荒漠植物形態研究與設計應用

陶玉東 邱松

關鍵詞：設計形態學;荒漠植物;拓撲學;汲水灌溉設施;工業設計

隨著設計形態學的研究越來越成熟，形態的研究不僅僅只體現在視覺層面的裝飾性和造型感，還直接反映了設計的功能與文化屬性。植物幾乎貫穿于整個地球生物進化史，經過30多億年的進化，地球上現有30多萬種植物，生物的每一種形態都充分反映了它適應環境的生存策略?；哪且粋€地理概念，通常是指降水量少而蒸發量極大的地區，荒漠在地球上分布范圍極廣，荒漠植物形態在面對特殊環境時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，給予設計豐富的靈感。本文并不僅僅停留在對植物形態的簡單模仿層面，而是從設計思維出發，對植物進行科學、理性的仿生形態研究。最終的成果不僅具有形式上的美感，更要對應用對象的功能改善有積極的促進作用，使得設計能夠最高程度地體現研究成果。

1 荒漠植物形態分析

1.1 荒漠植物形態與適應性分析

1.1.1 研究對象選取

荒漠植物種類較多，形態豐富。在進行形態研究時，對研究對象的范圍加以界定，在具體觀察中，以觀察營養器官根、莖、葉的外部形態和內部結構為主?；哪貐^氣候極其干旱，年降水量少于250mm，蒸發量極大，光照強度大，晝夜溫差大，常伴有大風，由于植物稀疏，土壤的形成過程主要受氣候狀況和母質的影響。在諸多環境因子中，對荒漠植物形態影響最直接是干旱、大風和沙質土壤等，而干旱又是植物首先面對的生存考驗，因此文章選定荒漠植物的根系進行形態分析與研究。文章選取荒漠植物紅砂，對其根系形態進行研究。紅砂為常見強旱生荒漠植物，屬于檉柳科紅砂屬小灌木，高10 ～ 70cm。生長于荒漠地區的山前沖積、洪積平原上和戈壁侵蝕面上，基質多為粗礫質戈壁，如圖1。

1.1.2 形態觀察

研究樣本來自我國甘肅省境內，按降水梯度，在甘肅境內自東南向西北方向選取三個區域，分布為：蘭州、武威、張掖，分別從蘭州、武威、張掖地區采集研究樣本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。獲得根系樣本后對根系進行拍照和三維掃描，將三維數據導入Rhino 計算機輔助軟件，生成準確的三維計算機模型和直觀的三視圖，如圖2。

1.2 紅砂植物根系形態分析

1.2.1 直觀觀察

對紅砂根系具體形態特征進行量化描述，包括主根橫截面直徑、根序①特征、根系連接②（叉間距）數量、平均連接長度、總根長等。如表1。

以A 樣本為例，選擇主根與主根相連的第一個次級根為觀察對象，測定主根于分叉處（a 點）的直徑與分叉后段直徑（b點）， 以及次根初始直徑（c 點），以此類推測得d-h 點處的根直徑，如圖3。因根橫截面為類正圓形，因此可以依據圓面積公式（1）得出橫截面面積，結果如表2，發現a 點橫截面面積Sa ≈ Sb + Sc，d 點橫截面面積Sd ≈ Se + Sf，g 點橫截面面積Sg ≈ Sh +Si，高級根在分生出低級根時，分叉處高級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 拓撲分析

文章從拓撲學的角度切入，對紅砂根系進行抽象化概括，并建立參考模型用于比對，結合荒漠植物對干旱環境的生存策略，對紅砂根系各根須之間以及根須與主根的空間關系進行分析。植物學家Bouma、Fitter 提出兩種用于描述植物根系形態的理想化極端分型，分別為魚尾型和叉狀型，如圖4。兩種根系拓撲模型，對兩種極端根系進行了描述，根系兩個相鄰分叉點之間為一個連接，文章稱其為內部連接（圖5 中藍點標注處），根系末端根尖分生組織到最近的分叉點之間為外部連接（圖5 中紅點標注處），魚尾型分枝與叉狀型分枝最大的區別是內部連接數量與外部連接數量的比值，魚尾型分枝外部連接數量與內部連接數量相等，有且僅有一條包含最多內部連接的主根，而叉狀型分枝則有若干個包含同樣數量內部連接的根，選取其中一條根須作為主根，外部連接數量比主根上的內部連接數量要多一倍。引用拓撲指數T 對以上兩種根型進行描述，設最長根系內部連接總數為x，根系外部連接總數為y，根據公式（2）求得魚尾型根系拓撲指數T1 = 1，叉狀型拓撲指數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。

