2021毕设故事 | 牛志明：维管植物研究与设计应用

牛志明

2016年毕业于中北大学，获艺术和经济学双学位

2021年毕业于清华大学美术学院基础教研室，获艺术硕士学位

线上展览效果：

线上展览效果

毕业设计研究视频

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维管植物的研究价值

维管植物作为高等植物中的重要组成部分，主要包括被子植物、裸子植物、蕨类植物等，其种类繁多，已知约26万余种。维管系统的产生是植物从海洋走向陆地的标志，其进化已有4亿多年的历史。随着地球的生态环境变化，维管植物的形态也在随之发生改变，表现出生物多样性的形态特征。除了适应气候因素和资源分配带来的影响以外，为了抵御昆虫的胁迫，植物也进化出和植食昆虫相互“博弈”的形态，这些因素也使得维管植物逐渐形成了自己独特的防御体系，这就是共进化理论(co-evolution)。维管植物的进化遵循着物竞天择的原则，这也使得它们逐渐成为地球植物家族中最繁茂和最高等的植物。因而，其在设计形态学和可持续生态开发等领域也蕴含了丰富的研究和应用价值。

维管植物调研（拍摄于中科院植物研究所）

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维管植物形态观测

毕业选题确定之初对于最后设计出什么样的产品，其实内心里还没有雏形，主要精力集中在探索发现阶段。本研究课题主要针对蕨类植物、被子植物、裸子植物三种主要的维管植物类别进行设计形态学研究。在调研阶段，我首先挑选其中具有代表性的几十种植物品种，进行分类观察和专项调研。从宏观层面上，对以上三类主要维管植物中的典型植物进行观察、记录、采集、分析。之后，采用普通光学显微镜从介观尺度上进一步观察典型植物的细胞和组织形态，在确定了最终的维管植物研究对象以后，从宏观到介观对其再进行专项的调研和分析。用到的工具包括：热像仪、普通光学显微镜、电子显微镜等。

观察方法及流程

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前期调研及选择睡莲

在所有调研的植物中，通过长期观测和分析，逐渐发现睡莲在所有调研的维管植物中具有典型的形态特征，其无论是内部细胞排列分布，还是表皮细胞形态以及气道空间组合等方面都有维管植物典型的形态特征。在水生环境适应性和抗逆性表现特征上，由于睡莲主要生长于水中，因此在气流交换，抗压能力，防御鱼类和昆虫等啄食，抵抗水流影响等方面，睡莲具有独特的形态优势。另外，加以实验条件限制，经过综合考虑，最终选择了睡莲科植物继续深入研究。

研究范围的限定

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睡莲样本的来源及观察过程

睡莲采集的样本主要来源于中科院植物研究所以及自己养殖的睡莲样本。通过解剖发现了诸多有趣的形态现象，譬如：不同品种睡莲的气道结构，同种品种睡莲不同器官的气道结构都有不同。在睡莲茎秆气道的观察实验中，维金纳琴睡莲茎秆的端点往下300mm，每隔100mm处取一次实验样本，气孔所占横截面的比例由上到下依次为：0.16,0.22,0.26,0.30，比例依次增加。另外，在调研过程中，还对睡莲不同器官的热成像现象等特征进行了观察。

睡莲典型形态观察与分析

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睡莲形态观测调研

通过在电子显微镜下对睡莲样本进行观测发现，不同品种睡莲介观层面的形态结构有所不同，譬如：亚马逊王莲的叶片上表皮布满了不规则的扁平上皮细胞（pavement cells）形态，中间夹杂着气孔，而下表皮则没有气孔，科罗拉多睡莲叶片的特征在这方面与王莲类似。但是，王莲的叶片背面一般长有纤毛状的结构。另外，王莲气道内部的细胞形态近乎均匀排布。调研中，还对睡莲的气道结构进行了X光拍摄等，也发现了一些有趣的现象。

