47、提升室内植物环境：仿生设计与人工智能在建筑设计中的应用

最新推荐文章于 2025-12-07 20:47:24 发布

rock5

最新推荐文章于 2025-12-07 20:47:24 发布

阅读量92

点赞数

CC 4.0 BY-SA版权

分类专栏：混合智能与建筑的未来文章标签：仿生设计人工智能室内植物

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/rock5/article/details/151919593

混合智能与建筑的未来专栏收录该内容

51 篇文章 ¥499.90

订阅专栏¥69.90

会员秒杀 ¥9.9 重磅福利

超级会员免费看

提升室内植物环境：仿生设计与人工智能在建筑设计中的应用

在室内环境中，植物的生长常常受到湿度和光照的限制。为了改善这一状况，研究人员结合仿生学和人工智能技术，开展了一系列创新设计。

仿生设计提升植物湿度与光照

研究起点 ：通过“物的民族志”研究水瓶在室内的移动及与其他物体的交互，提出如何增强水与植物关系的问题。研究关注到室内植物因湿度和光照不足出现叶片变色的情况，从而开启了设计能提升植物环境的结构的项目。
仿生策略
- 优化阳光利用 ：借鉴沙漠冬青的策略。沙漠冬青是美国西南部沙漠的一种灌木，其叶片破碎且大角度倾斜，能收集早晨和傍晚较弱的阳光进行光合作用，同时银色外观可在阳光过强时反射阳光。
- 收集和保留水分 ：参考纳米比亚沙漠的黑甲虫。黑甲虫翅膀鳞片上的独特凸起和凹陷有助于收集水分，水汽在尖端凝结成水滴，顺着凸起流入甲虫口中。受此启发的瓦尔卡塔，能从雨、雾或露中收集大气水汽，水汽在聚酯网的凉爽表面凝结成水滴，流入底部的蓄水池。
设计过程
1. 结构设计 ：最初以沙漠冬青叶片的不同角度为基础，设计由六边形和六个反向弯曲三角形组成的结构，用聚乳酸（PLA）3D打印。为便于存储和运输，结构打印成平面后折叠。
2. 纹理研究 ：基于黑甲虫和瓦尔卡塔研究纹理，测试不同层数的3D打印PLA网格存储水滴的能力，最终发现两层网格性能最佳。
3. 设计简化 ：将中间的六边形替换为三角形，增加不同角度以更好地捕捉阳光。同时，夸大结构外部的起伏，使互锁系统更稳定，增强植物的抓握能力。
测试结果
- 湿度测试 ：使用室内湿度计测量，初始湿度为39%，喷水后结构湿度升至53%，将结构围绕植物布置后，湿度达到62%，满足室内植物40 - 60%的湿度需求。
- 光照测试 ：使用数字照度计测量，植物的初始照度为44.5 lx，添加无水结构后增至78.5 lx，但由于水的反射受辐射角度影响，精确测量含水结构的光照增强效果还需进一步研究。

以下是设计过程的流程图：

graph LR
    A[研究起点：水与植物关系问题] --> B[仿生策略：阳光利用与水分收集]
    B --> C[结构设计：基于沙漠冬青叶片角度]
    C --> D[纹理研究：基于黑甲虫和瓦尔卡塔]
    D --> E[设计简化：优化结构]
    E --> F[测试：湿度与光照测试]

人工智能助力辅助结构设计

研究背景 ：人工智能算法在建筑和设计实践中的应用日益广泛，但将其应用于材料计算需要特定的工作流程来生成能精确代表几何形状的数据集。
研究方法
1. 计算模拟 ：对激活的弯曲辅助表面的机械和物理行为进行计算模拟。
2. 数据集生成 ：生成包含六个几何特征，每个特征有3000个值的几何数据集。
3. 模型构建与训练 ：构建并训练回归深度神经网络（DNN）模型。
4. 特征预测 ：预测辅助表面图案距离的几何特征。
5. 结构重建 ：根据预测值重建新的壳体。
辅助结构特点 ：辅助结构是具有负泊松比的超材料结构，其力学性能取决于几何形状而非材料本身。拉伸时，在垂直于作用力的方向变厚，具有剪切性能好、抗缩进性强和断裂韧性高等特点。
研究优势 ：通过整合基于AI的算法到材料计算设计过程中，持续减少生成数字原型所需的计算能力和模拟时间。

