白蚁和建筑师

我1991年，跨国投资集团Old Mutual向津巴布韦建筑师米克·皮尔斯(Mick Pearce)提出了一个大胆的任务。该集团希望在津巴布韦首都哈拉雷建造一个名为Eastgate Centre的零售和办公综合大楼，占地55,000平方米，将成为该国最大的商业建筑。Old Mutual不想为这么大的空间支付空调的高昂费用。皮尔斯能否与奥雅纳建筑公司合作，设计出一种完全依靠被动的自然气候控制的设计?

在思考这个问题时，皮尔斯从遍布他国家草原的白蚁堆中找到了灵感。最大的土丘可以达到几米高，让建造它们的白蚁军团相形见绌，就像一座现代摩天大楼盖过一个建筑工人一样。每一个漏斗状的空气通过管道网络进入一个球形的巢穴，里面居住着数以百万计的白蚁，甚至更多的真菌和细菌。总的来说，一个典型的鸟巢包含了相当于一头小母牛的热的、呼吸的生物质。根据瑞士昆虫学家Martin Lüscher的观点，许多研究人员认为这些土丘就像空调一样，通过不断交换从蚁穴深处上升的热空气和从蚁穴表面向下扩散的冷空气，来维持蚁穴舒适的温度、湿度和氧气。据Lüscher报道，土丘高耸的高度使得殖民地生物量的“热呼吸”驱动了这种对流交换。Lüscher的理论在1961年声名鹊起，通过一篇刊登在科学美国人．

皮尔斯把这些土堆想象成空调，于是他设计了一幢由砖石绝缘而成的大建筑，建筑空间开阔，有精心设计的管道系统和一群群高高的热交换烟囱。这些管道将空气输送到整个建筑中，而烟囱则在白天从忙碌的住户和机器中吸走热量，并在天黑后将其排出，为建筑降温。为了把设计和工程做得恰到好处，皮尔斯自己最终变得有点像一个白蚁，从他高大的建筑师的栖木上下来，亲自在建筑工地工作，用自己的双手帮助浇筑和安装一些砌块。东门中心于1996年首次亮相，因其开创性的“仿生”设计而闻名世界，该设计以相当规模的传统建筑的一小部分成本和能源来调节其温度。

皮尔斯最终变得有点像一只白蚁，从他高大的建筑师的栖木上下来，用自己的双手在建筑工地上干活。

只有一个问题。虽然东门中心确实按照计划工作，但其基础土墩的功能完全不同。大约在东门中心开门的同一时间，美国科学家斯科特·特纳(Scott Turner)正在使用丙烷泵和微型电子传感器阵列，煞费苦心地测量近50个南非白蚁丘的气体交换情况。他发现，这些土堆并没有调节温度，而是将氧气和二氧化碳推入和推出巢穴。这种空气的混合不是由蚁群内部的热量驱动的，而是由外部的空气压力驱动的:白蚁把它们的土堆建得很高是为了捕捉风，而不是为了促进对流。土堆的多孔的、可渗透的外表面允许空气漫射进和穿过菌落，就像人肺中的肺泡一样。这些土墩不是简陋的空调，而是极其复杂的外部呼吸系统。

虽然部分受白蚁有缺陷的理解,皮尔斯的仿生设计为集中心具有讽刺意味的是工作很好因为它无意中模仿白蚁的真实温度调节方案,丘的渗透性外表面搭配简单的热容量周围的土壤。除了管道环绕的中庭和高耸的烟囱，该建筑还依靠巨大的基础混凝土板作为散热器，在温暖的白天储存热能，在凉爽的夜晚释放热能。“伊斯特盖特中心之所以成功，是因为皮尔斯是一位非常优秀的建筑师，而不是一个拙劣的大自然模仿者，”特纳说。因此，他设法将许多土堆实际上具有的相同功能融合在一起。这真的非常了不起。”

东门中心是人们从大自然中寻找灵感和理由的众多故事之一，但却错了。但要做到这一点并非易事。我们越是试图从自然建筑中汲取灵感，就越会明白，即使是最简单的结构，也会深深与建筑师的性格和身份纠缠在一起，难以解释。我们的第一反应通常是使用我们自己世界的概念作为罗塞塔石碑。白蚁看毕竟就像冷却塔一样。这种等价的优雅和简单使人很容易相信Lüscher的模型。即使在今天，建筑文献Lüscher的模型中对皮尔斯设计的描述仍然是正确的，许多科学家仍然口语化地将白蚁丘描述为“空调”。但是，由简单的定性比较所驱动的仿生学的早期浪潮，现在正让位于对动物家园更复杂、更复杂的理解。

建筑工人和家之间的关系，没有比群居昆虫更清晰的了。小型的协作生物，如黄蜂、蜜蜂、蚂蚁和白蚁，是大自然最伟大的建设者，尽管它们的家园是按照优雅简单的规则建造的。宾夕法尼亚卡耐基自然历史博物馆的昆虫学家和蜂窝专家约翰·温泽尔说:“能做出最复杂、最有序结构的动物往往智力更有限。”“他们不是从零开始，每一代都学习一切，而是有一个天生的、本能的行为基线，可以通过连续几代的自然选择相对迅速地完善。”更大、更聪明的生物所能造的东西受到大脑和肌肉的限制。除了人类，如果大型动物建造房屋，它们通常只是挖洞或堆树枝。

