《仿生設計大未來》:有智能的未來「活」建築——那些白蟻教我們的建築學

《仿生設計大未來》:有智能的未來「活」建築——那些白蟻教我們的建築學
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我們想讓你知道的是

大部分人認為,未來的住家應該是純白、乾淨、無菌的,好像不再有灰塵和食物污漬。但索爾想像中的未來「活」建築卻是凌亂甚至是混亂,又極度有智能、有韌性而多功能──就像白蟻丘。

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文:阿米娜.汗(Amina Khan)

跟白蟻學建築——這些昆蟲教我們的建築學(與其他事)

(前略)

那天早上,在我們辛苦跋涉到附近的白蟻丘之前,我一邊吃著加了水果和堅果的什錦燕麥牛奶,一邊看著索爾和保羅把長長的一捆鋁線剪成一小截一小截,丟進一個桶子裡。

索爾嘴裡叼著菸斗把鋁線剪成小截,說道:「我想,在這世界上,生物學和工程學相會的地方就是這裡了。」

我很快就發現,生物學和工程學之間的界線出現在很奇妙的地方──例如,兩邊使用的語言就截然不同。索爾提到其他幾位研究者用3D列印來探究仿生材質的「物質性」(materiality)。

保羅插嘴道:「這是我們互動過程中的樂趣之一。你們用的這些字眼,像剛剛的『物質性』,聽起來根本就像咒語。」

「我知道、我知道、可是你也一樣!我也得學會你所有的用語。」索爾說。

和杭特與山姆一起檢視過白蟻丘之後,就該看看那些鋁到哪裡去了。測試過白蟻丘之後,科學家和工程師邁步走回小屋前的院子,一位名叫史都華.薩默菲爾德(Stuart Summerfield)的技術人員正在那裡把一個容器加熱到攝氏數百度,好將那些金屬線融化;他是其中一名生物學家的配合人員。史都華腳邊有個古怪的圓圈埋在泥土裡,裡面有好幾個呈波浪狀的洞,很像墨跡測驗的墨漬。原來是科家學之前鋸下附近一個白蟻丘的頂部,乾燥了幾天,把它上下顛倒埋進土裡。

史都華用焊接面罩保護臉部,戴著厚手套把銀色的液體倒進白蟻丘頂端最大的一個像墨跡似的洞,裡頭傳來低沉的隆隆聲,聽起來悶悶的、溼溼的,這表示白蟻丘頂部可能不如預期的那麼乾燥。他立刻後退了幾步,但還是繼續倒入液體,直到把熔化的鋁完全倒光。

現在,爆炸的危機解除,透納和其他科學家圍上前來,看著滴到洞緣的鋁在閃爍。還有許多孔洞,看來他們恐怕需要更多的鋁。但即使他們設法把夠多的鋁加熱到所需的攝氏六百六十度,也不確定能否讓鋁流入剩下的所有角落,因為第一批倒入的鋁那時應該已經凝固在裡面,擋住去路了。

正當這些研究人員討論他們有什麼選擇時,保羅和莉莎.瑪格內莉(Lisa Margonelli,寫過一本以白蟻為主題的書)看向幾公尺外螞蟻丘和白蟻丘的互動。

這天早上索爾才說過:「有白蟻的地方就有螞蟻。」不過這兩種生物並不是朋友,差遠了。螞蟻群會打劫白蟻丘;而白蟻一有機會就會把巡邏的螞蟻拖進白蟻丘的洞裡,接下來,那隻粗心的螞蟻就像恐怖片裡兄弟會的傢伙一樣,從此消失無蹤。這其實情有可原,畢竟這兩種動物都是採集者,在相同的環境尋找幾乎相同的資源。令人驚訝的是,這兩種動物的外形和共同行為雖然相似,但其實不是近親;現存和白蟻關係最近的昆蟲其實是蟑螂。某方面來說,似乎更不可思議的是,白蟻和螞蟻都具有某種群體智慧,所以對人工智能有興趣的科學家才會研究這兩個物種。不過螞蟻和人工智能要留待其他章節再來探討。

