2021畢設(shè)故事 | 牛志明：維管植物研究與設(shè)計應(yīng)用

牛志明

2016年畢業(yè)于中北大學(xué)，獲藝術(shù)和經(jīng)濟(jì)學(xué)雙學(xué)位

2021年畢業(yè)于清華大學(xué)美術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)教研室，獲藝術(shù)碩士學(xué)位

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畢業(yè)設(shè)計研究視頻

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維管植物的研究價值

維管植物作為高等植物中的重要組成部分，主要包括被子植物、裸子植物、蕨類植物等，其種類繁多，已知約26萬余種。維管系統(tǒng)的產(chǎn)生是植物從海洋走向陸地的標(biāo)志，其進(jìn)化已有4億多年的歷史。隨著地球的生態(tài)環(huán)境變化，維管植物的形態(tài)也在隨之發(fā)生改變，表現(xiàn)出生物多樣性的形態(tài)特征。除了適應(yīng)氣候因素和資源分配帶來的影響以外，為了抵御昆蟲的脅迫，植物也進(jìn)化出和植食昆蟲相互“博弈”的形態(tài)，這些因素也使得維管植物逐漸形成了自己獨(dú)特的防御體系，這就是共進(jìn)化理論(co-evolution)。維管植物的進(jìn)化遵循著物競天擇的原則，這也使得它們逐漸成為地球植物家族中最繁茂和最高等的植物。因而，其在設(shè)計形態(tài)學(xué)和可持續(xù)生態(tài)開發(fā)等領(lǐng)域也蘊(yùn)含了豐富的研究和應(yīng)用價值。

維管植物調(diào)研（拍攝于中科院植物研究所）

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維管植物形態(tài)觀測

畢業(yè)選題確定之初對于最后設(shè)計出什么樣的產(chǎn)品，其實內(nèi)心里還沒有雛形，主要精力集中在探索發(fā)現(xiàn)階段。本研究課題主要針對蕨類植物、被子植物、裸子植物三種主要的維管植物類別進(jìn)行設(shè)計形態(tài)學(xué)研究。在調(diào)研階段，我首先挑選其中具有代表性的幾十種植物品種，進(jìn)行分類觀察和專項調(diào)研。從宏觀層面上，對以上三類主要維管植物中的典型植物進(jìn)行觀察、記錄、采集、分析。之后，采用普通光學(xué)顯微鏡從介觀尺度上進(jìn)一步觀察典型植物的細(xì)胞和組織形態(tài)，在確定了最終的維管植物研究對象以后，從宏觀到介觀對其再進(jìn)行專項的調(diào)研和分析。用到的工具包括：熱像儀、普通光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡等。

觀察方法及流程

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前期調(diào)研及選擇睡蓮

在所有調(diào)研的植物中，通過長期觀測和分析，逐漸發(fā)現(xiàn)睡蓮在所有調(diào)研的維管植物中具有典型的形態(tài)特征，其無論是內(nèi)部細(xì)胞排列分布，還是表皮細(xì)胞形態(tài)以及氣道空間組合等方面都有維管植物典型的形態(tài)特征。在水生環(huán)境適應(yīng)性和抗逆性表現(xiàn)特征上，由于睡蓮主要生長于水中，因此在氣流交換，抗壓能力，防御魚類和昆蟲等啄食，抵抗水流影響等方面，睡蓮具有獨(dú)特的形態(tài)優(yōu)勢。另外，加以實驗條件限制，經(jīng)過綜合考慮，最終選擇了睡蓮科植物繼續(xù)深入研究。

研究范圍的限定

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睡蓮樣本的來源及觀察過程

睡蓮采集的樣本主要來源于中科院植物研究所以及自己養(yǎng)殖的睡蓮樣本。通過解剖發(fā)現(xiàn)了諸多有趣的形態(tài)現(xiàn)象，譬如：不同品種睡蓮的氣道結(jié)構(gòu)，同種品種睡蓮不同器官的氣道結(jié)構(gòu)都有不同。在睡蓮莖稈氣道的觀察實驗中，維金納琴睡蓮莖稈的端點(diǎn)往下300mm，每隔100mm處取一次實驗樣本，氣孔所占橫截面的比例由上到下依次為：0.16,0.22,0.26,0.30，比例依次增加。另外，在調(diào)研過程中，還對睡蓮不同器官的熱成像現(xiàn)象等特征進(jìn)行了觀察。

