Wow！让建筑物也长出有生命的皮肤

初创公司Smart Panel的工程师们受到大自然的启发，使用仿生学创造新的建筑表皮，研发可持续发展的未来创造技术，使我们的生活空间成为自然环境的一部分。

Smart Panel正在开发一种新型建筑围护结构，受大自然的启发，该围护结构可保持建筑物内部温度恒定，为居民提供舒适的居住环境。

对大自然的观察为我们提供了许多改善生活方式的灵感，促进了相关关键技术的研发。但通常，首先我们的技术水平需要达到能够有效模拟现有自然解决方案的程度。在Smart Panel的案例中，正是由于碳纤维、传感器和工程技术的最新发展，使得人体皮肤的仿生学成为可能。

皮肤作为人体最大的器官提供了许多基本功能：从抵御病原体、化学物质和辐射的外部侵袭到进行体温调节，以及充当针对身体伤害的警报系统等。达索系统根据皮肤的基本分子特性开发了一种多尺度模型，可以准确预测化学物质渗透皮肤层的情况。该虚拟模型被用于设计可预测的药物输送系统，无痛注射、安全可穿戴设备，以及适应人体体形、尺寸、生物化学和活动机能的多种注射剂。

甚至更复杂的皮肤模型也被用于了解伤口愈合的动态过程，伤口愈合治疗是医疗保健系统的一个主要负担。

但这只是一个开始。达索系统与 Urgo Medical 和其他专家合作，启动了GENESIS 项目。该项目旨在制造用于治愈深层伤口，特别是烧伤患者使用的人造皮肤。众所周知，自体移植需要多次手术、长期住院、持续治疗。它将成为自体移植的替代方案。该项目还强调了虚拟孪生在高级皮肤治疗中日益凸显的重要性。

Smart Panel正在复 制人体皮肤的三层结构（表皮、真皮和皮下组织），并将它们应用到建筑围护结构上，创建建筑与外部环境相互作用的功能表面。

这种复合板层由不同材料层制成，内部有一层类似于航天飞机外壳所使用的薄绝缘层。主流体管道由冷/热传导流体通过节点连接处控制的网格进行引导。

从节点到主系统，信息电气/电子设备和流体再分配通过节点轴连接到新一代MEP系统。信息通道通过传感器收集各种环境数据。

装备齐全的建筑物可以通过复合外墙面板的互连通道网络重新分配热流体，在所有外墙上产生温度梯度。对于暴露在外的部分，这些面板将通过交换加热和/或冷却的盐水基流体来创建内部平衡，这些流体将被引导到内部地板系统和天花板面板，无需使用空调即可实现对建筑内部的温度调控。

拆除空调有助于减少温室气体排放，提高城市生物多样性，降低城市热岛效应，极大地改善城市环境。要知道，建筑和土木工程每年消耗了60%左右从地球提取的原材料，占全球每年能源消耗的40%。

空调使用导致了高达60%的建筑物能源消耗。因此，Smart Panel开发的创新建筑围护结构，通过取代空调大量降低其能源消耗，带来了巨大的能源和经济节约。

上图中显示了内部和外部的 HVAC（供暖、通风和空调）连接。应用温度传感器以确保温度不稳定的液体被阻止循环到绝缘管道的内环路。温度稳定的液体通过垂直流体交换、水平流体交换实现其内部回路。

导热管沿立面加热或冷却液体，以调节输送到立面上环路液体的温度。温度稳定的液体水平和垂直穿过绝缘管道，以消除不同楼层间地板可能存在的温差。

Smart Panel 由 Albert Abut 创立，他是一名建筑师（拥有DPLG，法国建筑师文凭），拥有 30 多年在世界各地开展能源效率和可持续发展项目及建筑设计相关经验。

联合创始人阿德里安·皮尚 (Adrien Pichon) 将他在航空航天和汽车制造行业工业合作伙伴关系方面的专业知识用于挑战智能面板核心材料的开发。

经过多年的钻研，Smart Panel汇集了包括AAA、CEA Liten、UGA、NYU和Burrohappold Engineering在内的技术专家团队和合作伙伴。所有这些智力及经验资源现在都可以聚集在3DEXPERIENCE平台上协同工作。

图：激活建筑仿生皮肤后与不激活状态下整个建筑温度场的对比。

上面的图显示了激活建筑仿生皮肤后与不激活状态下整个建筑温度场在虚拟世界的仿真结果。

你知道ZEB这个词吗？这是净零能耗建筑的缩写，该术语用于描述旨在实现年度净零一次能源平衡，同时能保持舒适室内环境的建筑。为了将能耗降低到零，需要在设计和施工阶段追求阻挡太阳辐射、高隔热、高效率，并最大限度地利用可再生能源。

Albert Abut除了建筑师的身份，他还是造船专家，在风场、盐分、湿度和温度影响的极端条件下使用的材料和技术方面拥有丰富的知识。他这种卓越的洞察力体现在每个相关项目中。