分別對三株樣本模型的外部連接與內部連接進行統計，并依據拓撲公式（2）求得各樣本的拓撲指數T，結果如表3，樣本A 拓撲指數TA 最大，更接近1， 樣本C 拓撲指數Tc最小，更接近0.5，B 樣本拓撲指數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。進一步分析樣本根系幾何空間構型規律，將每株樣本不同序級根系分組并計算拓撲指數，如表4 所示，高根序等級根須幾何關系的拓撲值較小，低根序的根須幾何關系拓撲值大，表明在同一株紅砂中，主根系空間關系接近叉狀型，低級根系空間關系接近魚尾型。

2 實驗驗證與分析

2.1 形態原理猜想

利用計算機輔助建模軟件構建根系模型，預設根系內部連接和外部連接長度數值均為10，分別構建四組根系（命名為甲、乙、丙、丁對照組），每組根系包括一個魚尾型根系與一個叉狀型根系。甲組叉狀型根系最長根系內部連接數量為3，外部連接數量為4，整個根系由7 段連接構成，用于比對的同組魚尾型根系也由7 段連接構成，乙對照組相比于甲組每段末端根須再增加一對分枝，得到的叉狀型根系由15 段連接構成，該組魚尾型根系連接數也設定為15 段，以此類推，建立丙、丁對照組，參照圖5。假設根系上任意點可從以該點為圓心、半徑為10 的球體空間內吸收養分，則每段線形根連接可從以根為軸心、橫截面半徑為10 的圓柱體空間內吸收養分，線兩端為端點，需要再在圓柱體空間兩端增加半徑為10 的半球體，構建出這段根可利用土壤的模型，依照此方法，分別為四個對照組的根系構建可利用土壤模型，如圖5。利用計算機軟件對8 個根系可利用土壤模型進行體積測算，測算結果見表5。測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，當根系連接數為7 時，魚尾狀根在可利用土壤體積層面的優勢并不明顯，但隨著根系連接數目的增加，魚尾型根可利用的土壤體積增幅越來越大。

2.2 實驗驗證

本節通過實物實驗對前文觀點進行檢驗。

2.2.1 實驗設計與實驗材料

對叉狀型根系的形體進行抽象概括，按照根系的拓撲結構，分別構建三個根系模型，所對應的最高根序級分別為3 級、4 級、5 級，包含的連接數分別為7 段、15 段、31 段，依據3 個叉狀型根系模型的連接數量，再建立3 個魚尾型根系抽象模型，連接數量與叉狀型根系相同，通過3D 打印的方式將以上6 個模型制成實物。分別將連接數為7 的叉狀型根和魚尾型根編為一個對照組，序號為a，以此類推，再創建b 對照組（連接數為15）和c對照組（連接數為31）。實驗工具包括量杯、計時器、膨潤土④，量杯用來控制水量，計時器用來記錄實驗中清水滲入土壤所消耗的時間，膨潤土用來掩埋模型并在實驗過程中發揮吸水的作用，實驗樣本與工具見圖6。在根系模型連接段設置均勻分布的小孔，孔直徑為1mm，數量為每段30 個，模型的末端再增加4 個孔。當水分通過模型滲入膨潤土后，膨潤土會迅速凝結成塊從而降低吸水性，附著于模型表面，阻礙模型內水分的流出。模型滲水速度與可利用的膨潤土體積呈正相關關系。

