 目录 目录 摘要一i a b s t r a c t i i 目录i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 课题研究现状2 1 3 课题研究的目的与意义2 1 4 课题研究主要内容3 1 4 1生物科学理论对生态设计研究的影响3 1 4 2 类生命体生态设计的类型3 1 5 主要研究方法4 第二章生态设计的概述5 2 1 生物科学与设计发展的对比5 2 2 生态设计的发展6 2 2 1 古代朴素的生态文明思想6 2 2 2 生态设计观念的产生6 2 2 3 系统化生态设计7 2 2 4 仿生设计7 2 3 从生物科学视角研究生态设计的原因8 2 3 1 设计与技术的关系8 2 3 2 生物科学对生态设计的启示8 本章小结9 第三章生物科学理论对生态设计的作用和影响1 0 3 1 类生命体生态设计的概述一1 0 3 1 1 类生命体生态设计的定义1 0 3 1 2 类生命体生念设计与绿色设计的区别1 0 3 2 生态设计的有机生命化1 l 3 2 1 产品的环境可感知性1 1 3 2 2 生态设计产品的自我更新与成长1 2 3 2 3 具有“记忆 的生态设计产品1 3 3 2 4 生态设计产品的自我繁殖与进化1 4 3 2 5 产品的凋亡15 3 2 6 类生命体生态设计产品的反思1 6 3 3 城市生态系统的有机生命化1 6 3 3 1 城市新陈代谢一1 6 3 3 2 城市系统一自然生态系统模拟体1 7 本章小结18 第四章生物科学视角下类生命体生态设计的策略1 9 4 1 生态设计设计师所需了解的技术1 9 4 1 1 人工智能19 4 1 2 纳米材料2 0 4 1 3 可再生能源在建筑中的应用2 0 4 2 类生命生态设计中的用户研究2 1 4 2 1 用户与生物交互行为参照21 4 2 2 类生命体生态设计的自然式体验2 2 4 3 类生命体生态设计中建筑能量利用的系统化设计2 3 4 3 1 类生命体建筑的概述2 3 4 3 1 1 零能耗2 4 4 3 2 类生命体建筑中能量与自然能流连接2 5 4 3 2 1 类生命体建筑的再生能量转化2 5 4 3 2 2 上海世博会零碳馆能量利用分析2 6 4 3 2 3 英国“贝丁顿零能耗发展 社区2 7 4 4 类生命体生态设计中物质、资源利用2 9 4 4 1 面向循环的设计2 9 4 4 2 面向拆卸的设计3 0 4 4 3 服务代替产品一3 0 4 4 4 节能的生活方式。3 2 4 4 5 崇明岛生态社区发展计划3 2 4 4 6 物尽其用“品物流行”设计公司案例分析3 5 本章小结3 6 第五章生物科学视角下生态设计的展望3 7 5 1 跨学科合作对生态设计的促进作用3 7 5 2 生态设计的未来发展趋势3 8 5 2 1 产品的媒介作用3 8 5 2 2 产品与人的结合3 8 5 2 3 面向环境的设计3 9 5 2 4 模拟生命过程纳米机器人3 9 5 2 5 人造物的学习能力4 0 5 2 6 超人主义关于人体的重新设计4 1 目录 本章小结4 l 结语4 2 致 射4 3 参考文献4 4 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文4 6 附录：图片出处4 7 i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 今天，我们对自然的认识已经有了明显的改观，再也不是把自然看做一种危险的、 野蛮的力量，有待人驯化。但是现在工业却仍旧按照人类在旧世界观的指导下运行和工 作。我们今天的工业基础设施，其根本的思维方式是直线的，只关注于产品本身，并将 其快速、低廉的运送到消费者手中，对其他事情没有过多的考虑。