Albert Abut认为，在法国，除非能源使用量为零，否则无法获得建筑许可证。事实上，全球40%的能源消耗与建筑和基础设施有关，36%与温室气体排放有关。对于如何创建可持续的未来，建筑和城市设计负有巨大的责任。

目前Albert Abut和Smart Panel正在开发的项目是一个零能源ZEB，它产生和利用各种可再生能源，避免排放传统的温室气体。受到人体解剖学的启发，Smart Panel是一个划时代的系统，通过使水流经立面来提供冷却功能，这些立面在结构上对人体皮肤由70%的水构成进行了模拟。

Albert Abut在造船学领域有着深厚的造诣，他的灵感不仅来自大海，还来自太空、人体以及其他各个领域，Albert说，不要把自己封闭在建筑的世界里。研究完全不同的领域，如游艇帆等海洋技术、航天飞机等太空技术以及人体机制会催生新的想法。

Smart Panel已经制定了明确的发展计划。对空调的需求不断增长是当今能源辩论中最关键的盲点之一，到2050 年，HVAC 机械的全球能源需求预计将增加两倍，这个需求相当于当今美国、欧盟和日本电力总和的新电力容量。自1950 年代以来，建筑商押宝于用绝缘材料将建筑物的外部与内部分开/隔离，以提高气密性，“减少”能量损失。这导致了依赖HVAC机械来调节室内温度，导致了高能源需求，形成恶性循环带来更多的能源消耗。而Smart Panel用仿生学原理来实现温度调节，则颠覆了这一趋势。

当谈到解决人类设计挑战时，大自然母亲确实最清楚。你背包上的尼龙搭扣，冬天外套里温暖柔软的填充物——这些日常发明有一个共同点：它们的灵感来自我们周围的自然世界。我们称之为仿生，这是一个科学领域，它在技术研发和工业设计中学习和模仿自然过程，创造出与自然非常相似的可持续产品和系统。

生物学家和自然史作家Janine Benyus被认为是最早提出仿生学一词的人之一。她说：“审视自然是很重要的，毕竟，它有38亿年的时间来提出想法。”

Benyus认识到自然启发或仿生设计可能给企业和更广泛的社会带来的价值，于2006年与人共同创立了非营利组织——仿生研究所。仿生研究所的使命是提供信息和资源，使仿生学成为设计过程中不可或缺的一部分，并提高设计效益。Benyus和她的同事们相信，通过挖掘自然，弥合生物学和设计之间的差距，人类可以解决关键的可持续性挑战，建设一个更健康的地球。

仿生研究所表示：“我们设想的世界是：人们将自然视为再生解决方案的知识和灵感仓库，而不是商品仓库。”

仿生学包括三个关键元素：模仿，在产品设计中复现自然生态系统的形式和形状；精神，理解和重建飞行或伪装等过程；连接，了解大自然如何真正发挥作用，模仿生物策略及蚁群等生态系统。

从根本上讲，仿生设计可用于创建产品、流程或两者的组合。制造业和基础设施行业应该涵盖所有三个要素，并像一个自然生态系统一样运作：创造有机且可分解的创新材料；并采用与生物圈和全球经济和谐相处的设计和生产流程。

早在15世纪，达芬奇（Leonardo da Vinci）就通过研究鸟类飞行，提出了设计飞行机器的见解。长期以来，工程师们一直在研究鸟类的形态和动作，以解开飞行的秘密。

从达芬奇到空中客车等现代航空航天公司，创新者们继续在这一前提下发展，他们不仅关注鸟类，还关注鲨鱼等生物，致力于揭开如何使飞机成为真正可持续运输方式的奥秘。空中客车公司最新的仿生项目之一是eXtra性能机翼演示器，它采用了主动机翼控制技术，可以对机翼进行自动调整以改善空气动力学和性能，使飞机像鹰一样翱翔。

还有许多其他令人着迷的仿生例子。以蜘蛛丝为例：蜘蛛纺成网的精细、粘稠、有弹性的纤维比钢相对更坚韧，比橡胶更有弹性。科学家们看到了蜘蛛丝在各种应用中的潜力，包括防弹衣、外科缝线甚至桥接电缆。他们面临的最大挑战是创造足够多的东西。这就是为什么像Spintex Engineering这样的组织正致力于扩大蜘蛛丝，至少是合成蜘蛛丝的生产规模。这家公司已经找到了一种模仿蜘蛛喷丝头的方法，使其能够在室温下从液体凝胶中纺出纤维，而无需使用苛刻的化学物质。

就像科学家们试图大规模重现蜘蛛丝一样，其他人也在越来越多地寻找利用自然的秘密创造更好产品和工艺的方法。但是，与大自然不同的是，人类没有38亿年的时间来完善研发过程。

3DEXPERINCE平台等技术在这里大有用武之地。达索系统的解决方案使研究人员、工程师和科学家能够在虚拟世界中模拟进化——为他们的设计建模，并在计算机上测试数千个想法，以快速确定新一代可持续产品的制胜特征。