一隻大概有我指甲一半長的草白蟻(harvester termite)拖著一根樹枝,那樹枝大概是牠身長的八到十倍,牠正設法把那東西挪進地面上一個小不隆咚的洞裡。保羅和莉莎看得全神貫注。如果你試過把一張長沙發搬進位置糟糕的窄門,就能大概了解這隻白蟻有多辛苦。

莉莎說道:「把樹枝拆了、拆了啊。」那聲音小得近似氣音。

我們看得這麼目不轉睛,把透納和索爾從鋁那裡給吸引了過來。

「看啊,牠在量長度。」索爾說。

保羅說:「牠在量的其實是質心(center of mass)。」

「你在開玩笑吧。」索爾說。

「這隻白蟻瘋了。」保羅說。「你瞧……看來你說得對,牠在切斷樹枝。」

比較生理學家貝利.品秀(Berry Pinshow)最愛當遠征隊裡的掃興鬼,他看了一眼,就立刻否定白蟻的辛苦工作。「如果牠打算把樹枝拖進地洞……在那裡切斷樹枝就太蠢了。」說完,他就走開了。

不過,想當然爾,那隻白蟻把樹枝翻了過來,然後將這戰利品脫回洞裡。

保羅開玩笑說道:「你猜怎麼著?白蟻比貝利還聰明。」

保羅看著白蟻個體的行為,試圖拆解牠們簡單的行為規則。那天稍早,他們在剪斷鋁線的時候,我問過他研究的重點是什麼。

「他們帶上我,是因為我的論文題目是白蟻個體怎麼聚在一起,也就是白蟻合力建造通道時用的演算法。」保羅說:「我現在做的是觀察大白蟻屬的個體,以及牠們群體依據的規則、建造這些白蟻丘的互動規則。我的任務是把這些資訊帶回哈佛,告訴他們怎麼打造可以遵從那些規則的機器人。」

聽到這裡,我有點迷糊了,問道:「你是生物學家、昆蟲學家,昆蟲學家什麼時候開始覺得自己要處理一堆演算法了?」

保羅說:「最近什麼都離不開演算法。」

索爾加了句:「全世界都在處理演算法。」

保羅急忙補充道,他口中的演算法用的是很粗略的概念。

保羅說:「我完全稱不上是電腦程式設計師。不過我觀察白蟻,而白蟻基本上是迷你電腦,所以牠們有運作程式。」

如果可以拆解那個程式中的行為,你就會知道編碼──就能將編碼寫入電腦程式(甚至機器人)裡,讓它們蓋出那些建築體。如果可以明白個別白蟻如何運作、白蟻彼此互動時會發生什麼事,就能了解整個白蟻丘。

索爾說:「我要找的是一種最根本的演算法。雖然可能不存在,但我們是人類,所以深受吸引。」

「那就是終極目標嗎?」我忍不住開口問,因為我是記者,任何稱得上終極目標的東西,記者都無法抗拒。但索爾對我的問題似乎有不同的理解。那時我覺得,這種演算法這可能是個關鍵,可以解決他們理解這些生物時遇到的許多問題。但工程師似乎接收到了不一樣(或許更準確)的意義,他以為我是指追尋某種從來不曾真正找到的事物。

他頓了一下才說:「很可能是吧。」他哈哈笑著,轉過身說道:「保羅,不是嗎?不過我們太常上當,所以不再相信這種東西了。」

現在,鋁逐漸冷卻下來,大家也分散去做各自的工作,我則跟著保羅穿過院子,經過柵欄,來到大家下榻處的第二棟建築,有一半研究人員的宿舍就在這裡。外面的院子裡,保羅在一棵金合歡的樹蔭附近設置了一個實驗。一個白蟻丘旁邊豎立著兩塊壓克力板,差不多是影印紙的大小。兩個壓克力板用長尾夾夾在一起,中間的夾層空間,似乎有一圈圈泥土緩緩向上長。保羅讓巢穴裡的一條通道通向這兩塊透明板子之間的扁平空間,因此白蟻幾乎只有平面空間可以蓋牠們的建築。這樣有兩個好處:首先,這麼一來保羅就能看到工作中的白蟻,很像螞蟻養殖箱的情況;第二,這樣白蟻只能沿著平面建造,因此能簡化白蟻的行為──保羅便能設法拆解一些牠們納入設計的建築規則。