电镜下睡莲形态特征

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睡莲表皮细胞形态参数化分析及数字模拟

在提取睡莲叶片表皮细胞形态特征以后，采用了Rhino 7软件结合 Grasshopper参数化编程平台对pavement cells的形态进行了参数化的数字模拟。之后，建立了三组对照组实验，针对pavement cells形态的结构性能进行了实验探究。

同样工况条件下，其中结构1的刚度为27796.9N/mm，结构2的刚度为25880.95 N/mm，结构3的刚度为22645.7 N/mm。模型3的弹性能力相对另外两种模型具有一定优势。

睡莲叶片pavement cells形态的模拟分析流程

三组结构对照实验的有限元分析结果

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睡莲茎秆气道形态流体力学模拟分析

在顶部垂直压力测试实验里，从前期90余个基础模型中选取了模型26，模型44，模型45，模型53和模型63进行对照实验。其中模型26中的气道为4个等大的圆形气道，模型44、45、53中分别含有两对大小不同的气道，两对气道关于中心对称。模型63的对称中心偏向于小的一对气道。实验中施加的顶部压力大小为100000000N/m，材料为合金钢。整体的实验表明顶部施加压力后，模型会向气孔小的方向发生弯曲。（具体分析结果见作者硕士论文附录）

实验用到的部分气道数字模型

典型睡莲气道形态顶部受力模拟分析实验

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睡莲形态衍生模型实验

模型制作过程、气动装置方向控制实验和桌面救人实验

通过在气动模型的不同方向上施加气体压力，即可使模型产生上、下、左、右的弯曲变化。如果在单个方向上持续增加气体压力，硅胶模型就可以形成圆环形，接近救生圈的造型。受此启发，如上图所示，笔者还制作了简易的救人模型实验。

3D打印TPU材料模型、实验配件及拉力机测试平台

通过对扁平上皮细胞（pavement cells）的衍生形态模型进行对照测试实验后发现，相对于方形网格，pavement cells网格模型拉伸同样的距离，只需要方形网格模型30%的拉力。这与前期有限元分析的结果类似，说明pavement cells网格模型在力学缓冲等方面具有一定优势。

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应用对象的适应性分析

通过对睡莲叶片的叶脉及气道的抗压结构、茎秆气道的旋转结构、扁平上表皮细胞（pavement cells）形态结构等几个方面的生物适应性研究可以得出睡莲在不同环境（沉睡、浮水、挺水）中不同的形态适应性优势。在向人类设计应用转化的过程中，我们可以将其与设计问题相结合，从而为人类的抗疲劳结构、抗压结构以及智能制造等材料结构的优化提供设计的理论依据。下图所示是将睡莲形态的自然适应性原则与人类需求相结合进行的适应性分析，并对睡莲典型形态的研究价值和可行性进行了客观评价。

应用对象的适应性分析关系图(包含实验条件及创新性评分)

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前期方案推演

在前期的方案推敲中，设计了多组概念方案，包括公共设施、建筑、水下机器人等。其中，最后三组方案的共通之处都是基于睡莲气道形态的生物启发原理，采用了气动方式来控制救援机器人的移动方向，当其行驶到溺水者旁边时，使用者可以通过远程遥控装置来控制“救生圈”的弯曲方向，从而达到救援目的。以上方案皆是前期的概念推敲，许多环节仍有待于完善，这也是后面方案的完善环节要做的主要工作。

前期概念方案迭代过程

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最终设计方案

模块化-多功能水下机器人（ROV）概念方案的设计原理同样是基于维管植物睡莲气道形态的研究规律，并在前期概念方案的基础上进行了迭代和优化。机体采用模块化的组合方案。使用者通过远程遥控气动或液压装置系统，来控制水下机器人的移动方向。通过置换不同的功能模块，产品未来可用于水下探测、管道维护、水面救援等工作。

产品部分应用场景

清美毕设展览现场

展览海报设计

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难点总结及成果阐述

本课题研究选择了高等植物中的维管植物作为了研究对象，通过从宏观到介观的观察及分析，最终选择了将睡莲作为本课题中维管植物设计形态学的典型研究对象。研究框架大致可分为两个部分，前半部分是基于设计形态学、生物学、解剖学、材料力学等学科的基础研究内容，后半部分是基于前期研究成果的概念设计应用表达。