大自然提供了蓝图，而数字技术使我们能够研究、理解，并最终复 制它。以下是达索系统参与的一些令人惊叹的仿生项目：

艺术家Kate Reed来自美国波士顿3DEXPERINCE实验室下设的Fab实验室。她直接从大自然中汲取灵感所设计的Beyond Biomimicry系列，应用了可穿戴技术。

EEL Energy利用3DEXPERINCE平台开发了一种可起伏的薄膜，该薄膜模拟了游鱼通过水下电流发电的运动。

绿海龟项目汇集了包括达索系统专家在内的众多专家，创造了一个外形类似海龟的机器人，用于收集漂浮在海面上的垃圾。

Torquigener Albomaculous 是一种小型河豚，它有一个令人难以置信的特点：它在筑巢时用沉积物建造大型结构。这些结构由两个巨大的图案组成，外部有多个通道，内部有复杂的形状，让人联想到阿 拉伯式花纹。

一些研究倾向于表明，雌性河豚不会根据模式的迭代或巢的大小来选择巢，研究人员提出的假设是巢的形状对水流有影响，这才是雌性选择巢穴的依据。法国UniLaSalle地球科学与环境硕士1年级的三名学生通过使用CATIA 对巢进行建模并通过SIMULIA对多个变量的流动模拟来测试形状和迭代对电流的影响，对这一科学假设进行检验。非常重要的是，它可能会在保护世界各地的海岸和近海结构方面具有工业应用价值。

在大城市，一切——建筑、生活方式、环境、政府、交通网络及其居民——都被构建成一个生态系统，其中系统的弹性和适应性对于确保系统的可持续性至关重要。观察自然可以成为灵感的源泉。我们甚至可以将自然视为一个巨大的实验室，研究其适应颠覆的策略。

仿生学通过理解和模仿大自然最擅长的事物来设计“人造”创新系统。达索系统的研究团队利用仿生学进行创新，通过两种解决问题的模型：绒泡菌和群体，开发城市规划的新方法。

第一种方法源自对多头黏菌（physarum polycephalum）的观察，这是一种由多个细胞核组成的单细胞生物，尺寸可达数十厘米。这种黏菌虽然没有大脑，却能够学习并解决问题，例如找到穿过迷宫的最短路径或建立最有效的网络。它的原生质膜将形成管道来扩张并探索所有可能的路径，然后使用最有效的路径到达食物来源。这种行为已成为最短路径问题解决方案的灵感来源，在设计交通系统时尤为重要。如下图，黏菌模仿的美国地图。

第二种模型是群体，是一种在城市中分配代理的社会经济系统。代理代表蜂群中的蜜蜂，是一个根据城市结构的特定特征来优化每月分配的预算个体。该代理的目标是通过在支付的租金金额、房屋面积以及上班通勤、去购物区和公园花费的时间之间找到平衡，最大限度地提高居民的幸福感。

这两种方法已集成到 3DEXPERIENCity 中。主要的新特点是研究团队正在让他们一起工作，将一个模型的结果整合为另一个模型的起点。以这种方式聚合数据大大增加了潜在解决方案的数量。通常，科学文献介绍的是使用有限数据设计模型的应用。因此，他们的研究结果与工业或城市规划问题的现实往往不太相符。例如，代理模型经常被使用，并且与基于鸟类群体行为计算距离相关。但当它们与黏菌模型交互时，它们可以合并来自现实交通网络的数据。如今，这些基于研究的仿生方法不仅仅只是用于证明可行性，而是有了现实的应用。

它们可以集成起来，帮助已经拥有数字孪生的城市市政当局（例如雷恩和新加坡，这些城市多年来一直在使用3DEXPERIENCE 平台），并且更广泛地可应用于任何拥有可用数据的城市。仿生城市显然拥有光明的未来。

3DEXPERIENCE 平台为设计师们提供了这样一种全新的思考方式：我们能否采用DNA或者基因进化的方式来设计产品？当你拥有这种思维的时候，设计本身就成了一个生命的自然行为，而不再是物质行为。

仿生学的未来是什么？我们将会赋予制造的产品、建造的建筑更多生命的特征，未来的产品和建筑将不仅仅是软件定义产品、软件定义建筑，而是产品即生命、建筑即生命，人类实现与自然和谐相处，实现产品、自然和生命的和谐。

库兹韦尔曾经在《奇点临近》一书中这样描绘宇宙的未来：如果技术奇点发生，人类智能将以光速在宇宙中殖民和扩散，直至充满整个宇宙。我们可能难以想象整个宇宙充满智能的景象，却可以展望随着仿生学的发展，我们居住的星球，我们所采用的技术可以让人类的造物（制造业的产品和建造的建筑）拥有更多的生命元素和特征，碳基与硅基生命和谐共生，我们的星球生机盎然。