UCL Bartlett AD金奖 | 他们在巴院利用生物绿藻光伏发电
Bio-receptive Photovoltaics
利用绿藻光伏发电技术的建筑原型
本期我们邀请了UCL(伦敦大学学院)建筑学AD-2017的金奖得主来为我们分享他们的生物学建筑研究。除了荣获了17年的AD金奖，他们的作品还在数个展览进行展出，其有趣的生物学研究可以为建筑设计和材料研究提供许多启示。按惯例，视频在最后，欢迎收看~
成员介绍
黄芫
computational design & MPC concrete fabrication
参数化设计与镁磷混凝土建造
理论指导：Prof. Mario Carpo, The Bartlett, UCL
赵紫为
Environmental studies & Misting System design
环境参数研究与喷雾装置设计
理论指导：Oliver Wilton, The Bartlett, UCL
Hoda Eskandarnia
Species Culture & Robot
生物采集和培养与机械臂技术
理论指导：Dr Brenda Parker, Biochemical Engineering, UCL
Eleni Maria Dourampei
Bio-photovoltaics
绿藻光伏发电技术
理论指导：Paolo Bombelli, Cambridge University
导师介绍
Professor Marcos Cruz (Director)
Richard Beckett (Co-Director)
Dr Christopher Leung (Design and research engineering)
Javier Ruiz (Design and simulation)
Chris, Richard, Marcos, Selfie with Javier
BiotA 实验室介绍
BiotA Lab
Biotechnology & Architecture
这是一个创新的研究型设计平台，力图结合建筑学，生物技术与新型建造技术。我们探索建筑学领域新的参数化设计与建造模式，学习合成生物学、生物技术、分子工程和材料科学等领域的新型应用，以及这些技术如何引导我们进行基于多学科交叉的环境设计。设计的结果导向是设计一种新的物质性，新的混合技术和空前的生活形态，重新定义建筑设计和所处的建成环境。
这就要求实验室成员们具有沟通参数化设计、材料研究与建造和实验室研究的能力。成员包括RC7的学生，和同样研究相关生物方向，提供应用支持的Bartlett PhD。设计以4-5人小组为单位，每组探索一个生物技术方向，用以回应城市逐渐严峻的环境挑战。
http://www.biota-lab.com/?page_id=2069
设计背景和时间点
我们与其他cluster不一样，并不是一开始就确定了小组成员和各组研究方向的。
从9月底开学到11月初，学习Houdini FX，并以个人为单位完成一些初步的参数化设计和相关文献阅读，了解了我们之前RC7各小组的研究方向。11月到2月初，全组共同参与一个真实的项目，与Transport for London合作，在一个轻轨站与住宅区之间建造一堵生物墙，尝试消除噪音增加美观。由此获得技能：Houdini参数化设计进阶版，镁磷混凝土材料研究与建造方法，孢子类植物初步实验室培养方法，生物水凝胶配制和机械臂打印水凝胶技术。
所以在进入2月份真正开始分小组时，每个小组都带着以上习到的主要研究设计方法，进行研究方向的确定。
一些藻类在光合作用的过程中会产生微弱的电流，这些电流可以通过特定的集电技术被收集储存起来并加以后续利用。绿藻光伏发电已经在建筑上被成功的应用，例如位于德国汉堡的BIQ，将无数个储存了绿藻与营养液的透明箱体作为建筑的第二层生物反应器表皮，这些生物光伏发电组合也给建筑的运营提供了足够的电能
https://www.iba-hamburg.de/en/projects/the-building-exhibition-within-the-building-exhibition/smart-material-houses/biq/projekt/biq.html
这些箱式的生物反应器在未来建筑形态和功能上的应用毕竟有限，我们决定将绿藻光伏发电技术与镁磷混凝土建造技术、机械臂打印生物水凝胶技术结合，做出一个多材料一体化的生物反应器建筑原型。并且希望在未来的应用中，这样的原型不仅是作为建筑的表皮使用，还可以是以混凝土构件的形式出现在支撑结构中,成为一种智能生物材料组合在建筑设计中被应用。
方案
设计的核心在于多材料多技术多系统的结合
hard scaffold形态生成
首先是镁磷混凝土建造整个体系的主体，hard scaffold。我们一直在思考hard scaffold的形态，做了很多从零开始的设计，走了很多弯路，最后定方案也是因为ddl到了没法再改了才匆匆定下的。主要控制参数是考虑到藻类喜欢潮湿阴暗的环境，而且过多的太阳照射会烤干混凝土内部存的水分，影响藻类的生长，就将设计关注于增加表面的沟壑和通道，形成自遮阳体系，内部保留一个短时储水的空囊。
Section
Front
Bottom & Top
这一套coding是从前期houdini参数化设计进阶版发展而来的，涉及到differential growth，差异型生长的概念。
