荒漠植物形態(tài)研究與設(shè)計(jì)應(yīng)用

陶玉東 邱松

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué);荒漠植物;拓?fù)鋵W(xué);汲水灌溉設(shè)施;工業(yè)設(shè)計(jì)

隨著設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)的研究越來(lái)越成熟，形態(tài)的研究不僅僅只體現(xiàn)在視覺(jué)層面的裝飾性和造型感，還直接反映了設(shè)計(jì)的功能與文化屬性。植物幾乎貫穿于整個(gè)地球生物進(jìn)化史，經(jīng)過(guò)30多億年的進(jìn)化，地球上現(xiàn)有30多萬(wàn)種植物，生物的每一種形態(tài)都充分反映了它適應(yīng)環(huán)境的生存策略。荒漠是一個(gè)地理概念，通常是指降水量少而蒸發(fā)量極大的地區(qū)，荒漠在地球上分布范圍極廣，荒漠植物形態(tài)在面對(duì)特殊環(huán)境時(shí)仍能有效保證植物體的生存，因此荒漠植物能為人們提供廣闊的研究空間，給予設(shè)計(jì)豐富的靈感。本文并不僅僅停留在對(duì)植物形態(tài)的簡(jiǎn)單模仿層面，而是從設(shè)計(jì)思維出發(fā)，對(duì)植物進(jìn)行科學(xué)、理性的仿生形態(tài)研究。最終的成果不僅具有形式上的美感，更要對(duì)應(yīng)用對(duì)象的功能改善有積極的促進(jìn)作用，使得設(shè)計(jì)能夠最高程度地體現(xiàn)研究成果。

1 荒漠植物形態(tài)分析

1.1 荒漠植物形態(tài)與適應(yīng)性分析

1.1.1 研究對(duì)象選取

荒漠植物種類較多，形態(tài)豐富。在進(jìn)行形態(tài)研究時(shí)，對(duì)研究對(duì)象的范圍加以界定，在具體觀察中，以觀察營(yíng)養(yǎng)器官根、莖、葉的外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)為主?；哪貐^(qū)氣候極其干旱，年降水量少于250mm，蒸發(fā)量極大，光照強(qiáng)度大，晝夜溫差大，常伴有大風(fēng)，由于植物稀疏，土壤的形成過(guò)程主要受氣候狀況和母質(zhì)的影響。在諸多環(huán)境因子中，對(duì)荒漠植物形態(tài)影響最直接是干旱、大風(fēng)和沙質(zhì)土壤等，而干旱又是植物首先面對(duì)的生存考驗(yàn)，因此文章選定荒漠植物的根系進(jìn)行形態(tài)分析與研究。文章選取荒漠植物紅砂，對(duì)其根系形態(tài)進(jìn)行研究。紅砂為常見強(qiáng)旱生荒漠植物，屬于檉柳科紅砂屬小灌木，高10 ～ 70cm。生長(zhǎng)于荒漠地區(qū)的山前沖積、洪積平原上和戈壁侵蝕面上，基質(zhì)多為粗礫質(zhì)戈壁，如圖1。

1.1.2 形態(tài)觀察

研究樣本來(lái)自我國(guó)甘肅省境內(nèi)，按降水梯度，在甘肅境內(nèi)自東南向西北方向選取三個(gè)區(qū)域，分布為：蘭州、武威、張掖，分別從蘭州、武威、張掖地區(qū)采集研究樣本A、B、C。蘭州、武威、張掖年降水量分別在300 ～ 400mm、150 ～ 200mm、150mm左右，三地海拔均在1300 ～ 1600m 之間。獲得根系樣本后對(duì)根系進(jìn)行拍照和三維掃描，將三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入Rhino 計(jì)算機(jī)輔助軟件，生成準(zhǔn)確的三維計(jì)算機(jī)模型和直觀的三視圖，如圖2。