睡蓮典型形態(tài)觀察與分析

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睡蓮形態(tài)觀測調(diào)研

通過在電子顯微鏡下對睡蓮樣本進(jìn)行觀測發(fā)現(xiàn)，不同品種睡蓮介觀層面的形態(tài)結(jié)構(gòu)有所不同，譬如：亞馬遜王蓮的葉片上表皮布滿了不規(guī)則的扁平上皮細(xì)胞（pavement cells）形態(tài)，中間夾雜著氣孔，而下表皮則沒有氣孔，科羅拉多睡蓮葉片的特征在這方面與王蓮類似。但是，王蓮的葉片背面一般長有纖毛狀的結(jié)構(gòu)。另外，王蓮氣道內(nèi)部的細(xì)胞形態(tài)近乎均勻排布。調(diào)研中，還對睡蓮的氣道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了X光拍攝等，也發(fā)現(xiàn)了一些有趣的現(xiàn)象。

電鏡下睡蓮形態(tài)特征

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睡蓮表皮細(xì)胞形態(tài)參數(shù)化分析及數(shù)字模擬

在提取睡蓮葉片表皮細(xì)胞形態(tài)特征以后，采用了Rhino 7軟件結(jié)合 Grasshopper參數(shù)化編程平臺對pavement cells的形態(tài)進(jìn)行了參數(shù)化的數(shù)字模擬。之后，建立了三組對照組實驗，針對pavement cells形態(tài)的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了實驗探究。

同樣工況條件下，其中結(jié)構(gòu)1的剛度為27796.9N/mm，結(jié)構(gòu)2的剛度為25880.95 N/mm，結(jié)構(gòu)3的剛度為22645.7 N/mm。模型3的彈性能力相對另外兩種模型具有一定優(yōu)勢。

睡蓮葉片pavement cells形態(tài)的模擬分析流程

三組結(jié)構(gòu)對照實驗的有限元分析結(jié)果

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睡蓮莖稈氣道形態(tài)流體力學(xué)模擬分析

在頂部垂直壓力測試實驗里，從前期90余個基礎(chǔ)模型中選取了模型26，模型44，模型45，模型53和模型63進(jìn)行對照實驗。其中模型26中的氣道為4個等大的圓形氣道，模型44、45、53中分別含有兩對大小不同的氣道，兩對氣道關(guān)于中心對稱。模型63的對稱中心偏向于小的一對氣道。實驗中施加的頂部壓力大小為100000000N/m，材料為合金鋼。整體的實驗表明頂部施加壓力后，模型會向氣孔小的方向發(fā)生彎曲。（具體分析結(jié)果見作者碩士論文附錄）

實驗用到的部分氣道數(shù)字模型

典型睡蓮氣道形態(tài)頂部受力模擬分析實驗

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睡蓮形態(tài)衍生模型實驗

模型制作過程、氣動裝置方向控制實驗和桌面救人實驗

通過在氣動模型的不同方向上施加氣體壓力，即可使模型產(chǎn)生上、下、左、右的彎曲變化。如果在單個方向上持續(xù)增加氣體壓力，硅膠模型就可以形成圓環(huán)形，接近救生圈的造型。受此啟發(fā)，如上圖所示，筆者還制作了簡易的救人模型實驗。

3D打印TPU材料模型、實驗配件及拉力機(jī)測試平臺

通過對扁平上皮細(xì)胞（pavement cells）的衍生形態(tài)模型進(jìn)行對照測試實驗后發(fā)現(xiàn)，相對于方形網(wǎng)格，pavement cells網(wǎng)格模型拉伸同樣的距離，只需要方形網(wǎng)格模型30%的拉力。這與前期有限元分析的結(jié)果類似，說明pavement cells網(wǎng)格模型在力學(xué)緩沖等方面具有一定優(yōu)勢。