设想现在您来到了一 座常见的垃圾填埋场前，旧的室内装修物、电视机、衣服、鞋子、电话、计算机、合成 产品和塑料包装物，还有有机废物如旧书、食物、木头。这些物品曾经需要人类花费财 力和物力去制造和开发，而如今却被随意的丢弃在垃圾场，他们的价值没有得到充分利 用。这种“从摇篮到坟墓”的设计思路在现代制造业设计中非常流行。资源经过丌采， 制成产品卖掉，最后在某种“坟墓”中( 通常是垃圾填埋场或者焚烧) 处理掉。 生态设计的话题其实非常重要，社会可持续发展的要求预示着“生态设计 将成 为2 1 世纪工业设计的热点之一。为了减少环境问题，设计师首先要改进产品的环保性 能，还要对产品的环境问题和其影响有很好的了解；这就需要比以往更多的去学习和 接触科学和技术，同时还需要展示设计师、的创造性、新思维和富于想象力。而目前 众多厂家日益认同和重视设计的商业价值，不少设计师也在许多公司的研发部门被委 以重任，这一切使得设计师有机会展示他们处理环保问题的能力。实际上，产业结构 的发展已经走到了必须在环保方面做出重新的调整的阶段，这实际上是产业结构的升 级和环境意识强化的问题，这也是和我们提倡的生态设计相通的。在社会商业层面， 在大学层面，真正的生态设计做得比较少。就算是有所谓的生态设计推出，很多都是 形式大于内容，他们中的大部分设计仅仅从材料的角度或是在产品中加上绿色植物， 并没有将生态设计作为一种系统的设计方法来对待，因此很多设计没有从根源上解决 当今世界所面临的环境恶化问题。企业要求低成本、高回报，所以关注的是生产低成 本、大批量的产品，要达到这样的市场情况，在环保上必须要付出。 另外，从设计的角度来看，设计需要创新，学科交叉扩展了设计学科的研究范围， 蹦出了激烈的火花，产生了前所未有的设计理念和设计方法。设计学要对相关的数学、 物理学、材料学、工程学、机械学、建筑学、电子学、经济学进行理论研究；就设计 的审美性而言，设计学要对相关的艺术学、考古学、美学、色彩学、构成学、心理学、 民俗学、传播学、社会学、伦理学等进行研究。当生物科学做为新的学科理论注入生 态设计时，生态设计不仅仅是关注单个产品，而是系统的考虑产品在自然系统和城市 系统中所扮演的角色。产品拥有生命特性，比如自我更新、繁殖、对外界有适应性、 应激性，甚至会因为自然选择而进化。如此广阔的研究天地，正是设计学这门新兴学 科的莽莽草原，任凭研究者们纵横驰骋，收获累累1 。 尹定邦上编人垃汁学概论【m 】长沙：湖南科学技术版礼，2 0 0 0 1 3 l 江南大学硕+ 学位论文 1 2 课题研究现状 传统一般意义上的生态设计( e e o d e s i g n ) ，又称绿色设计，它仅仅拘泥于人们对 于现代科技文化所引起的环境及生态破坏的反思。绿色的含义有很多，例如象征生命、 和平、春天、大自然、安全、天然、环保、理想等等。我们所说的绿色食品，是引申 天然、安全( 无毒害) 的意义2 。 当前绿色产品中的绿色大多是指环保、节能，这也是对绿色产品的普遍理解。但 是这种绿色的理解是片面的、不完善的，所以有人提出了涉及生态系统和生命周期的 系统生态设计。生态系统的基本单位是生物体，是能够维持生命活动的具有内部结构 的实体。主要特征包括：能够独立活动；利用物质和能量；能够繁殖；具有应激反应， 对温度、湿度、资源可获得性以及可能的繁殖伙伴等外界因素做出相应反应；生命是 有极限的。产业生态学的基本单位是生产企业( 产业组织) ，它具有一定的结构性和特 定的功能，是产业生态学中的基本生产单元。即企业工厂作为类似于生态系统中的生 物角色。所以产业系统完全可以模仿生态系统，在充分竞争和调节过程中，逐渐形成 产业资源配置的最合理妥协3 。 另一方面，设计师要充分考虑循环、再生等物品从生到死到再生的全过程。