1.2 紅砂植物根系形態(tài)分析

1.2.1 直觀觀察

對(duì)紅砂根系具體形態(tài)特征進(jìn)行量化描述，包括主根橫截面直徑、根序①特征、根系連接②（叉間距）數(shù)量、平均連接長(zhǎng)度、總根長(zhǎng)等。如表1。

以A 樣本為例，選擇主根與主根相連的第一個(gè)次級(jí)根為觀察對(duì)象，測(cè)定主根于分叉處（a 點(diǎn)）的直徑與分叉后段直徑（b點(diǎn)）， 以及次根初始直徑（c 點(diǎn)），以此類推測(cè)得d-h 點(diǎn)處的根直徑，如圖3。因根橫截面為類正圓形，因此可以依據(jù)圓面積公式（1）得出橫截面面積，結(jié)果如表2，發(fā)現(xiàn)a 點(diǎn)橫截面面積Sa ≈ Sb + Sc，d 點(diǎn)橫截面面積Sd ≈ Se + Sf，g 點(diǎn)橫截面面積Sg ≈ Sh +Si，高級(jí)根在分生出低級(jí)根時(shí)，分叉處高級(jí)根橫截面面積約等于與之相接的兩段根初始橫截面之和，符合Leonardo da Vinci 法則③。

1.2.2 拓?fù)浞治?/p>

文章從拓?fù)鋵W(xué)的角度切入，對(duì)紅砂根系進(jìn)行抽象化概括，并建立參考模型用于比對(duì)，結(jié)合荒漠植物對(duì)干旱環(huán)境的生存策略，對(duì)紅砂根系各根須之間以及根須與主根的空間關(guān)系進(jìn)行分析。植物學(xué)家Bouma、Fitter 提出兩種用于描述植物根系形態(tài)的理想化極端分型，分別為魚尾型和叉狀型，如圖4。兩種根系拓?fù)淠Ｐ?，?duì)兩種極端根系進(jìn)行了描述，根系兩個(gè)相鄰分叉點(diǎn)之間為一個(gè)連接，文章稱其為內(nèi)部連接（圖5 中藍(lán)點(diǎn)標(biāo)注處），根系末端根尖分生組織到最近的分叉點(diǎn)之間為外部連接（圖5 中紅點(diǎn)標(biāo)注處），魚尾型分枝與叉狀型分枝最大的區(qū)別是內(nèi)部連接數(shù)量與外部連接數(shù)量的比值，魚尾型分枝外部連接數(shù)量與內(nèi)部連接數(shù)量相等，有且僅有一條包含最多內(nèi)部連接的主根，而叉狀型分枝則有若干個(gè)包含同樣數(shù)量?jī)?nèi)部連接的根，選取其中一條根須作為主根，外部連接數(shù)量比主根上的內(nèi)部連接數(shù)量要多一倍。引用拓?fù)渲笖?shù)T 對(duì)以上兩種根型進(jìn)行描述，設(shè)最長(zhǎng)根系內(nèi)部連接總數(shù)為x，根系外部連接總數(shù)為y，根據(jù)公式（2）求得魚尾型根系拓?fù)渲笖?shù)T1 = 1，叉狀型拓?fù)渲笖?shù)T2接近0.66，有研究表明T 值越接近0.5，則根型越接近叉狀分枝。

分別對(duì)三株樣本模型的外部連接與內(nèi)部連接進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并依據(jù)拓?fù)涔剑?）求得各樣本的拓?fù)渲笖?shù)T，結(jié)果如表3，樣本A 拓?fù)渲笖?shù)TA 最大，更接近1， 樣本C 拓?fù)渲笖?shù)Tc最小，更接近0.5，B 樣本拓?fù)渲笖?shù)TB 介于兩者之間，因此A 樣本根系更接近于叉狀型根系，C 樣本更接近于魚尾型根系。進(jìn)一步分析樣本根系幾何空間構(gòu)型規(guī)律，將每株樣本不同序級(jí)根系分組并計(jì)算拓?fù)渲笖?shù)，如表4 所示，高根序等級(jí)根須幾何關(guān)系的拓?fù)渲递^小，低根序的根須幾何關(guān)系拓?fù)渲荡?，表明在同一株紅砂中，主根系空間關(guān)系接近叉狀型，低級(jí)根系空間關(guān)系接近魚尾型。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