以下是人工智能辅助设计过程的步骤列表：
1. 对激活的弯曲辅助表面进行机械和物理行为的计算模拟。
2. 生成包含六个几何特征且每个特征有3000个值的几何数据集。
3. 构建并训练回归深度神经网络（DNN）模型。
4. 基于高斯曲率、密切点、图案距离和应用力参数，预测辅助表面每个单元图案的距离。
5. 根据预测值重建新的壳体。

这些研究不仅为改善室内植物生长环境提供了创新解决方案，还展示了仿生学和人工智能在建筑设计中的巨大潜力，为未来的设计实践提供了新的思路和方法。

提升室内植物环境：仿生设计与人工智能在建筑设计中的应用

综合应用与成果分析

设计理念的融合 ：仿生设计与人工智能辅助设计在提升室内植物环境方面各有侧重，但又相互补充。仿生设计从自然界获取灵感，通过模拟生物的生存策略来设计结构，直接改善植物的生长微环境；而人工智能辅助设计则侧重于优化设计过程，通过预测和重建来提高设计效率和精度。例如，在设计提升植物湿度和光照的结构时，仿生设计确定了结构的基本形态和功能，而人工智能辅助设计则可以在这个基础上，进一步优化结构的几何特征，使其更好地适应植物的生长需求。
成果的实际意义
- 对植物生长的影响 ：通过实验测试，仿生设计的结构显著提高了室内环境的湿度和光照强度。湿度的增加为室内植物提供了更适宜的生长条件，有助于植物保持健康的状态，减少因干燥引起的叶片枯黄等问题。光照强度的提升也能促进植物的光合作用，增强植物的生长活力。
- 对设计领域的启示 ：这些研究成果推动了设计领域从传统的人类中心设计向考虑人类和非人类参与者的后人类主义设计转变。在设计过程中，开始重视非人类元素的需求和能力，为设计带来了新的视角和方法。同时，将仿生学和人工智能相结合的设计思路，也为解决其他设计问题提供了借鉴。

未来展望与挑战

未来发展方向
- 技术的进一步融合 ：未来可以进一步探索仿生学和人工智能技术的深度融合。例如，利用人工智能算法对更多的生物特征和环境数据进行分析，从而设计出更加智能、自适应的结构。这些结构可以根据植物的生长状态和环境变化自动调整自身的形态和功能，为植物提供更加精准的生长支持。
- 应用领域的拓展 ：目前的研究主要集中在室内植物环境的改善上，未来可以将这些技术应用到更广泛的领域，如城市绿化、农业种植等。在城市绿化中，可以设计出具有自调节功能的建筑外立面结构，为城市中的植物提供更好的生长环境；在农业种植中，可以利用仿生和人工智能技术设计出高效的灌溉和光照系统，提高农作物的产量和质量。
面临的挑战
- 技术难题 ：虽然人工智能和仿生学技术取得了一定的进展，但在实际应用中仍面临一些技术难题。例如，如何准确地模拟生物的复杂行为和环境变化，如何提高人工智能算法的准确性和可靠性等。
- 伦理和社会问题 ：随着技术的发展，也会带来一些伦理和社会问题。例如，在设计过程中如何平衡人类和非人类的利益，如何确保技术的应用不会对环境和社会造成负面影响等。

以下是未来发展的流程图：

graph LR
    A[技术进一步融合] --> B[设计更智能自适应结构]
    C[应用领域拓展] --> D[城市绿化应用]
    C --> E[农业种植应用]
    B --> F[解决技术难题]
    D --> F
    E --> F
    F --> G[应对伦理和社会问题]

综上所述，仿生设计和人工智能在提升室内植物环境方面已经取得了显著的成果，但仍有很大的发展空间。在未来的研究和实践中，需要不断探索和创新，克服面临的挑战，充分发挥这些技术的优势，为人类和自然创造更加和谐、美好的环境。