这些生物多样性的硬编码行为可以被看作是昆虫基因影响超出其身体范围的延伸，在生理和环境之间形成了一个模糊的界限，生物学家理查德·道金斯(Richard Dawkins)称之为“扩展表型”。皮尔斯直接从人类熟悉的功能单位来解释白蚁丘，而其他研究人员则主要利用昆虫建筑来了解其神秘的居民。温泽尔说:“你甚至不必亲眼看到这种动物，就能很好地记录它的行为。”“你只需检查结构，弄清楚它是如何建造的。”

温泽尔说，几乎不可避免地，这些检查不仅对被观察的动物，也对观察者产生惊奇。一个很有说服力的例子就是圆网蜘蛛和缠网蜘蛛的结构比较。想象一个蜘蛛网,机会是你召唤orb-weaver的工作在你的脑海里:一个branch-hung网丝螺旋围绕一个中心所以有序、对称的你会考虑它漂亮,当然优于不规则的绞链的缠结网络在一个木桩。一个圆网的美丽来自于蜘蛛在一个平面内构建它的简单算法。相比之下，一个缠结的网是一种更动态的行为过程的结果，不断地尝试和错误的构建，有条不紊地在任何可用的表面上串线和测试丝，直到达到理想的捕食张力。它看起来凌乱而原始。

但缠结网实际上是由更原始的球形网衍生而来的。一个缠结的网几乎可以在任何地方建立，而且它不需要气流来捕捉猎物。它神奇的、不对称的设计让进化出它的蜘蛛开始向数千个新物种发出巨大的辐射。温泽尔说:“我认为，人类喜欢对称和秩序，因为对称和秩序帮助我们识别模式，我们喜欢认为我们理解事物。”“一张缠结的网表明了这可能出错的地方。”

东门中心是人们从大自然中寻找灵感和理由的众多故事之一，但却错了。

上世纪80年代末，温泽尔还是堪萨斯大学的一名学生时，曾多次遇到一个神秘的问题，而这个问题的根源在于一个更为微妙的结构教训。他正在研究的筑巢Polistes annularis这是一种常见的北美纸黄蜂，会在屋檐下筑巢。他日复一日地观察着，工人们用小块油漆标记着一行又一行六边形的纸单元。很少有情况下，他会注意到一个工作人员放置了一个五边形，而数组的完美似乎会被破坏。按照他们简单的规则，其他工人会把这个异常的细胞扯出来，换上一个六边形的细胞，结果第一个工人的努力就白费了，他会再放一个五边形。一场来回的拔河会接踵而至，直到一方或另一方放弃为止。五角大楼通常会保留下来。有一天，温泽尔犯了个错误，在他的教授——杰出的动物行为学家鲁道夫·詹德——听到的情况下提到了这些“错误”，被教授无情地训斥了一顿。

“你在黄蜂的脑子里吗?”詹德问道。“你知道‘错误’是什么吗?”你不能说，对吧?你只能测量。只是测量。黄蜂会告诉你这是怎么回事;你什么也不告诉他们。”

温泽尔受了教训，又回到他的学习中，测量并数五边形，直到形成一个图案。五边形的位置不是随机的;相反，它们出现在预期的结构应力点，在那里，巢的后续层将被建造成弯曲的。这些异常的五边形——以及放置这些五边形的稀有黄蜂——被证明可以加强巢穴的结构，就像裁缝把裤子打褶一样。

温泽尔说:“在我的研究中，我多次看到一些异常现象、病理现象，几乎就像突变。”但看似病态的东西可以跨越适应性山谷，在自然选择的景观中达到适应性的顶峰。换句话说，它们可以变得有用，甚至是必不可少的。而且很难理解。

后来，我采访了特纳，他现在是锡拉丘兹纽约州立大学环境科学与林业学院的教授。他刚刚从荷兰的一个城市规划会议上飞回来，在那里他讨论了白蚁丘和其他动物建筑，作为未来仿生“有机城市”的可能灵感。我问他是否可以从白蚁堆中学到仿生学的课程。

“当然,”他说。“我们有时会向自然寻求验证我们自己的解决方案。如果没有感情的自然世界选择了类似的东西，我们会感觉很好。但你无法在人类社会和白蚁等群居昆虫社会之间实现明显的飞跃。有不同的价值体系在起作用。”

T他并没有阻止经典仿生学获得无数的成功。日本子弹头列车通过隧道时几乎不发出声音，这多亏了受潜水鸟喙启发的空气动力学外壳。奥运会游泳运动员穿了一件带有类似鲨鱼皮的减阻纹理的泳衣，打破了世界纪录。不断上涨的能源和材料成本催生了新一代的摩天大楼和
世界各地城市的“智能建筑”，采用仿生被动冷却系统和轻型结构支撑。

