水生植物莲（Nelumbo nucifera）俗称荷花，具有一种特殊的性能。它的叶子是自清洁的，或者说是超疏水的。意味着没有灰尘或水的颗粒附着在其叶子上，这对于生长在潮湿、泥泞环境中的植物格外有用。然而，这种性能并非源自其绝对光滑的表面或叶子上的树脂层。事实上，荷花表面布满了细小的褶皱，这些褶皱缩小了其表面的接触面积，从而阻挡了所有试图粘附于其表面的粒子。纳米技术专家已经对莲花的这种超疏水性能进行了研究，以便将其应用到人工产品如地面、油漆、织物和瓷砖等的自洁中。尽管目前这种自洁效应看起来微不足道，但当我们联想到清洁摩天大楼立面玻璃所耗费的巨大资源，或是太阳能电池板上由灰尘导致的光伏发电量减少时，就能感受到疏水表面将会带来的无限可能。
数十亿年来，大自然进行了无数次适应性演化。随着新型技术被不断应用于建筑业等领域，人类开始逐渐理解这种适应性演化的价值。当科学家、生物学家、工程师、建筑师等各专业人士联合起来，以共情和尊重的态度关注自然界的方方面面时，也许会发现意想不到的惊喜。
另一个类似的例子来自海洋。美国海军研究办公室安排科学家寻找策略，以减少码头上常用的有毒且昂贵的防污涂料的使用，从而控制水体藻类增殖。解决方案的灵感来自鲨鱼皮。研究人员在检查鲨鱼的皮质鳞突时，发现这些鳞突以菱形排列，从而阻止了微生物沉降。这并不代表接触其的微生物会死亡，只是由于皮质鳞突的特殊几何结构，微生物难以在其上停留。工程师基于这一推论开发出了名为Sharklet（鲨纹）的抑菌技术。这种人造材料非常小，约3微米高，2微米宽，肉眼看不见，摸不着，但它可以保护表面免受细菌和其他微生物的侵害。研究表明，这种抑菌表面甚至可能阻止致病细菌的生长与传播，包括令人恐惧的超级细菌——金黄色葡萄球菌。这种细菌对常用于治疗葡萄球菌感染的抗生素具有耐药性，并且可能引起严重的院内感染。
这两个例子是仿生学领域的典型，都是受到自然启发而产生的创新。仿生学不仅仅是为了再现自然形态，它还试图理解生物体结构和工作的原理，通过模仿来创造出解决人类需求的产品和工序。仿生材料是模仿天然材料或遵循源自自然的原理而设计的人造合成材料。很重要的一点是，这体现了一种多学科的研究方法。正如珍妮·班亚斯（Janine Benyus）指出的那样，它包含了一种从自然中学习，以此来解决人类问题的自然观。仿生学一词在班亚斯撰写的著作《仿生学:自然启发的创新》发行后得到普及。
将自己局限于特定的知识领域以寻求工作灵感是很常见和自然的事情。但是这也可能最终在不同学科与专业之间建立壁垒。这种现象是教学方法导致的，或是资本主义带来的产物，还是人类固有的行为，本文不会给出答案。但当谈到打破建筑学的学科壁垒时，人们会想到巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller，1895-1983）的名字。他是所谓的“综合预见性设计科学”的倡导者，并创造了“设计科学革命”一词。他的研究理论最主要的大前提是，既然我们作为一个物种生存和繁衍，那么现存万能的自然秩序应该指导所有的人类行为。在富勒逝世近40年后的今天，他对这个世界的很多担忧都已成为现实，而他的一些创新想法也得以实现，并通过了先进技术的检验。
事实上，响应性、弹性或自调节材料已不再是科幻小说中的发明。一个例子是基于细菌的自修复混凝土，当出现裂缝时它会进行自我再生。我们都知道水的渗透会破坏钢筋混凝土的结构，特别是通过氧化反应。但是如果水渗入结构，会成为这一问题解决策略的一部分呢？这个设想很有趣，也得到了实现：科学家研究出一种透水胶囊，除了传统的混凝土混合物外，细菌孢子（嗜碱芽孢杆菌）也被放入微小的透水胶囊中。在正常情况下它们会保持惰性，不会影响结构的完整性。当裂缝形成，水渗入混凝土时，这种情况就会改变。一旦水接触到胶囊，孢子就会被激活，并沉积方解石。方解石起到一种生物水泥的作用，会随着细菌的移动填充混凝土的缝隙。这种新材料运用了生物学和工程学的理念，旨在提供一种能够自我再生的解决方案。该方案的广泛应用仍然受到高成本的限制，但在人类难以操作的地下结构建造中，这种原型已经投入实践。为了在施工过程中安全地使用细菌，建筑师与生物学家、科学家的合作至关重要。因为使用这种材料并不像在超市买一包酵母，细菌必须经过恰当的处理。这需要大量的人力资源和技术知识的支持，也就意味着许多学科的专家会坐在一起，合作开发同一个项目。
然而，我们的想象力很难突破现有的技术框架，从而实现真正的创造性。因此，到目前为止，本文只引用了已知材料的创新使用方案，这些方案都没有重新定义建造的方式。麻省理工学院教授、介导物质小组（the Mediated Matter Group）负责人内里·奥克斯曼（Neri Oxman）指出：“自工业革命以来，设计界一直被严格的制造工序和批量生产所主导。装配线决定了一个由零件构成的世界，使得设计师和建筑师习惯性地把物体看作不同功能零件组合而成的结果，这样限制了他们的想象力。”这种生产方式与自然过程形成了鲜明的对比。在自然界中，相似的细胞通过转化，执行不同的功能，并且针对不同尺度上的多样化功能需求对其结构进行了优化：如结构荷载、环境压力、空间限制等等。自然界的结构会进行生长，而非组装零件，我们的建造材料也可以这样吗？
物质材料生态学是一种探索、了解和表达建筑环境、技术与自然之间相互关系的科学方法。介导物质小组致力于研究数字制造技术如何利用材料、物质和数字化的交叉知识与生物学相互作用。该小组已经研发了一些项目，包括玻璃印刷机、由蚕建造的亭子、可替代塑料的材料和其他的一些艺术品，为我们展现了自然、技术与艺术相结合带来的无限可能。
重新思考我们建设世界的方式对于健康的未来至关重要。依靠自然似乎是一条合乎逻辑的道路。“地球生态超载日”（Earth Overshoot Day）是指人类在某一年对于生态资源和服务的需求将超过地球当年可再生的自然资源总量的日期。在2020年，这一日期提前到了8月22日。也就是说，人类在这一天之前用完了地球整整一年可补充的自然资源，包括自然生态系统对于化石燃料燃烧所排放的碳的吸收能力。这一日期，是通过比较人类每年的资源消耗量（生态足迹）与当年地球可再生资源的能力（生态承载力）来计算的。这一日期，每年都会提前，这令人非常担忧。几乎没有人会否定这样一个现实，那就是我们对待地球的方式是错误的。正如那句名言所说：“疯狂就是重复做一件事，却期待不同的结果。”这个问题是多方位、全球性的，因此坚持多学科合作的立场对于为这些问题寻求有效的解决办法极其重要。
译者：项毓
本文源自 ArchDaily 五月主题：跨界设计。每个月，我们会以文章、访谈、新闻与项目的形式来深度探索一个主题。您可以在此阅读过往月度主题内容。ArchDaily一如既往地欢迎读者的贡献；如果你希望提交一篇文章或项目，请联系我们。