这个 过程从形上联想好像是一个“环 ，故称其为坏形设计。“环形 设计方法，指的是从 设计开始，到制造、流通、使用、废品处理、分解、再利用，直到变成下一个循环资 源的全过程考虑的设计，即增加了生态要求的系统设计。设计考虑了生命周期各个阶 段对环境的影响，特别是在产品生命终止后，着重考虑废弃产品如何回收、再生和再 利用，因此最大限度地提高了资源的循环利用率。 1 3 课题研究的目的与意义 在几乎所有的设计中，大自然都赋予了人类最强有力的信息。人们在长期向大自然 学习的过程中，经过积累经验，选择和改进物体的功能、形态，而创造了更优良、多 样化的形态。因此，人类造物的信息源都是来自于大自然的仿生模拟创造。德国著名 设计大师路易吉科拉尼曾说：“设计的基础应来自诞生于大自然的生命所呈现的真 理之中。这话道出了自然界蕴含着无尽设计宝藏的天机。自然规律本身具有不以人 的意志为转移的客观性，人不能任意改变、创造或消灭自然规律。但是，人可以使用 自己的躯体和物质工具作用于客观世界，引起自然界的某些变化，并能有目的地引发、 调节和控制自然界中的实物、能量和信息过程，使各种客观规律共同作用的结果发生 有利于人的变化或保持有利于人的稳定性。 大自然生物中存在许多丰富多彩的外形、巧妙的机构、结构和系统工作原理，值 得设计师去研究和探索。生物体自然进化的每一步都显出设计的完整性，体现了美学 经济生态社会价值的完美统一，这为生态设计提供了丰富的设计指导和 2 许或青绿色设计【m 】北京：北京理工大学f “版社，2 0 0 7 1 3 4 一1 3 6 3 杨京甲光j 主编生态设h - i j 技术【m 】北京：化学t 业i l i 。版社，2 0 0 6 1 1 4 2 第一章绪论 灵感源泉。仿生学就是以模仿生物系统的结构、性状、原理、行为来构建技术系统， 使人造技术系统具有或类似生物系统特征的学科，它是把研究生物的某种原理作为向 生物索取设计灵感的重要手段。使仿生学介入生态设计，一方面体现了学科间的横向 整合，另一方面也为生态设计打开思路提供了新原理和新理论4 。 生态评价的基本指标是无污染、无毒、无害、可分解、可再生、可循环利用等。 现在很多设计只关注某一生产环节的污染问题，如，为了追求材料的可分解，而大量 使用再生纸或纸包装，殊不知“纸”在生产过程中对环境的污染是相当大的。把生物 科学引入设计学的范畴，生物科学就变成了设计学的重要依据和原则。这个依据是社 会系统、造物活动、人对自然的态度、人的道德和欲望总之，是人类社会发展的 检验标准，并且提示人们，对由文明所带来的一切异化现象都必须时时反思和纠讵。 生态设计反映的不仅仅是人类在设计领域内对生态的关注，更重要的是体现了人类对 人与自然关系愈加丰富深刻的理解，是人类可持续发展战略在设计领域的战术回应。 从生物科学的角度来研究生态设计，虽然关心的是如何在设计中通过技术融合来体现 生态，但它最根本的是为设计提供一种新的价值理念和思维。因此生态设计的进一步 发展必将依赖人类对自然、对自身以及对人与自然关系认识的深化，在以下方面不断 发展和深入。 1 4 课题研究主要内容 1 4 1 生物科学理论对生态设计研究的影响 自然系统可以说是地球上最完美的生物生存网络，它自我修复、没有废弃物产生， 而且自发保持着物质和能量的平衡。它永远会是人类模仿的对象，产品、建筑到城市 都会与自然产生直接或间接的关系。现在的产品是无机的，无生命的物体，而自然是 有机的生命组合体，这就让人联想到生命所具有的新陈代谢、应激性、记忆、衰亡、 进化、繁殖在产品、建筑设计中的可行性。此外，生物工程的代谢调控方法给设计师 运用生物科学理论提供了灵感，放大或缩小等控制措施，是使其功能更符合用户的使 用。 