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设计

白蚁可以示范如何为建筑降温,已经有建筑物用上了这个原理

JoAnna Klein2019-03-31 06:23:19

“自然界中有许多美丽的形态和轮廓,但只是简单地复制这些形状并不可取。我们要复制的不是这些形状,而是创造这些形状的过程。”

本文只能在《好奇心日报》发布,即使我们允许了也不许转载*

位于津巴布韦首都的东门中心(Eastgate Centre)拥有将近 35 万平方英尺(约合 3.25 万平方米)的办公空间和商铺。相比起附近同等规模的建筑,东门中心能够节能 90%。

东门中心的秘诀是什么?白蚁。

迈克·皮尔斯(Mick Pearce)是东门中心的建筑师。1990 年代,皮尔斯在一次自然展览上看到了一种养殖真菌的白蚁所建造的土丘,并从中获得了灵感。这种白蚁创造出了一种空调系统,使得土丘中的热空气能够与外界的冷空气交换。

在这个不断变暖的世界中,如何在不消耗过多能源的情况下为建筑降温是一个难题。建筑师和建筑商一直在寻找更好的解决办法。近期,一项针对另一种白蚁土丘的研究表明,不久的将来,一定还会有建筑师像皮尔斯一样,从白蚁——一种蟑螂的表亲——身上获取灵感。

这项研究已于上周五(当地时间 3 月 22 日)发布在《Science Advance》上,作者是来自伦敦帝国理工学院(Imperial College London)的工程师卡玛尔吉特·辛格(Kamaljit Singh)。他说:“我们一直以为人类是最好的设计师,但事实并非如此。我们也要向小动物学习。”

辛格和他的同事利用高分辨率的扫描技术、计算机和物理模拟技术,研究了非洲白蚁巢穴外壁的微观结构。在肉眼看来,这层外壁非常结实。但是,研究小组凭借他们的技术,在这层外壁中发现了一些细小的孔洞。这些孔洞相互连接,形成了一个网络。根据基本物理学原理,这些孔洞可以调控土丘和巢穴中的通风、湿度甚至温度。建筑师或许可以从这种自然结构中获取灵感,尝试通过建筑结构来提高室内舒适度。

世界上大约有 2600 种白蚁,其中只有不到 30 种会蛀蚀建筑。大部分白蚁是高度社会化的建筑师,以保护蚁后及巢群的生存为己任。

为了保证白蚁不会窒息而死,地下巢穴中的二氧化碳需要和外界的氧气进行交换。而白蚁在巢穴上方建筑的土丘正好能够像“肺”一样进行这种呼吸。

但是土丘也有不同的类型。有些白蚁在巢穴中养殖真菌。这些建筑的土丘有开口和烟囱状结构,作用类似于窗户。研究人员在塞内加尔和几内亚采集的白蚁属于另一大类。这一类白蚁不养殖真菌,他们建造的土丘也没有明显的开口。辛格说,用肉眼看,“这些土丘没有任何缝隙”。

但孔洞确实存在。白蚁将唾液和土壤混合后制成小沙球,然后再将这些小沙球堆积成土丘。这些小沙球内部有着细小的空间,而小沙球之间的排列也并不紧密,有着较大的空隙。在此前的研究中,CT 扫描证实了巢穴外壁中孔洞的存在。

这一次,研究小组通过微型 CT 扫描获得了外壁深层的高分辨率图像。图像揭示了这些大大小小孔洞之间的联系。研究发现,无论土丘使用的是塞内加尔干燥的沙土,还是几内亚湿润的黏土,这种微观结构几乎相同。这说明,土丘通风的关键是结构而不是材料。

研究小组发现,只含有小孔洞的土丘在功能上与正常土丘不同。在模拟的强风环境下,这类土丘无法进行气体交换,并且会累积更多的二氧化碳。研究人员还将土丘壁浸在水中,以模拟大雨环境。结果显示,同时拥有大孔洞和小孔洞的结构干的更快。

斯科特·特纳(Scott Turner)是一名生理学家。特纳虽未参与这项研究,但也表示,这些孔洞能够协助调控气体的流动和排放,而辛格的研究则揭示了其背后的原理。

特纳说:“生物肺部气体交换的物理过程,与白蚁土丘的系统非常相似。”

在生物体中,肌肉收缩可以帮助肺部进行气体交换,并将氧气输送至血液。土丘外流动的风有着相似的作用。风能够带走土丘内部的气体,并将氧气带入巢穴深处。他说:“如果仔细思考,你就会发现这种土丘实际上类似一个生理器官。只不过这个器官是由一群白蚁用泥土建造而成的。”

研究小组还认为,这些孔洞有助于气温调节。但特纳表示,这个结论还需要更多的研究,因为在其他类型的巢穴中,土壤也可以调节气温。

目前也尚不清楚白蚁是如何合作建筑这些结构的。来自法国的生物学家盖伊·特洛拉兹(Guy Theraulaz)参与了这项研究。他表示,白蚁可以通过协同作用(synergy)来协调行动。协同作用是一种间接的沟通系统。在这种系统下,白蚁通过同伴留下的化学痕迹而作出相应反映。科学家相信,小沙球中的白蚁唾液含有一种费洛蒙(一种化学信号)。工蚁形态下的白蚁没有复眼,只有微弱的感光能力。这种费洛蒙可以指导工蚁完成建造。

他说:“它们(白蚁)并不需要思考。”在亿万年的进化中,白蚁所遵循的规则已经成了一种本能,其功能类似于人工智能程序。

梅基·圣米格尔·保尔森(Maki San Miguel Paulson)是建筑围护结构(保持建筑内部密封的外层结构)方面的顾问。她表示,不论需不需要思考,“我个人希望更多的人能像白蚁一样,享受自然通风。”她说,白蚁“不喜欢密闭的环境。它们喜欢空气在其巢穴中流通。”

建筑商通常关注机械通风,也就是风扇、加热和冷却设备。这些设备消耗能源,但更容易控制。而依靠气候环境通风的环保建筑,则很难保证居住舒适度,因此建筑规模通常较小。保尔森说:“如果能够同时做到这两点(舒适度和环保),岂不是两全其美?”

辛格和他的同事希望,通过未来对其他品种白蚁巢穴的研究,人们可以发现这些结构中通用的设计原则,并将这些原则运用到实际建筑。像东门中心一样,这些受白蚁启发的建筑并不一定要看起来像白蚁土丘。

皮尔斯说:“自然界中有许多美丽的形态和轮廓,但只是简单地复制这些形状并不可取。我们要复制的不是这些形状,而是创造这些形状的过程。”


翻译:熊猫译社 王奕琳

题图为津巴布韦的东门中心。图片版权:David Brazier, via Wikimedia Commons

© 2019 THE NEW YORK TIMES

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