2.2.2 實驗過程與結果

將根系模型掩埋在膨潤土中，待根系完全被膨潤土掩埋，將水倒入漏斗，使用計時器記錄所有水被灌入根系模型的時間，每組實驗結果如表6，實驗表明魚尾狀根可利用更多體積的土壤，隨著根段數增加，滲水速度得到提升，說明魚尾型根系比叉狀根系利用土壤的效率高。紅砂根系在進化歷程中演化出了適應荒漠干旱環境的形態特征，經過觀察和分析，得出以下結論：（1） 紅砂根系形態遵循Leonardo da Vinci 法則;（2） 紅砂根系在面對不同干旱程度環境時，根系具有明顯可塑性，當干旱程度加劇時，根系生長受到抑制。紅砂根系整體呈現叉狀型根系特征，但隨著干旱加劇，根系空間關系有向魚尾型演化的趨勢;（3） 紅砂根系中高序級根之間呈現叉狀型根系特征，低序級根之間呈現魚尾型特征。

3 設計應用

3.1 設計應用對象選取

生物演化出的生存策略會直接影響其形態，形態也體現了生存需求，這一規律可與人的設計工作進行類比。設計應用需要充分體現文中的研究成果，同時應對設計問題的解決具有可借鑒性。應用對象的選取需要基于以下四項原則：（1） 選取對象所對應的人類需求與植物生存需求具有類比性;（2） 應用對象使用環境與植物生存環境有可類比性;（3） 應用對象的核心設計點應體現紅砂根系形態規律;（4） 設計方案基于現有技術能夠做到邏輯自洽。最終選取雨水收集/ 灌溉設施作為設計應用對象，原因如下：（1） 雨水收集/ 灌溉設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） 設施可解決干旱地區的生產及生活問題;（3） 基于紅砂根系分析出的根系幾何空間規律對于應用對象的地下管道排布具有借鑒意義;（4） 設備所涉及技術是成熟的，設計應用將基于現有技術提出更有效的解決思路。

3.2 設計應用表達與說明

3.2.1 設計發散

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

3.2.2 設計說明

紅砂根系形態規律可應用于吸水/ 灌溉部件的空間分布上。假設儲水倉對應的是根系主根，四周排布的管道對應的則是高序級根系，與儲水倉呈叉狀結構分布，沙土中的末端管道之間則保持魚尾型根系分布，這種空間關系可以同時保證設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系可以保證水分輸送的通暢。

吸水部件由環境響應型吸水樹脂構成，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，受壓時水分不易溢出;灌溉部件和儲水倉由微晶玻璃制成，微晶玻璃可由風積沙燒結而成，強度高、不吸水、抗腐蝕性強，可有效構成灌溉管道。儲水倉頂部為太陽能發電板，為設備提供電能。建造順序：（1） 建造機器人利用穿透性射線聚焦燒結沙子，通過3D 打印方式完成地表儲水倉的建造;（2） 將集水部件鋪設在地表，并組裝太陽能發電板;（3） 利用多臺建造機器人完成淺沙層中灌溉部件的射線聚焦燒結工作，完成鋪設，見圖8。儲水箱由地上和地下部分構成，地上部分用來儲存液態水，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叉狀分枝幾何特點，隨與儲水倉距離的加大，逐漸呈現魚尾狀分布特點。灌溉部件表面分布均勻的微孔，可通過滴灌方式保證淺層沙層的濕潤，完成灌溉工作，如圖9。

4 結論

本文對荒漠植物進行形態觀察與研究，將形態研究成果應用于設計對象，以體現研究成果的現實意義。本文依據拓撲學方法對紅砂根系進行幾何描述，利用軟件計算不同生境下紅砂根系樣本的拓撲指數，并計算等根長的情況下不同幾何結構根系對于土壤的利用效率，從而得出根系形態與土壤利用率之間的關系，并依據不同形態的根系制作實物模型，進行實驗驗證。取得結果后，結合人的設計需求建立篩選準則，進行應用對象的選取，選出設計應用對象對研究成果進行體現與檢驗，說明利用拓撲學對植物形態描述并得出相應結論指導應用設計的思路與方法是切實可行的，對理性探索形態之于設計的功能作用具有積極有效的指導作用。