2.1 形態(tài)原理猜想

利用計(jì)算機(jī)輔助建模軟件構(gòu)建根系模型，預(yù)設(shè)根系內(nèi)部連接和外部連接長(zhǎng)度數(shù)值均為10，分別構(gòu)建四組根系（命名為甲、乙、丙、丁對(duì)照組），每組根系包括一個(gè)魚尾型根系與一個(gè)叉狀型根系。甲組叉狀型根系最長(zhǎng)根系內(nèi)部連接數(shù)量為3，外部連接數(shù)量為4，整個(gè)根系由7 段連接構(gòu)成，用于比對(duì)的同組魚尾型根系也由7 段連接構(gòu)成，乙對(duì)照組相比于甲組每段末端根須再增加一對(duì)分枝，得到的叉狀型根系由15 段連接構(gòu)成，該組魚尾型根系連接數(shù)也設(shè)定為15 段，以此類推，建立丙、丁對(duì)照組，參照?qǐng)D5。假設(shè)根系上任意點(diǎn)可從以該點(diǎn)為圓心、半徑為10 的球體空間內(nèi)吸收養(yǎng)分，則每段線形根連接可從以根為軸心、橫截面半徑為10 的圓柱體空間內(nèi)吸收養(yǎng)分，線兩端為端點(diǎn)，需要再在圓柱體空間兩端增加半徑為10 的半球體，構(gòu)建出這段根可利用土壤的模型，依照此方法，分別為四個(gè)對(duì)照組的根系構(gòu)建可利用土壤模型，如圖5。利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)8 個(gè)根系可利用土壤模型進(jìn)行體積測(cè)算，測(cè)算結(jié)果見表5。測(cè)得各組根系可利用土壤體積，魚尾狀根比叉狀根可利用土壤體積更大，當(dāng)根系連接數(shù)為7 時(shí)，魚尾狀根在可利用土壤體積層面的優(yōu)勢(shì)并不明顯，但隨著根系連接數(shù)目的增加，魚尾型根可利用的土壤體積增幅越來(lái)越大。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本節(jié)通過(guò)實(shí)物實(shí)驗(yàn)對(duì)前文觀點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)材料

對(duì)叉狀型根系的形體進(jìn)行抽象概括，按照根系的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別構(gòu)建三個(gè)根系模型，所對(duì)應(yīng)的最高根序級(jí)分別為3 級(jí)、4 級(jí)、5 級(jí)，包含的連接數(shù)分別為7 段、15 段、31 段，依據(jù)3 個(gè)叉狀型根系模型的連接數(shù)量，再建立3 個(gè)魚尾型根系抽象模型，連接數(shù)量與叉狀型根系相同，通過(guò)3D 打印的方式將以上6 個(gè)模型制成實(shí)物。分別將連接數(shù)為7 的叉狀型根和魚尾型根編為一個(gè)對(duì)照組，序號(hào)為a，以此類推，再創(chuàng)建b 對(duì)照組（連接數(shù)為15）和c對(duì)照組（連接數(shù)為31）。實(shí)驗(yàn)工具包括量杯、計(jì)時(shí)器、膨潤(rùn)土④，量杯用來(lái)控制水量，計(jì)時(shí)器用來(lái)記錄實(shí)驗(yàn)中清水滲入土壤所消耗的時(shí)間，膨潤(rùn)土用來(lái)掩埋模型并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)揮吸水的作用，實(shí)驗(yàn)樣本與工具見圖6。在根系模型連接段設(shè)置均勻分布的小孔，孔直徑為1mm，數(shù)量為每段30 個(gè)，模型的末端再增加4 個(gè)孔。當(dāng)水分通過(guò)模型滲入膨潤(rùn)土后，膨潤(rùn)土?xí)杆倌Y(jié)成塊從而降低吸水性，附著于模型表面，阻礙模型內(nèi)水分的流出。模型滲水速度與可利用的膨潤(rùn)土體積呈正相關(guān)關(guān)系。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