通过前期对睡莲的解剖、观察、分析、归纳，发现了诸多有趣的形态学现象，譬如：睡莲茎秆的截面气孔由上至下逐渐扩大，睡莲的茎秆截面中气孔的位置由根部到叶柄水平位置也发生了旋转等。后来，通过近300余组的数字模拟实验，50余组的实体模型验证实验，基本可以总结出睡莲的多孔旋转气道形态、表皮细胞形态、叶片气道形态等不同形态背后的变化规律以及它们在力学缓冲、抗弯刚度、弹性力学、流体力学上的抗逆性和适应性原理。

本研究课题除了将这些形态规律从自身角度出发做若干纵向对照实验以外，还和现有的常见形态做了多组横向对照实验，总结出了睡莲特殊形态在流体力学、弹性力学等方面的优势和不足。之后，将这些形态规律和现有人类需求相结合，通过引入设计问题，预设环境等影响因素，进行设计应用的头脑风暴和设计发散。最后，选择了相对合理的水下机器人应用方向加以设计阐述和深入表达。由于本人并非机器人设计、自动化控制等相关专业研究者，在概念设计方案中也难免有错误之处，因此也希望有关领域专家能够批评指正，不胜感激。

基于维管植物的形态学研究涉及内容广泛、有深度、研究意义也重大。最后，我仅选择了其中典型的维管植物睡莲进行了较为深度的设计形态学研究。而睡莲只是其中的冰山一角。通过对维管植物的基础研究也发现，要想研究明白一种生物形态，除了要了解和掌握基础的生物学、解剖学、形态学等知识以外，还会涉及到材料力学、形态数字编程、流体力学、弹性力学、工程力学、高等数学等诸多基础学科和数理背景知识，这也给本次研究课增加了难度。

越有挑战性的事情，其背后所蕴藏的价值也愈高。毕业时，选择了去中国农科院合成生物学研究中心继续做跨学科相关的研究工作。从设计专业到科研，希望在补充跨学科背景知识的同时，对研究方法和流程加以完善。

作者与导师邱松教授合影

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致谢

首先，感谢导师邱松教授三年多以来对本人的悉心指导和教诲，这些都是自己做科研的基石。感谢工作室兄弟姐妹以及同学、朋友、老师对我的支持，没有你们的帮助，我的实验和设计应用肯定进展缓慢。

感谢清华大学美术学院基础教研室金剑平老师，每次您都能对我的研究提出很好的改善建议。感谢清华大学未来实验室马兆远老师，您的观点总是清晰独特，这也让我在科研的过程中敢于保持独立创新的精神。感谢清华大学美术学院工业设计系刘新老师在可持续设计课程上的指导，让我在做设计的同时能够更加全面地思考社会性因素，使得设计应用更加饱满。感谢中国农业科学院闫建斌老师提供的科研指导和实践机会，使我能够有机会接触到更多的交叉领域。感谢中国工业设计协会原副秘书长田文苗老师的学术肯定和论文修改意见，让我更加清楚未来的研究方向。

同时，还要感谢读研过程中各位课程老师的教导和帮助。感谢清华大学建筑学院魏庆芃老师提供的热成像设备和学术指导，中科院生物物理研究所张建国老师等提供的双束电镜扫描支持，中科院植物研究所提供的样本资源，宠物医院提供的DR(数字X线摄影)，研究生室友提供的光学显微镜等帮助，这些对本人更好的观察和理解维管植物形态特征提供了很好的影像依据。

最后，感谢家人一直以来的鼓励和支持！

本课题承蒙“设计形态学”国家社科基金资助，特此致谢。

展览网址：https://exhibition.ad.tsinghua.edu.cn/2021/?rid=386fa87f&locator=f9b56e52

资料来源 | 牛志明

图文编辑 | 罗雪辉 冯佳琪