怎样才能“种植”出岛屿和沙洲？

欢迎来到四叶草堂，我是龙笑生。如何实现自下而上的建造？怎样才能“种植”出岛屿和沙洲？敬请关注“四叶草堂”，今天继续分享《新材料革命》一书的精彩部分。

人类通常都是按照自上而下的理念进行建造活动的。我们提出想法，寻找并获得材料，使用这些材料来实现这些想法。创造力来自我们自己，物质现实来自建筑工人或机器人对材料的组装，功能则来自最后呈现的设备。在这种世界观中，材料是被动的，它们听从我们的命令。但是还可以用另一种方式，一种自下而上的方式，来考虑如何进行设计，实现功能和装配。这种方式使材料能够彼此合作，并与它们周围的环境相互作用，因此我们可以创造出总功能远超过各部分功能之和的系统。看看人类、植物、钻石、山脉或行星是如何形成复杂的结构且实现其功能的：这些自然系统，有些是有机的，有些是无机的，它们都是由各个组成部分与环境之间的相互作用形成的，而不是根据一个先验的设计自上而下地形成的。我们可以看到这种自下而上的建造发生在除人类之外的许多生物身上。蚂蚁、蜜蜂、海狸、鸟类和几乎所有自己筑窝的动物都采用了自下而上的建造理念。有时，这些生物会单独筑窝，并遵循自己的规则，适应周围环境或材料的性能和变化。例如，筑窝的海狸不会一开始就进行设计，相反，它们不断地寻找材料、搭建，并在找到的材料和环境条件之间进行取舍，最后建成一个功能性的洞穴。洞穴的物质成分总是根据海狸所能找到或使用的材料而变化，但其功能不会随着水位或天气模式的波动而受到太大影响。也就是说，它们的家是动态变化的，这多么惊人！此外，我们可以发现，有些物种通过一种被称为“共识主动性”(stigmergy)的集体结构形式在一起工作。在这种结构中，各群体不是通过直接的沟通一起工作，而是彼此间接合作，如一只昆虫可以在环境中留下化学痕迹，促使另一只昆虫以特定的方式行动。

在自下而上的理念中，系统结构是从零部件与其环境的关系中产生，而不是从预定的设计中产生。这种自下而上的理念也可用于模式和结构的物理组织过程。例如，哈佛大学的一组研究人员已经证明，分布式装配机器人可以摆放零散的零部件，然后沿着这些零部件，不断地建造更大的结构。类似地，拉迪卡·纳格帕尔的“集群机器人”(Kilobot swarm)项目创造了大量简单、廉价的机器人零件，它们具有分散的简单通信程序，但它们可以共同工作，聚集成类似蚁群或鱼群一样的结构，看上去像一个特殊的二维图像、符号或字母，而且令人惊讶的是，这个组装过程并没有人来统一控制。科埃略为2016年里约热内卢残奥会开幕式开发了一个技术含量更低但规模更大的系统。该系统使用了内置长条状发光二极管(LEDs)的简单荧光棒，这些LED会按数字光模式闪烁和亮熄，在体育馆中，荧光棒引导数百人完成精心设计的表演动作。这些荧光棒显示出了个体独有的模式、所需的时间及其与其他个体的关系，这样，人群和简单的材料配合就形成了一个类似于蜂群的自下而上的系统。就每个人所掌握的信息量或组成部分而言，这个系统简单得令人惊讶，但它创造了几乎令人着迷的壮观表演：这些动作、这些舞蹈编排，就像有某个人在发号施令。然而若按传统的自上而下的设计，那么这场盛宴很可能因少数人员身体不适导致的数量变化而毁于一旦。在这个例子中，自下而上的集体指令所蕴含的力量是由一组简单的规则赋予的，这些规则嵌在基本的组成部件——荧光棒中，这样就形成了集体组织，也就体现出执行的精确和优雅。

为什么我们在日常建筑和制造中很少看到人们使用这些新原则呢？有时候，设计师很难理解自下而上的过程，更别提让解决方案随着时间的推移自然出现。在某些方面，自下而上的过程似乎与传统的“设计”概念背道而驰。在传统的“设计”概念中，是由我们人类提出一个想法并将其实现，整个过程由人类控制。从制造和施工的角度来看，放弃对组装过程的控制也是有风险的，因为施工团队要对最终结果负责。毫无疑问，设计要符合建筑或制造业的安全标准、执行精度和最佳实践。然而，放弃控制和使设计满足标准这两者并不相互排斥。一直以来，我们都被训练成以自上而下的方式进行思考，而这种方式可能忽略了有价值的解决方案，那些从材料及其与周围环境的关系中发展出来的解决方案。