1 4 2 类生命体生态设计的类型 如今的许多设计师还是在过多的关注单一的设计产品本身，生物科学理论要求设 计师要从系统设计的原则来考虑一件设计产品的存在及其对环境的影响。同时，生态 学还提倡幸福感的追求，能够很好地平衡物质与精神的关系，引导人们加大精神体验， 适度消费物质资料，提高生活品味。 设计的有机化不仅仅是彻底颠覆了传统的生态设计观念，而且是带给了用户全新的 体验。在人、环境、产品( 建筑) 三者关系中，产品是媒介，在使产品更容易亲近用户， 缩短与使用者的磨合期的同时，加强了人与自然的交流。从某种意义上来说，建筑、产 品既是新的人造自然系统，拥有着自然同样的舒适度与新鲜感，将产品作为家庭的宠物， 4 马春东生态设计【m 】北京：高等教育版子1 ：，2 0 0 7 1 8 2 1 3 江南大学硕士学位论文 因为它们是有生物反应的有机物。 1 5 主要研究方法 1 比较研究法： 分析传统意义上的生态设计与生物科学视角下的生态设计的差别，努力拓展生态 设计的研究领域。 比较人工智能与生态设计的关系，区别两者的定义与界限，设计不完全是智能机 器人。 2 系统分析： 将生物科学的相关理论与设计相结合，模仿生物、自然，逐渐将无机的产品向有 机转变。 在研究过程中，不仅仅从产品本生身着手，而从产品生产的前期、生产、回收的 各个方面来考虑。甚至应该从自然环境与城市一工业生态系统的关系来规划人们的生产 结构和城市的设计。 3 理论分析： 将真实可靠，与课题相关且有研究价值的文献进行提取、整理的方法。将文献的 内容进行引用、研究，为课题研究寻找依据和支撑。具体说来是选择与生态设计有关， 并且有一定应用可能性的生物科学理论作为依据，结合设计的创意与趣味来不断丰富 生态设计的内涵。 4 第二章生态设计的概述 第二章生态设计的概述 2 1 生物科学与设计发展的对比 公元前2 世纪到公元1 6 世纪的欧洲1 6 6 3 虎克发现活细胞 文艺复兴，是生态学思想的萌芽时期。1 6 7 5 列文虎克发明显微镜 1 8 3 0 发现蛋白质 1 9 世纪3 0 年代细胞学的创立 1 9 世纪下半叶，英国的工艺美术运动 1 8 5 7 巴斯德提出微生物在发酵中的 1 8 9 5 ，新艺术运动 作用。 1 8 5 9 达尔文提出自然选择学说 1 8 6 5 孟德尔遗传定律 1 8 6 9 德国生物学家恩斯特海克尔对生 态学( e c o l o g y ) 定义的提出了一个概念。 2 0 世纪初，欧美国家的一批艺术家和 1 9 1 4 设计师敏感地了解到新时代的必然性，英国曼彻斯特首次利用细菌处理下 他们在工业革命的浪潮下，不再漠视、水道 回避和反对机械化生产，也不再拒绝使 1 9 4 6 用钢铁、玻璃等新材料。发现遗传重组 “人工智能”一词在1 9 5 6 年的认识到遗传多样性的重要性，美国 d a r t m o u t h 学会中提出。国会提供经费用于植物资源保护和引 1 9 6 0 ，波普运动拒绝消费文化和工种。 业。美国发生了生态与和平运动，追求1 9 5 3 年，d n a 双螺旋结构的发现。 “为需要而设计”。1 9 6 5 h a r r i s 和w a t k i n s 成功整合了 1 9 6 0 ，仿生学科的建立。老鼠与人细胞 1 9 6 6 破译遗传密码 1 9 7 0 年代后期，形成了后现代主义。1 9 7 1 首次合成一个基因 2 0 世纪8 0 年代，出现一股国际设1 9 8 1 首个转基因小鼠完成 计潮流，绿色设计( g r e e nd e s i g n ) 。 19 8 3 合成首个人工染色体 1 9 9 7 首个从体细胞中克隆的动物： 多莉羊 表2 - 1 生物科学与设计发展的对比， 工业时代到来后，科技在给社会生产力前所未有的变革的同时，给人类的发展提 出了难题，怎样使经济与自然协调发展，设计更适合与人类生存和发展的城市、经济 生产系统是接下来的几百年的时间一直在争论的问题。