將根系模型掩埋在膨潤(rùn)土中，待根系完全被膨潤(rùn)土掩埋，將水倒入漏斗，使用計(jì)時(shí)器記錄所有水被灌入根系模型的時(shí)間，每組實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6，實(shí)驗(yàn)表明魚尾狀根可利用更多體積的土壤，隨著根段數(shù)增加，滲水速度得到提升，說(shuō)明魚尾型根系比叉狀根系利用土壤的效率高。紅砂根系在進(jìn)化歷程中演化出了適應(yīng)荒漠干旱環(huán)境的形態(tài)特征，經(jīng)過(guò)觀察和分析，得出以下結(jié)論：（1） 紅砂根系形態(tài)遵循Leonardo da Vinci 法則;（2） 紅砂根系在面對(duì)不同干旱程度環(huán)境時(shí)，根系具有明顯可塑性，當(dāng)干旱程度加劇時(shí)，根系生長(zhǎng)受到抑制。紅砂根系整體呈現(xiàn)叉狀型根系特征，但隨著干旱加劇，根系空間關(guān)系有向魚尾型演化的趨勢(shì);（3） 紅砂根系中高序級(jí)根之間呈現(xiàn)叉狀型根系特征，低序級(jí)根之間呈現(xiàn)魚尾型特征。

3 設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)應(yīng)用對(duì)象選取

生物演化出的生存策略會(huì)直接影響其形態(tài)，形態(tài)也體現(xiàn)了生存需求，這一規(guī)律可與人的設(shè)計(jì)工作進(jìn)行類比。設(shè)計(jì)應(yīng)用需要充分體現(xiàn)文中的研究成果，同時(shí)應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決具有可借鑒性。應(yīng)用對(duì)象的選取需要基于以下四項(xiàng)原則：（1） 選取對(duì)象所對(duì)應(yīng)的人類需求與植物生存需求具有類比性;（2） 應(yīng)用對(duì)象使用環(huán)境與植物生存環(huán)境有可類比性;（3） 應(yīng)用對(duì)象的核心設(shè)計(jì)點(diǎn)應(yīng)體現(xiàn)紅砂根系形態(tài)規(guī)律;（4） 設(shè)計(jì)方案基于現(xiàn)有技術(shù)能夠做到邏輯自洽。最終選取雨水收集/ 灌溉設(shè)施作為設(shè)計(jì)應(yīng)用對(duì)象，原因如下：（1） 雨水收集/ 灌溉設(shè)施需要高效地從土壤中獲取水分，植物高效利用土壤水分相類似;（2） 設(shè)施可解決干旱地區(qū)的生產(chǎn)及生活問(wèn)題;（3） 基于紅砂根系分析出的根系幾何空間規(guī)律對(duì)于應(yīng)用對(duì)象的地下管道排布具有借鑒意義;（4） 設(shè)備所涉及技術(shù)是成熟的，設(shè)計(jì)應(yīng)用將基于現(xiàn)有技術(shù)提出更有效的解決思路。

3.2 設(shè)計(jì)應(yīng)用表達(dá)與說(shuō)明

3.2.1 設(shè)計(jì)發(fā)散

初期設(shè)計(jì)方案通過(guò)草圖的形式進(jìn)行形態(tài)推敲獲得方案A 和B，并選擇B 方案進(jìn)行深入表達(dá)，通過(guò)Rhino 軟件完成模型搭建，制作詳細(xì)、直觀的高保真效果圖（見圖7）。