退一步海阔天空，放弃一点控制权会变得富有成效，让我们能够在更广阔的环境中挖掘智慧。拥有完全的控制权，我们反而可能会受到限制，因为这样的话，我们可能压根儿不会思考新的解决方案，最后往往是：过去是这样做的，现在依然这样做。但实际上还有很多其他的可能性。例如，我们很少插手树的生长、花园的形成、酵母在酿造啤酒时的化学反应，甚至婴儿或任何其他有机体的成长，然而，它们经常给我们带来令人难以置信的视觉享受、美味的啤酒和健康的身体等。随着规模的扩大，这可能还会带来特别的优势。有些人可能会说，利用人工或机器人一点一点地来制造一件产品，可能比通过自组装来得更快。那如果我们需要大量生产产品呢？这种情况下，利用人工或机器人的传统制造通常会以线性方式扩大规模——需要更多的时间、人力、财力，或者更多的机器人。然而，如果产品是自下而上组装起来的，它们就可以平行地组装，许多部件可以同时组装，而不需要更多人工或机器人。

我们在一个实验中设计了一个充满水的箱子，零部件可以在箱子里自由移动，找到彼此，进行连接或断开，并根据各自的几何形状、与其他零部件的关系以及与环境的关系形成不同结构。而环境中的外力会对可能出现的结构产生直接影响。如果我们用水泵在水箱里制造旋涡或旋转的效果，这些零部件就会形成一个塔状结构；如果我们用喷射器把水或者有浮力的零部件向上推，这些零部件就会在水面上连成薄片。可见，零部件自身组成、几何形状和彼此之间的连接性没有改变，只是周围环境的作用力改变了，这就带来了不同的潜在设计。也就是说，环境可以影响设计并推动产生成功的结构，而这种外形十分完美的结构，若按传统自上而下的设计，只有反复尝试后的最好的设计才能成功。简言之，在环境的作用下，成功的设计可能是最舒适或最简单的结构形式。通过这种方式，我们甚至能获得令人惊讶和意想不到的解决方案。

自下而上建造方法的应用可以超越产品设计、制造或建筑施工领域。自组装实验室最近在马尔代夫的一个项目，一直在探索这种方法在较开阔环境下应用的潜力。我们一直在与一个由萨拉·多尔和哈桑·马尼库领导的马尔代夫团队合作，设计能够利用波浪能量的自组织沙系统，试图“种植”岛屿和沙洲。通常来说，海浪、风暴和海流都会破坏岛屿和沿海地区——双方一直在作斗争。在这个项目中，我们利用海浪和洋流的自然力量来构造建筑，而不是破坏。这个雄心勃勃且激进的项目试图解决地势低洼的岛国和沿海地区所面临的一些挑战，如气候变化导致的海平面上升和风暴泛滥风险。这个项目充满动态变化，涉及天气模式、流体动力学、泥沙运输、海洋测深学和许多其他复杂系统。很明显，在这些复杂的条件下，传统的自上而下设计过程或传统的材料和制造关系是无法解决这一问题的，有时甚至会使问题变得更糟。最常见的解决方案是建造屏障、墙壁和其他类似物理结构，来对抗大自然的力量。另一种常见方法是利用疏浚的方式，从深海将沙子抽回海滩或将其堆成一堆，从头开始建造一个新岛屿。

与此不同，我们采取了自认为最“优雅”的方法来解决这个问题：与材料（沙子）和环境能量（海浪、水流、风暴等）合作。我们不可能知道沙子的最终最佳位置或形态，但我们可以与材料和环境合作，让水的力量引导结构的构建。该项目旨在促进沙子的自组织，以发展新岛屿或帮助重建海岸线。这种方法利用波浪能及其与水下几何结构的相互作用来促进沙子的堆积，其目标是创建一个大规模的、适应性强的解决方案，以帮助保护沿海社区免受海平面上升和海水持续侵蚀的影响。现在已经获得了前期的研发成果，仅仅几个月就积累了数百立方米的沙子。我们设想这个项目具有长期可能性的关键就是，作为一个系统，它可以帮助马尔代夫“种植”土地，潜在地克服海平面上升的影响，或重建世界各地因风暴泛滥而被迅速侵蚀的海滩。这些水下几何结构可以布置在世界各地的不同地区，可以根据当地的季节和波浪的力量变换其形态。最终希望这能够形成一个与环境合作的系统，为沿海地区实现恢复能力和适应能力提供一种可能的新方法。我们与材料和环境进行的多方面合作，似乎成为解决这一极其复杂且不断变化的问题的唯一方法。

我们的愿景是实现一种新的复原力。在这种复原力中，破坏也可以是建造。想想肌肉——轻微撕裂可以促使它们变得更强壮。我们现在明白，自然发生的森林大火，随着时间的推移，只要不人为滥加干预，都可以促进一个更健康、更多样化的生态系统。在很多情况下，某种形式的破坏会促进其他力量、恢复力等的发展和重构。同样，对于沿海地区或岛屿，风暴潮往往带来大量的沙子，它们最终积累在海滩上，有时使海滩变得更大、更健康，同时也促进了植被的重新生长，从而巩固了岛屿存在的基础。

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