2 0 世纪初，科学家首次用细菌 处理污水，一些艺术家和设计师开始反思工业化的负面影响，到了2 0 世纪中叶人们越 5 江南大学硕士学位论文 来越认识到生产与环境的密切关系，这些都给8 0 年代出现的绿色设计的出现做了铺 垫，给生态设计未来的发展提供了依据和动力。 2 2 生态设计的发展 2 2 1 古代朴素的生态文明思想 在人与自然的关系上，古人主张天人合一( 这早的“天 ，指的是自然之天，即天 地万物，可理解为自然界、自然环境) ，认为人不是独立于自然界的，而是自然之物， 将人与万物视为一个和谐统一的整体，强调人类应当尊重自然，认识自然，保护自然， 而不能破坏自然，反对一味地向自然界索取，反对片面地利用自然与征服自然，并批 判急功近利的伦理和价值观。老子提出：“人法地，地法天，天法道，道法自然。”( 老 子第2 5 章) 强调人要以尊重自然规律为最高准则，以崇尚自然、效法天地作为人生 行为的基本根据。 生态学发展史证明它是密切结合人类实践，是在实践活动基础上发展起来的。关 于生态学的知识，最原始的人类在进行渔猎生活中，就积累着生物的习性和生态特征 的有关生态学知识，只不过没有形成系统的、成文的科学而已。直到目前，劳动人民 在生产实践中获得的动植物生活习性方面的知识，依然是生态学知识的一个重要来源。 作为有文字记载的生态学思想萌芽，在我国和希腊古代著作和歌谣中都有许多反映。 尔雅一书中就有草、木两章，记载了2 0 0 多种植物的形态和生态环境。古希腊的 亚罩士多德( a r i s t o t l e ) 及其学生都描述了动植物的不同生态类型，如分水栖和陆栖， 肉食、食草、杂食等，气候和地理环境与植物生长的关系等。 2 2 2 生态设计观念的产生 “生态设计 是2 0 世纪8 0 年代末开始出现的一股国际设计潮流，社会经济开始 重视可持续发展，这就预示着“生态设计 依然将是2 1 世纪工业设计的热点之一。漫 长的人类设计史中，设计师为人类生活的便利和社会进步做出了极大的贡献，但是不能 不提的是这同时也加速了资源，能源的消耗，并对地球的生态平衡造成了极大的破坏。 特别是设计成为了商业的工具，并且不定期的鼓励人们无节制的消费，“有计划的商品 废止制”就是这种现象的极端表现。难怪有人声称“广告设计 和“工业设计 是鼓吹 人们消费的罪魁祸首，招致了许多的批评和责难。正是在这种背景下，设计师们不得不 重新思考设计师的职责和价值作用，生态设计也就应运而生。绿色设计是可持续发展的 必然选择，其产生的背景主要是为了满足绿色消费的需求，以及让产品能够应对日益 激烈的市场竞争5 。 早在2 0 世纪6 0 年代末，美国设计理论家维克多巴巴纳克出版了专著为真实世 界而设计，引起了社会极大的争议，该书专注于设计师所面临的人类需求的最紧迫的 问题，强调设计师所应付起社会及道德伦理责任。在书中，他认为设计的最大价值并不 是创造商业利润，也不是包装和风格方面的竞争，而是一种适当的社会变革过程中的动 5 许或青绿色设计【m 】北京：北京理工大学出版社，2 0 0 7 5 1 3 4 _ 1 3 6 6 第二苹生态设计的概述 力元素。同时，他强调设计应该认真对待地球资源的使用问题，并服务于保护地球的环 境。但是当时能理解她观点的人并不多，直到7 0 年代“能源危机 爆发后，他的“有 限资源论 才得到人们普遍的认可，生态设计也得到人们的越来越多的关注和认同。 2 2 3 系统化生态设计 现在，生态设计的趋势不再拘泥于对自然生物外形和结构的模仿，而是越来越将 产品的生产、建筑、甚至城市作为一个整体来设计。