3.2.2 設(shè)計(jì)說(shuō)明

紅砂根系形態(tài)規(guī)律可應(yīng)用于吸水/ 灌溉部件的空間分布上。假設(shè)儲(chǔ)水倉(cāng)對(duì)應(yīng)的是根系主根，四周排布的管道對(duì)應(yīng)的則是高序級(jí)根系，與儲(chǔ)水倉(cāng)呈叉狀結(jié)構(gòu)分布，沙土中的末端管道之間則保持魚尾型根系分布，這種空間關(guān)系可以同時(shí)保證設(shè)備覆蓋的廣度和高土壤利用率。集水/ 灌溉部件管道的橫截面則符合Leonardo da Vinci 法則，這種橫截面面積比例關(guān)系可以保證水分輸送的通暢。

吸水部件由環(huán)境響應(yīng)型吸水樹脂構(gòu)成，這種材料具有極好的吸/ 貯水特性，單位重量材料可吸收百倍重量的水，受壓時(shí)水分不易溢出;灌溉部件和儲(chǔ)水倉(cāng)由微晶玻璃制成，微晶玻璃可由風(fēng)積沙燒結(jié)而成，強(qiáng)度高、不吸水、抗腐蝕性強(qiáng)，可有效構(gòu)成灌溉管道。儲(chǔ)水倉(cāng)頂部為太陽(yáng)能發(fā)電板，為設(shè)備提供電能。建造順序：（1） 建造機(jī)器人利用穿透性射線聚焦燒結(jié)沙子，通過(guò)3D 打印方式完成地表儲(chǔ)水倉(cāng)的建造;（2） 將集水部件鋪設(shè)在地表，并組裝太陽(yáng)能發(fā)電板;（3） 利用多臺(tái)建造機(jī)器人完成淺沙層中灌溉部件的射線聚焦燒結(jié)工作，完成鋪設(shè)，見圖8。儲(chǔ)水箱由地上和地下部分構(gòu)成，地上部分用來(lái)儲(chǔ)存液態(tài)水，并供給灌溉部件水分，地下部分接收吸水部件輸送的水分。吸水單元吸收雨水后，水分被與儲(chǔ)水罐相連的超聲波霧化模塊霧化，汽化后的水分被輸送到儲(chǔ)水罐中重新液化，完成水分采集。吸水、灌溉部件幾何分布呈現(xiàn)叉狀分枝幾何特點(diǎn)，隨與儲(chǔ)水倉(cāng)距離的加大，逐漸呈現(xiàn)魚尾狀分布特點(diǎn)。灌溉部件表面分布均勻的微孔，可通過(guò)滴灌方式保證淺層沙層的濕潤(rùn)，完成灌溉工作，如圖9。

4 結(jié)論

本文對(duì)荒漠植物進(jìn)行形態(tài)觀察與研究，將形態(tài)研究成果應(yīng)用于設(shè)計(jì)對(duì)象，以體現(xiàn)研究成果的現(xiàn)實(shí)意義。本文依據(jù)拓?fù)鋵W(xué)方法對(duì)紅砂根系進(jìn)行幾何描述，利用軟件計(jì)算不同生境下紅砂根系樣本的拓?fù)渲笖?shù)，并計(jì)算等根長(zhǎng)的情況下不同幾何結(jié)構(gòu)根系對(duì)于土壤的利用效率，從而得出根系形態(tài)與土壤利用率之間的關(guān)系，并依據(jù)不同形態(tài)的根系制作實(shí)物模型，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。取得結(jié)果后，結(jié)合人的設(shè)計(jì)需求建立篩選準(zhǔn)則，進(jìn)行應(yīng)用對(duì)象的選取，選出設(shè)計(jì)應(yīng)用對(duì)象對(duì)研究成果進(jìn)行體現(xiàn)與檢驗(yàn)，說(shuō)明利用拓?fù)鋵W(xué)對(duì)植物形態(tài)描述并得出相應(yīng)結(jié)論指導(dǎo)應(yīng)用設(shè)計(jì)的思路與方法是切實(shí)可行的，對(duì)理性探索形態(tài)之于設(shè)計(jì)的功能作用具有積極有效的指導(dǎo)作用。