保羅是在晚上十一點左右設好壓克力板的,所以白蟻想必是徹夜工作,因為早上時,白蟻已經建造出一個卡通造型、胖胖的腳掌形狀,主體是大大、微尖的半球形,斜向一邊,而半球形的頂端則長出一顆顆泡泡,活像肥肥的小小腳趾頭。第二隻趾頭其實已經來到壓克力夾層的頂部,大拇趾則在低二.五公分的位置。

索爾和保羅認為環境中有些值得注意的線索──例如溼度。保羅放置白蟻的泥土一邊放了溼棉條,另一邊放乾棉條──所以地面的一端乾燥,另一端溼軟。白蟻似乎會在一個含水量剛好足夠又不會太多的適居帶開始建築工作。所以白蟻的驅動參數之一或許是特定的溼度梯度。

風的紊流程度(wind turbulence)或許是另一個驅動參數。保羅指向「第二隻腳趾」的泥土,這隻腳趾的位置達到壓克力夾層開敞的頂部,似乎把透明板的短邊一分為二──而保羅懷疑那不是湊巧如此,是白蟻感應到風的模式之後做出的回應,藉以減低風的紊流。

他解釋道:「白蟻或許光是建造這些飛耀似的柱狀體,就打破了紊流的循環。柱狀體的配置和紊流中的渦流有某種相關性。」

保羅想要量測這兩塊壓克力板間的建築結構是怎麼建造出來的,好建立白蟻丘的成長曲線。白蟻丘的建築過程分成幾個階段:一隻白蟻決定好是時候該在某個地方動工了,於是牠放下嘴裡含的泥土。一般認為,這隻白蟻同時也會放下一些化學費洛蒙,告訴所有經過的白蟻:「嘿,把你的泥土放到這裡!」這訊息號召更多的白蟻把自己嘴裡的泥土放到同個區域,產生迅速增長的材料「泡泡」。當這個「鷹架」建立起來之後,白蟻似乎會填滿起始的雛形,賦予建築結構(但該名昆蟲學家指出,這個過程從來不曾有人描繪過)。

不過這些泡泡是從何時、從哪裡開始的,又會在何時結束?事實上,保羅的研究可能顯示了白蟻並不需要化學信號──一隻白蟻留下的土壤結構已經足以讓下一隻白蟻知道該怎麼做。而這些線索正是研究者希望在這些實驗中得知的事情之一。

「妳問我是怎麼想出一個演算法的?」保羅說:「這過程是這樣的:妳必須了解個體在做什麼、在個體的層次怎麼和彼此互動、怎麼和環境互動──這樣就能推導出其餘的部分。這些以外的一切都是從這些初始步驟來的;如果可以預測白蟻在任何特定狀況下,嘴裡有土或需要土的時候會做什麼,就能實際建立出整個架構。」

白蟻腦中的每個簡單規則都會和其他規則彼此影響,產生我們在白蟻丘中看到的結構。這些規則經常彼此競爭,(科學家也很快指出)甚至有衝突的目標。由這些競爭因子所組成的系統,會逐漸產生出一種秩序。

保羅提出一個完美的例子:白蟻挖通道。說到這裡,正適合拿白蟻和牠們的死對頭螞蟻做個對照。尋找白蟻丘的螞蟻會用「隨機漫步」(random walk)的方式來回尋找,搜索很大一片面積。找到目標之後,螞蟻就會立刻往家裡走,告訴其他螞蟻該去哪裡(省下牠們搜索的力氣)。這是很有效率的覓食方式,不過白蟻的覓食方式截然不同。畢竟如果白蟻是用「隨機漫步」的方式在土壤中挖動覓食,回頭時就得走過整條彎彎曲曲的路徑,那樣很沒效率。或者,白蟻可以直直挖洞回家,但這非常耗費能量。想要同時兼顧兩種需求(有效率的搜索模式,以及迅速回家),就會產生分枝狀網絡的這種模式,就像我們在大白蟻屬白蟻丘裡看到的網絡。