总的来说，生态设计是以绿色技 术为原则所进行的产品设计，考虑对资源和环境的影响，即在产品及其生命周期全过 程的设计中，着重考虑产品的环境属性( 可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利 用性等) ，并将其作为设计目标，在充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同 时，优化各有关设计因素，使得产品及其制造过程对环境的总体影响和资源消耗减到 最小。在满足环境要求的同时，保证应有的功能、使用寿命和质量等。 除了传统意义上的产品，人们所居住的城市、建筑都可以作为一个有机的整体来 考虑，就犹如生态系统一样，给予统一的布局，更加注意节能和清洁能源的使用。 2 2 4 仿生设计 人们发现，动植物在某些方面的功能，不仅人类自身无法达到，实际上远远超越 了人类在此方面的科技成果。自然界中各种各样的动植物能够在各种恶劣复杂的环境 中生存与运动，究其原因是他们的运动器官和形体与恶劣复杂环境长期斗争与进化的 结果。动植物在几百万年的自然进化中，不仅完全适应自然，而且其进化程度接近完 美。今天，科学技术飞快发展，我们学习和利用生物系统的优异结构和奇妙的功能， 已经成为技术革新和科学探索的一个新方向。 1 蜂巢结构 总所周知，蜂巢由一个个六棱柱形小蜂 房整齐排列而成，并且每个小蜂房的底部由3 个相同的菱形组成，这些结构与近代数学家 精确计算出来的菱形钝角和锐角完全相同， 这种结构最节省材料，且容量大、极其坚固， 令许多专家赞叹不止。曾经有设计师设计过 一个设计类学生专用教学课桌椅的方案，灵 图2 - 1 蜂巢结构 感来自于蜂巢结构，提取六边形作为基本要素进行设计，桌面可以根据设计或教学需 要自由组合成不同形态，并且考虑它们彼此之间组合时面与面之问不要留有许多空隙， 组合时稳定性，最终选择了蜂巢结构。 2 肌理结构 在结构仿生领域，工程师们似乎比建筑师更善于观察自然界的生成规律，并且应 用现代技术手段创造了一系列崭新的仿生结构体系。比如从一片树叶的叶脉发现了其 交叉网状的支撑组织肌理，这些对建筑结构的创新设计是十分有益的启示。1 9 4 7 _ 1 9 4 9 7 江南大学硕士学位论文 年意大利结构工程师奈尔维和建筑师巴托利设计的意大利都灵展览馆的巨型拱顶就是 仿叶脉肌理而建造起来的，混凝土骨架和玻璃格组成的拱顶宽9 3 6 米，长7 5 米。 3 骨架结构 1 9 9 2 年，设计师圣地亚哥卡拉特拉瓦为西班牙塞维利亚国际博览会科威特设计 的展览馆中，其屋顶模拟动物关节的自由运动，是可自由启闭的结构。夜间，屋顶肋 架可以敞开，下面平台上便可以露天举行各种活动，它不仅在结构与功能上能够与动 物有机结合，而且给人以无限的想象。 在现代工业产品设计中，单纯地从形态、功能、结构或材料的某个方面来仿生 是不科学的，应该是综合形态、功能、结构和材料的多个方面来进行仿生设计，而且 还应该从大自然的生存哲学即和谐与共生的角度进行仿生设计。 2 3 从生物科学视角研究生态设计的原因 2 3 1 设计与技术的关系 设计学是从公众情感角度研究人与物的和谐关系，揭示情感附加于物的规律。设 计学是一种跨人文和自然两大学科的桥梁科学，通过技术来折射文化的一种互动，让 人们在生产和消费的过程中获得某种心理满足。因此，它较之其他学科更强调综合性， 即需要在其他科学的基础上，以情感为线索整合其他科学，建立符合人情感需求的人 与物的和谐关系。由于设计与特定社会的物质生产与科学技术的联系，这使得设计本 身具有自然科学的客观性特征；然而设计与特定社会的的政治、文化、艺术之间所存 在的显而易见的关系，又使得设计学在另一方面有着特殊的意识形态色彩。总之，设 计学是既有自然科学特征又有人文科学色彩的综合性的专门学科。 2 3 2 生物科学对生态设计的启示 从1 9 世纪初至中叶，植物地理学家、水生生物学家和动植物在各自的领域里 进行了深入的研究。