披甲豬里的仿生藝術(shù)

丁毅峰 靳銘宇

在生命漫長的發(fā)展長河中，人類通過借鑒動植物身體上的特殊構(gòu)造，創(chuàng)造出許多奇妙的結(jié)構(gòu)。比如人們從自然界的蜘蛛網(wǎng)中獲取靈感，創(chuàng)造了可以實現(xiàn)大跨度的懸索結(jié)構(gòu);根據(jù)植物細胞的泡狀結(jié)構(gòu)原理，將薄膜材料進行張拉，進而實現(xiàn)了跨越較大空間的膜結(jié)構(gòu)建筑。建筑師也從犰狳骨質(zhì)甲鑲嵌排列中獲得了靈感，將犰狳仿生應(yīng)用到了建筑中，創(chuàng)造出了令人驚奇殼體空間。接下來就讓我們深入到犰狳的世界，開啟犰狳仿生之旅。

“我”雖然內(nèi)心柔軟，但外表堅硬

犰狳是一種身上覆有甲片的小型哺乳動物，又稱鎧鼠，廣泛分布在阿根廷南部到美國南部的草原和森林中。最大的巨型犰狳可以達到一頭小豬的大小，而最小的只有13厘米。不同于大多數(shù)哺乳動物的全身被毛，它們引人注目的是身上的骨質(zhì)甲。大多數(shù)犰狳上體兩側(cè)和四肢外側(cè)常覆蓋著骨板和麟板，構(gòu)成保護軀體的盔甲，遇到危險時，它們會縮成圓球，將骨質(zhì)甲朝外以保護全身。

犰狳遇到危險時，會縮成圓球，用骨質(zhì)甲保護全身

犰狳的盤狀外殼結(jié)構(gòu)

它們的殼分三部分，前后兩部分有整塊不能伸縮的骨質(zhì)鱗甲覆蓋，中段的鱗甲成帶狀，這些重疊的“盾牌”覆蓋著堅硬的皮膚，骨質(zhì)甲深入皮膚中，通過皮膚上的褶皺與肌肉連接在一起。骨質(zhì)甲可以自由伸縮，但又被柔軟的皮膚隔開。尾巴和腿上也有鱗片，鱗片之間還長著毛，腹部無鱗片只有毛。

這種剛性和柔性材料交替的構(gòu)造可以很大程度提高其剛度，并且像手風琴一樣彎曲自如，不會像笨重的盔甲一樣影響犰狳的自由活動。犰狳天然的外殼在哺乳動物中是獨一無二的，被稱作為盤狀外殼。由于其十分堅固，犰狳又被西班牙人冠以“披甲豬”之名。

犰狳拱頂側(cè)視圖

具有美妙弧線的犰狳拱頂俯視圖

犰狳有二十多種，以身上鱗片環(huán)帶數(shù)目進行分類。根據(jù)盤狀外殼數(shù)量的不同，它們被分類為三帶犰狳、七帶犰狳、九帶犰狳等。常見那種最接近球形的，就是三帶犰狳。犰狳對領(lǐng)地的要求較廣，善于挖洞居住，白天呆在洞內(nèi)，晚上才出來覓食。如今它們最大的天敵是汽車。由于犰狳膽子小，十分容易受到驚嚇，遇到危險時會下意識地跳躍成團，因此常被汽車碾壓，使得美洲的公路上常能看到犰狳的尸體。

令人驚奇的殼體空間

——犰狳拱頂

瑞士蘇黎世理工學院的設(shè)計師從犰狳的盤狀外殼中獲得了靈感，在充分研究犰狳外殼結(jié)構(gòu)后，他們使用399塊楔形的石灰石構(gòu)建了一個重達23噸的犰狳拱頂，完成了犰狳拱頂這件絕妙的作品。值得一提的是，整個建造過程沒有用到任何膠結(jié)材料。

如何達到力的分布與實際物體的“最佳擬合”

由于展覽地點是一座歷史悠久的教堂，不能對教堂的任何地方造成破壞，也就意味著拱頂不能固定在地板、柱子或墻壁上。因此其邊界設(shè)置有三個線性支座，另外，中間有一個支座用來承接拱頂落地的邊緣。犰狳拱頂平面大致呈三角形，避開了教堂中的柱子。設(shè)計師基于功能和美學考慮，對拱頂進行調(diào)整使其符合受力特點。之后再根據(jù)受力分析拱頂水平推力的方向，使其與實際的三維拱頂相接近，即達到力的分布與實際物體的“最佳擬合”。由此得到了拱頂?shù)某跏夹螒B(tài)與其推力分析。

如何才能讓犰狳拱頂立而不倒

拱頂有了初始的形態(tài)后，需要對其分割。拱頂?shù)姆指顝膶κ瘔K推力面的軌跡開始。首先選擇一條拱頂與地面接觸的一條曲線，以此為基準來生成其他切割曲線，使每一行的重量不超過每行平均楔塊允許的重量，由此便得到了一系列分割曲線。然后每條曲線生成一組與力的方向相垂直的線，便形成了分割拱頂?shù)木W(wǎng)格。最終將分割出的面向上凸出一定的厚度，從而生成楔形石塊。

推力網(wǎng)格分析示意圖

楔形石塊的生成

構(gòu)成拱頂?shù)男ㄐ问瘔K在重力的作用下會對相鄰的石塊產(chǎn)生推力。為了防止石塊之間出現(xiàn)滑動、錯位導致拱頂坍塌，楔形石塊之間的推力方向應(yīng)與推力網(wǎng)絡(luò)分析中的力的分布相一致，這樣就可以通過楔形石塊之間的擠壓抵消其受到的垂直方向的力。

為了在沒有任何輔助支撐的情況下保持拱頂穩(wěn)定性，且能夠承受壓力。最終確定拱頂組成單元的石灰石最小厚度為5厘米，小于這個厚度則會因偏心力分布而使石灰石相互接觸的表面破碎。出于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和美學的考慮，石灰石的厚度并不是均勻的，而是邊緣較?。s8厘米），中心線較厚（約12厘米）。

犰狳拱頂以其美妙的弧線完美展現(xiàn)了仿生學應(yīng)用與高效結(jié)構(gòu)的美感。未來，建筑學家們將通過使用基于計算機建模和計算的結(jié)構(gòu)設(shè)計與形態(tài)設(shè)計，可以更加精確、更具有創(chuàng)造性且運用更少的資源將仿生應(yīng)用到建筑中，以精巧的形式與方法建造出更加奇妙的建筑。

（責任編輯 / 陳天昊? 美術(shù)編輯 / 劉伊娜）