「想取得搜尋和運送之間的平衡,這其實是最佳的辦法。」保羅說。

還有另一個例子。往通道裡走去的白蟻會受到驅動而挖掘,牠們會挖起一點泥土,搬到別處;帶了滿嘴土回來的白蟻,則通常會找地方把那些土放下。假設一隻白蟻挖起了滿嘴的土,另一隻反方向移動過來的白蟻在剛剛那隻白蟻挖出的洞旁,拋下牠的那堆泥土;跟在這兩隻白蟻之後的同伴,分別挖得更深、或堆得更高──這種不對稱情況的最終使得通道發展成了對角線的分支。分支的角度大約是五十五到六十五度──恰好是二叉狀分支網絡的理想角度。兩隻白蟻之間的競爭其實得到了最理想的結果。

科學家認為,這些動物可以接收數種不同的環境因素(土裡的溼度、土壤種類、風的紊流),並且依照這些因素來進行建築工作。許多方面而言,這和建築學恰恰相反。

「一個建築師在腦中解決了所有問題,然後做出成品。如果他確實做得很好,那沒錯,他沒蓋錯東西,省下許多力氣。」保羅說:「這些傢伙恰恰相反。牠們沒有先跑模擬,但牠們持續接觸環境,所以建造過程中有許多從錯誤中學習的機會,完成時,牠們已經盡可能的做到最好了,因為過程中持續得到環境的回饋。」

這就是所謂「以個體為基礎的系統」(agent-based system)。這系統的概念是,如果系統中的各個個體盡可能達成自己的自私目標,那麼當那個個體和與之競爭的個體接觸時,雙方之間的競爭會產生最理想的解決辦法。這系統適用於自然界各種不同的尺度,從我們身上的細胞,到物種之間的競爭。一隻白蟻在挖土,另一隻卻在丟土,就是這種情況;螞蟻和白蟻互相攻擊也是這種情況。最後兩者間會達到最佳狀態(至少達到平衡)。

「這就像我們頭腦要在種種不確定的狀況下做出決定。」透納告訴我。

不過這只是舉例方便。自然界裡,同時設法達成各自目標的個體遠超過兩個。一個成功系統會將不同功能分配給不同個體執行,各個體可以彼此整合、打造出一個條理清晰的解決辦法。所以白蟻丘這樣的系統才會稱為「衍生系統」(emergent system),而魯伯特.索爾想要做的,就是把這樣的概念帶到建築和營建工程中。目前慣行的作法是,建築師必須在腦中解決問題、達到各種不同的目標──廚房和餐廳的相對位置是怎樣、該如何設計氣流和管線、需要多少採光、需要多少材料等等──然後畫到紙上,之後忘個精光。不過建築師也是人,他們只能解決有限的變數。此外,這個計畫早在動土之前就開始擬訂了,但當時,人們對於如何在預定地點的獨特環境中進行建築工作,還沒有全盤的了解。

如果你設計出來的演算法程式,可以指定不同的個體來負責某棟住宅或辦公大樓各種不同的需求,你就能像大自然一樣設計、建造建築物。將該電腦程式植入一個或多個機器人中,它們便能在實際營造建築時,在現場即時執行程式,把不斷改變的環境因素納入考量。最後得到的建築物可能就像白蟻丘一樣可以自己重新編程,而驅動營造工作的「個體」甚至會回應、適應不斷改變的環境狀況。

大部分人認為,未來的住家應該是純白、乾淨、無菌的,好像不再有灰塵和食物污漬。但索爾想像中的未來「活」建築卻是凌亂甚至是混亂,又極度有智能、有韌性而多功能──就像白蟻丘。不過目前這樣的期待和現實之間、基礎科學和實際應用之間還有極大的鴻溝。研究人員很清楚,如果他們要彌平那道鴻溝,就得繼續發掘更多線索。

書籍介紹

本文摘錄自《仿生設計大未來:人類進步的下一個關鍵》,如果出版

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作者:阿米娜.汗(Amina Khan)
譯者:周沛郁

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Photo Credit: 如果出版

責任編輯:翁世航
核稿編輯:丁肇九

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