随着后来对物种起源和进化以及其他方面研究的深入，人们 发现生物体与环境之间有着重要的依存关系。一方面，生物必须从环境中获取食 物、水等才能生存；另一方面，生物的活动也在某些方面改变着环境，如动物的 排泄物和遗骸增加了环境中的营养成分，植被的覆盖使原先裸露的土壤变得湿润、 阴凉6 。因而，人们意识到，只研究生物有机体的形态、结构和功能等还不能全面 认识生物，必须进一步将两者作为一个整体来看待并加以研究。同样的，生态设 计的研究也不能孤立的研究产品的材质、建筑的外观结构、功能、美观，很多设 计最终要放置于环境中，多多少少与环境发生着相互的影响，因此，应该将两者 作为一个系统来考虑。生物科学研究的主体是生物，即是有生命的。而当今城市中的 建筑、日常用品大都是单板的无生命体，生物科学视角下的生态设计再也将生命的概 念注入了设计当中，打破了产品与生物的界限，产品从无机跨越到了有机时代，因此 它是在为生态设计寻找新的领域和创新点，并且探讨生态设计未来发展的方向。 6 冉茂宇刘煜生态建筑【m 】武汉：华中科技大学d 版社，2 0 0 8 1 1 3 1 第二章生态设计的概述 生态设计研究的是人与环境的和谐相处，改善人与城市、自然的对立的关系，从 而满足人的情感诉求。生态设计起源于保存自然资源、防止工业污染破坏生态平衡， 这些理论必然会牵扯到生物科学的相关理论。生物科学包含着自然界的普遍规律，其 中生态平衡的概念告诉我们自然界中的生物与其环境之间能够保持动态的协调与统 一，当受到外来干扰的时候，能够通过自我调节回复到初始的状态。再来看我们的城 市，它越来越多的向自然索取，而将大量的废气、废水、废物排入自然，大大超出了 其自我净化的能力。总而言之，城市生态系统是生物圈中的寄生虫，是自然生命支持 生态系统的寄主。人们在城市里进行着日常生活与生产活动，城市的输入与产出需要 像自然界达到平衡，当然这需要人工控制物质产出的方式和过程。自然是城市一工业生 态系统发展创新的灵感和也是借鉴模范的对象，城市的生产过程应该类似于自然系统， 自成一个循环的系统或者成为自然系统中的一环。 综上所述，生物科学对生态设计的价值在于借鉴、模仿。不管是整个自然系统的 协调运行，生命规律还是生物个体的结构与属性，都要求人类学习自然，以自然的法 则来管理城市和协调两者的发展。 本章小结 本章首先简述了传统生态设计的概念，及其产生的背景和发展历史，重要的是说 明了生物科学与生态设计的相关性，即我们为何要用生物科学的视角来研究生物设计。 设计是功能性与审美性的结合物，又是作为人类生物性与社会性的生存方式，必然会 研究其他相关科学。在这些学科理论当中，最符合生态设计和最有可能在实际中运用 的理论，当属生物科学，其他学科不是有太强的技术性，就是与生态设计的关系不大， 不能作为理论基础指导生态设计。从生态设计诞生起，生态学进入生态设计成为了核 心的设计原则，如今其他理论也跃跃欲试，使得生态设计呈现了多样化的发展。 9 江南大学硕士学位论文 第三章生物科学理论对生态设计的作用和影响 3 1 类生命体生态设计的概述 3 1 1 类生命体生态设计的定义 生命泛指有机物和水构成的一个或多个细胞组成的一类具有稳定的物质和能量代 谢、能回应刺激、能进行自我复制( 繁殖) 的半开放物质系统。类生命体生态设计是运 用技术手段，在模仿生命和自然循环的一些特征的基础上寻求设计创新和环保的可能性 的设计概念。当然，产品不是人工智能，尽善尽美的去模仿人的特征没有任何的必要， 否则它不受人的控制，反而会和人争辩。 对于赋予产品生命，首先让人想到的是人工智能，它主要往往涉及用计算机模拟对 人的智能思维，关于什么是“智能”，就问题多多了。