但是，据曾与特纳合作研究白蚁丘的工程师兼企业家鲁伯特•萨索尔(Rupert Soar)称，如今的大多数仿生学几乎完全不模仿生物学。更确切地说，它是“热爱生命”的一种表达，这是一种人类寻求与其他生物联系的本能倾向。对萨雅来说，真正的仿生更多的是一个过程，而不是一种产品，而且，就像复杂混乱的缠结网一样，它并不总是美好的。

索尔说:“建筑师仍然在考虑为特定功能设计特定的结构、形状和形式。”“但在自然界中，我们看到的解决方案和创新不是这样出现的!我们看到的只是生物体遵循非常简单的规则，与某些目标相关的算法一次又一次地发挥作用。”

“你在黄蜂的脑子里吗?”你知道什么是“错误”吗?你只能测量。只是衡量。”

萨雅相信，一个更真实的仿生学，将抛弃简单的亲生物和粗糙的设计隐喻——子弹头列车是鸟嘴，鲨鱼皮是泳衣，白蚁丘是摩天大楼。相反，建筑师和设计师会按照自然的方式来建造东西。也就是说，通过迭代和算法，每个表单都由许多优化的函数塑造，每个函数都作为自己独立的代理。Soar和其他许多人使用“代理建模系统”来模拟昆虫和昆虫家园，在这个系统中，成千上万甚至数十亿的单个程序——每一个都是非常原始的“虚拟昆虫”，有自己的目标——在一些精心安排的数字领域中争夺有限的资源。按照虚拟世界中的“正确”规则，这些代理可以复制真实昆虫在现实中创造的结构和形态。然而，这些系统并不局限于复制，它们也可以用于创新。有时，复杂的优化会出现，与昆虫或人类的思想产生的任何东西几乎没有相似之处。

萨索尔说:“对于建筑问题，一个人可能想要解决一扇门，另一个人想要解决一扇窗，另一个人想要解决水流或热量的问题，然后他们共同协商一个解决方案。”“现在这是可能的，因为计算机可以处理所需的大量信息。”

这种基于个体的方法表明，我们不需要完全了解昆虫的思想和社会，或者它们的建房习惯，就可以利用它们的力量。然而，将这些技术集成到人类架构中是有风险的。对于任何给定的问题，代理建模系统可能会得到高度优化的解决方案，但它永远无法告诉您它是如何得到的，或者得到的解决方案是否真的是最好的。出现的有机结构可能是令人惊奇的优化和华丽的，但它们仍然通过一个低效的，有时是残酷的过程发展。与现代建筑相比，这种结构通常更接近于不稳定和倒塌。也许最糟糕的是，因为代理建模系统的产品经常在一种形式中包含如此多的功能，它们可能是不对称的，混乱的，对人眼没有吸引力。

所以我们退缩了，退回到一些有序、对称、坚固的东西，一些简单的混凝土和钢铁的形状，一些我们可以控制的东西，而不需要对建筑的设计和建造产生自上而下的影响。

真正的仿生学应该抛弃简单的亲生物和粗糙的设计隐喻。

尽管如此，萨先生认为随着对节能建筑需求的增长，建筑最终将进入一个更加仿生的阶段。基于代理的优化将成为普遍现象，同时3D打印等新的建筑技术将允许前所未有的建筑实验和创新。一场革命可能发生在人类如何建造和生活在他们的家园。四四方方的、自相似的房屋和办公楼可能会让位于大量易于生产和改变的有机形式。在日常生活中，人们可能会像昆虫一样与建筑互动，形成社会群体，依靠生物启发的环境线索来建造和维护自己的家园——蜂巢。

在这个奇怪的未来，仿生学将不再是一种时髦的幻想，而是一种基本的互动模式——建筑的使用者将集体自下而上地工作，以维持其结构，每个个体的行动将以新的方式适应多数人的需求。萨索尔说:“(这些环境)会有难闻的气味、嘈杂的噪音、华而不实的质感，充满了引人注目的感官输入，人们会根据这些感官输入来决定下一步要做什么。”

这些遥远的可能性和栖息地与居住者之间的深层联系听起来确实很奇怪，也许是因为它们要求我们抛弃一些似乎使我们成为人类的东西。我们会选择一个充满活力的混乱的打结的网，而不是一个简单的圆球织网或范德罗家吗?难道我们在由石头、玻璃和钢铁组成的静态、坚固的结构中，不是比在任何灵活的仿生产品中更舒服吗?也许我们是。但同样不可否认的是，我们不断地使我们的城市和经济变得越来越复杂、相互联系、响应有机，从某种意义上说。无论是好是坏，我们已经比我们意识到的更接近大自然最伟大的建设者。而且，随着我们对动物家园的理解变得越来越复杂，我们也越来越完全地从亲生物向仿生学过渡，这种融合只会加速。

自由撰稿人李·比林斯是《50亿年的孤独:在恒星中寻找生命》