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應(yīng)用對象的適應(yīng)性分析

通過對睡蓮葉片的葉脈及氣道的抗壓結(jié)構(gòu)、莖稈氣道的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、扁平上表皮細(xì)胞（pavement cells）形態(tài)結(jié)構(gòu)等幾個方面的生物適應(yīng)性研究可以得出睡蓮在不同環(huán)境（沉睡、浮水、挺水）中不同的形態(tài)適應(yīng)性優(yōu)勢。在向人類設(shè)計應(yīng)用轉(zhuǎn)化的過程中，我們可以將其與設(shè)計問題相結(jié)合，從而為人類的抗疲勞結(jié)構(gòu)、抗壓結(jié)構(gòu)以及智能制造等材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供設(shè)計的理論依據(jù)。下圖所示是將睡蓮形態(tài)的自然適應(yīng)性原則與人類需求相結(jié)合進(jìn)行的適應(yīng)性分析，并對睡蓮典型形態(tài)的研究價值和可行性進(jìn)行了客觀評價。

應(yīng)用對象的適應(yīng)性分析關(guān)系圖(包含實驗條件及創(chuàng)新性評分)

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前期方案推演

在前期的方案推敲中，設(shè)計了多組概念方案，包括公共設(shè)施、建筑、水下機(jī)器人等。其中，最后三組方案的共通之處都是基于睡蓮氣道形態(tài)的生物啟發(fā)原理，采用了氣動方式來控制救援機(jī)器人的移動方向，當(dāng)其行駛到溺水者旁邊時，使用者可以通過遠(yuǎn)程遙控裝置來控制“救生圈”的彎曲方向，從而達(dá)到救援目的。以上方案皆是前期的概念推敲，許多環(huán)節(jié)仍有待于完善，這也是后面方案的完善環(huán)節(jié)要做的主要工作。

前期概念方案迭代過程

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最終設(shè)計方案

模塊化-多功能水下機(jī)器人（ROV）概念方案的設(shè)計原理同樣是基于維管植物睡蓮氣道形態(tài)的研究規(guī)律，并在前期概念方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了迭代和優(yōu)化。機(jī)體采用模塊化的組合方案。使用者通過遠(yuǎn)程遙控氣動或液壓裝置系統(tǒng)，來控制水下機(jī)器人的移動方向。通過置換不同的功能模塊，產(chǎn)品未來可用于水下探測、管道維護(hù)、水面救援等工作。

產(chǎn)品部分應(yīng)用場景

清美畢設(shè)展覽現(xiàn)場

展覽海報設(shè)計

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難點(diǎn)總結(jié)及成果闡述

本課題研究選擇了高等植物中的維管植物作為了研究對象，通過從宏觀到介觀的觀察及分析，最終選擇了將睡蓮作為本課題中維管植物設(shè)計形態(tài)學(xué)的典型研究對象。研究框架大致可分為兩個部分，前半部分是基于設(shè)計形態(tài)學(xué)、生物學(xué)、解剖學(xué)、材料力學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)研究內(nèi)容，后半部分是基于前期研究成果的概念設(shè)計應(yīng)用表達(dá)。

通過前期對睡蓮的解剖、觀察、分析、歸納，發(fā)現(xiàn)了諸多有趣的形態(tài)學(xué)現(xiàn)象，譬如：睡蓮莖稈的截面氣孔由上至下逐漸擴(kuò)大，睡蓮的莖稈截面中氣孔的位置由根部到葉柄水平位置也發(fā)生了旋轉(zhuǎn)等。后來，通過近300余組的數(shù)字模擬實驗，50余組的實體模型驗證實驗，基本可以總結(jié)出睡蓮的多孔旋轉(zhuǎn)氣道形態(tài)、表皮細(xì)胞形態(tài)、葉片氣道形態(tài)等不同形態(tài)背后的變化規(guī)律以及它們在力學(xué)緩沖、抗彎剛度、彈性力學(xué)、流體力學(xué)上的抗逆性和適應(yīng)性原理。