智能包括诸如意识、自我、思维 ( m i n d ) ( 包括无意识的思维) 等等问题，而神经系统在智能的实现和发展中发挥了主 导作用，机体内各种功能不断作出迅速而完善的调节，使机体适应内外环境的变化。在 人类长期的社会劳动中，人类的大脑皮层得到了高速发展和不断完善，产生了语言、思 维、学习、记忆等高级功能活动，使人在适应环境的同时，能认识和主动改造环境。生 态设计中产品的生命和智能机器人是两个完全不同的概念，产品所具有的生命是在模仿 其特征，但是究其本质，他们是没有自我具有意识的非生命体，是介于生命与无生命之 间的一种奇妙的有机和无机的结合体。 因此产品最合适的模仿的对象是单细胞生物，具有简单的神经调节，足以适应环境， 又不会反客为主或者变成智能机器逃出用户的房屋。生命个体通常都要经历出生、成长 和死亡。生命种群则在一代代个体的更替中经过自然选择发生进化以适应环境。作为有 机体，生态设计产品和单细胞动物一样，具有各种生命特征，诸如应激性、新陈代谢、 生殖、进化等。随着人造神经系统的成熟，在产品中植入神经系统成为可能，于是产品 就拥有了生物的感受、对环境( 比如光、湿度、压力、温度) 刺激的自动反映、与人的 互动和反馈。 3 1 2 类生命体生态设计与绿色设计的区别 现阶段的绿色设计局限于从生态学的角度解决设计问题，大多借鉴了自然界的生 态系统模式，将产品的原材料、生产、销售、回收加入到自然界的生态系统的各个环 节中去，考虑其对环境和人的影响，而且环境保护的概念也逐渐深入人心。事实上生 物科学有许多理论值得我们借鉴，生物科学研究的内容极其广泛，大到生态系统，人 体及动物生理学，d , n 细胞、有机分子，其应用领域主要包括医药卫生、食品轻工、 农牧渔业、能源工业、化学工业、冶金工业、环境保护等几个方面。类生命体生态设 计不同于绿色设计，不是简单注重单个产品的材料循环利用，而是将整个人类社会系 统当作一个自然生态系统来考虑，从生物的生命特征和自然界系统的能量、物质流动 重新设计产品材料的使用和工业生产、能源的供给。类生命体有以下3 个特征：一、 可感知性。生物科学视角下的生态设计是研究人、产品、环境之间的关系。在这其中， 第三章生物科学理论对生态设计的作用和影响 产品可以被人当作感知环境的媒介，具有测定温度或者空气质量分析等功能，并能及 时做出相应的反应。另外，产品通过材料和技术的更新达到与使用者触觉和模拟情感 的交流。二、智能性。有生命的物体都有一些共同的特征，那么这些特征也同样适用 于生态设计。具有生命特征的产品可能听上去有点天方夜谭，但是现在已经出现自我 复制和修复的机器人，随着人造神经系统的发展，会有越来越多的生命化设计产生， 它们对环境有应激性，能够自我复制、更新和繁殖，甚至具有记忆。三、系统性。生 物科学给了我们更系统看待设计的方法，其中生态系统的生物环境之问的能量、物质 循环，生命周期理论使人意识到产品的加工到报废的过程应该在设计时就被考虑在 内，建筑和城市设计统一的规划，一切生产物和废气物最后回归到城市自身生态系统 中，使人与自然更加协调。 3 2 生态设计的有机生命化 3 2 1 产品的环境可感知性 ( d ) 图3 1 诺基亚未来手机界面研究之水果状况监测 固 一 ( a )( b ) 图3 2 诺基亚未来手机界面研究之可折叠、防水 生物普遍都有应激性，对外界各种刺激( 如光、温度、声音、食物、化学物质、机械 运动、地心引力等) 发生一定的反应，动物的应激性表现尤其明显，更富有多样性。应 激性是一种动态反应，在比较短的时间内完成，其结果是使生物适应环境，可见它是生 物适应性的一种表现形式。蚯蚓喜欢呆在像黑暗的地方；一块腐肉可以招来苍蝇；植物 茎尖向光生长，这些都是应激性。一方面，产品具有应激性一方面是保护自己一种方式， 比如从高空掉落时，因为受到重力的刺激改变形状末减轻和地面冲