本研究課題除了將這些形態(tài)規(guī)律從自身角度出發(fā)做若干縱向?qū)φ諏嶒炓酝�，還和現(xiàn)有的常見形態(tài)做了多組橫向?qū)φ諏嶒灒�總結(jié)出了睡蓮特殊形態(tài)在流體力學(xué)、彈性力學(xué)等方面的優(yōu)勢和不足。之后，將這些形態(tài)規(guī)律和現(xiàn)有人類需求相結(jié)合，通過引入設(shè)計問題，預(yù)設(shè)環(huán)境等影響因素，進(jìn)行設(shè)計應(yīng)用的頭腦風(fēng)暴和設(shè)計發(fā)散。最后，選擇了相對合理的水下機(jī)器人應(yīng)用方向加以設(shè)計闡述和深入表達(dá)。由于本人并非機(jī)器人設(shè)計、自動化控制等相關(guān)專業(yè)研究者，在概念設(shè)計方案中也難免有錯誤之處，因此也希望有關(guān)領(lǐng)域?qū)＜夷軌蚺�評指正，不勝感激。

基于維管植物的形態(tài)學(xué)研究涉及內(nèi)容廣泛、有深度、研究意義也重大。最后，我僅選擇了其中典型的維管植物睡蓮進(jìn)行了較為深度的設(shè)計形態(tài)學(xué)研究。而睡蓮只是其中的冰山一角。通過對維管植物的基礎(chǔ)研究也發(fā)現(xiàn)，要想研究明白一種生物形態(tài)，除了要了解和掌握基礎(chǔ)的生物學(xué)、解剖學(xué)、形態(tài)學(xué)等知識以外，還會涉及到材料力學(xué)、形態(tài)數(shù)字編程、流體力學(xué)、彈性力學(xué)、工程力學(xué)、高等數(shù)學(xué)等諸多基礎(chǔ)學(xué)科和數(shù)理背景知識，這也給本次研究課增加了難度。

越有挑戰(zhàn)性的事情，其背后所蘊(yùn)藏的價值也愈高。畢業(yè)時，選擇了去中國農(nóng)科院合成生物學(xué)研究中心繼續(xù)做跨學(xué)科相關(guān)的研究工作。從設(shè)計專業(yè)到科研，希望在補(bǔ)充跨學(xué)科背景知識的同時，對研究方法和流程加以完善。

作者與導(dǎo)師邱松教授合影

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致謝

首先，感謝導(dǎo)師邱松教授三年多以來對本人的悉心指導(dǎo)和教誨，這些都是自己做科研的基石。感謝工作室兄弟姐妹以及同學(xué)、朋友、老師對我的支持，沒有你們的幫助，我的實驗和設(shè)計應(yīng)用肯定進(jìn)展緩慢。

感謝清華大學(xué)美術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)教研室金劍平老師，每次您都能對我的研究提出很好的改善建議。感謝清華大學(xué)未來實驗室馬兆遠(yuǎn)老師，您的觀點(diǎn)總是清晰獨(dú)特，這也讓我在科研的過程中敢于保持獨(dú)立創(chuàng)新的精神。感謝清華大學(xué)美術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計系劉新老師在可持續(xù)設(shè)計課程上的指導(dǎo)，讓我在做設(shè)計的同時能夠更加全面地思考社會性因素，使得設(shè)計應(yīng)用更加飽滿。感謝中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院閆建斌老師提供的科研指導(dǎo)和實踐機(jī)會，使我能夠有機(jī)會接觸到更多的交叉領(lǐng)域。感謝中國工業(yè)設(shè)計協(xié)會原副秘書長田文苗老師的學(xué)術(shù)肯定和論文修改意見，讓我更加清楚未來的研究方向。

同時，還要感謝讀研過程中各位課程老師的教導(dǎo)和幫助。感謝清華大學(xué)建筑學(xué)院魏慶芃老師提供的熱成像設(shè)備和學(xué)術(shù)指導(dǎo)，中科院生物物理研究所張建國老師等提供的雙束電鏡掃描支持，中科院植物研究所提供的樣本資源，寵物醫(yī)院提供的DR(數(shù)字X線攝影)，研究生室友提供的光學(xué)顯微鏡等幫助，這些對本人更好的觀察和理解維管植物形態(tài)特征提供了很好的影像依據(jù)。

最后，感謝家人一直以來的鼓勵和支持！

本課題承蒙“設(shè)計形態(tài)學(xué)”國家社科基金資助，特此致謝。

展覽網(wǎng)址：https://exhibition.ad.tsinghua.edu.cn/2021/?rid=386fa87f&locator=f9b56e52

資料來源 | 牛志明

圖文編輯 | 羅雪輝 馮佳琪