houdini跟grasshopper有点类似，本质上是数据组在一连串算法之后导出的结果。它更突出的一点是原始数据经过上一帧算法导出的结果，会作为下一帧算法的导入数据，继续第二轮的计算。这种与面向建筑参数化设计的软件的差异性与相似性，使得houdini作为一个动画和电影特效制作软件，也可以用作参数化设计，做出更有机的形态，毕竟生物体的生长也是一个基于上一帧的导出数据来进行下一帧生长的计算过程。
Differential growth的大致计算过程是：在二维封闭圆上重新取样，获得确定数量的点，使点与点之间距离为一个确定数值。对点进行迭代，iteration或relaxing，使它们具有新的位置，串联新的点并以一定的参数使边界平滑。整个计算过程最主要的控制参数是每个点的迭代值pscale value，这组数值可以为相同值，也可以通过计算后为一系列有关系的数组。之后将每一帧的二维结果按固定的间距竖向堆叠，由线连成面，面加厚为体，就形成了初步的形态。
形态环境筛选及建造
产生的形态有很多种，筛选的过程就加入了形态对环境参数的反应和对镁磷混凝土建造技术的要求。
绿藻喜湿喜阴，为此我们研究了基地，位于London Zoo内的一块小花园，内现存植物的种类，常绿/落叶，甚至叶形，为了得出基地四季的阴影地图，找到基地上可能的四季投影最多的地方，计划放置我们的混凝土原型。在对降水量和混凝土失水时长的研究之后，我们得出结论为了使混凝土保持潮湿，需要有一定间隔时间内的人工补水，也就出现了后续喷雾系统的设计。
之后以参数化设计产生的形态为环境分析对象，研究日照对构件的朝向、深度、自遮阳的影响，从而对上一步的形态生成提供结论依据，修改设计。
在建造方面，镁磷混凝土，Megnesium-Phosphate Cement Concrete,作为整个体系的hard scaffold，它与被广泛运用的portland cement concrete，硅酸盐水泥混凝土的区别在于，前者粘合剂的pH值接近7，更适宜藻类在表面繁殖，而后者为11。混凝土骨料的选择则多种多样，不同颜色、材料，颗粒大小等。通过骨料颗粒尺寸的选择和骨料与粘合剂的配比，可以控制混凝土体块的孔隙率，从而控制保水量和湿度，让藻类在表面生长。
混凝土建造方法与普通的原理类似，简单的形态用木板制造模板，或是复杂的形态用橡胶浇制negative mould，将刚刚配制的混凝土倒入模中，压实，等待超过4小时的凝固时间，拆模。这一步的难点在于若原始形态过于复杂，浇混凝土时会有空心，拆模了才发现；或者拆不下模；或者强行拆模，整个混凝土模型都碎了。解决方法是修改粘合剂与骨料的配比，让混凝土更坚硬；以及对casting的技术进行修改和提升，将橡胶模拆分为多层次或多块，浇模时一层层添加混凝土和橡胶模，拆模时一块块小心的拆开，保证完整性。
绿藻培养与绿藻光伏发电技术
我们从5个环境采集不同的绿藻进行筛选培养，研究不同类型的绿藻的产电效率和不同营养液对绿藻的影响。最终选择了Chlorella sorokiniana作为主要的绿藻，和3NBBM+V作为营养液。
我们将具有生物特性的水凝胶经过机械臂打印到镁磷混凝土构件表面，作为整个体系的soft scaffold。
水凝胶，hydrogel，可以根据不同的使用功能改变它的配方。我们使用水凝胶作为绿藻的直接承载体，原因是一些特定配方的水凝胶具有高度的生物兼容性，它无毒，且可以溶入氧气，二氧化碳，营养液和微生物代谢产物。而从实验室培养出来的绿藻在移植到构件表面之后一段时间内，需要水凝胶的吸水存水能力使其保持湿润的状态，和粘性以持续停留在表面上。 水凝胶的可塑性、低流动性和粘性也是作为机械臂打印材料的重要特性。这一应用也已经出现在许多医学试验中。我们经过多次机械臂测试，决定沿用上一年水凝胶组的水凝胶配方，唯独增加水的比例，以确保机械臂打印时水凝胶可以流入混凝土表面沟壑内。
有关绿藻光伏发电技术，我们得到了Paolo Bombelli的帮助，他的研究领域在生物光电效应与植物光伏发电系统。虽然光伏发电之前并未将绿藻作为电量获取对象，但理论上收集电量的系统是相似的。
diagram of roles of photobiology and electrochemistry in biophotovoltaics
https://www.bioc.cam.ac.uk/howe/members/paolo-bombello-postdoctoral-researcher-1
Layering diagrams of cathode and anode in our biophotovoltaic prototype
与电池的结构类似，区分阴极与阳极。阴极需要与氧气和水分充分接触，阳极与产电的绿藻或植物充分接触，二者相连即可测出电量。在我们的光伏发电系统中，阴极与阳极各层的材料与顺序如图。阳极是收集电量（电子）的地方，即绿藻生长的地方，所以阳极表面应该越大越好，使阳极接触到更多绿藻，从而收集到更多电子。我们使用可导电的黑色不透明碳纤维作为收集电子到阳极端的细小“电线”，所以绿藻生长的地方，下方需要有一层碳纤维与绿藻直接接触，使电子得以顺利导出。阴极的两个鳄鱼夹之间压着一张很小的铂金纸，纸一面与空气接触，一面与水接触。阴阳极都要求与湿润水凝胶接触，但阳极的碳纤维不能接触到阴极否则电量会被消除。由此阴极与阳极之间会形成电压，电压大小取决于阳极的面积和在上生长的绿藻数量。
机械臂打印与喷雾系统设计
机械臂先后用了两种系统，也因为KUKA档期问题，我们连机械臂都换了。区别在于一个将材料缸固定在桌边，每次打印完了添新的水凝胶都非常痛苦，因为这个缸为了气密性需要扭很紧,且同时智能打印一种配比的水凝胶；另一个机械头连带着材料筒一起移动，可以同时打印多种不同配比的水凝胶，缺点是很快就可以把材料耗完。机械臂在设计后期其实参与度并不高，它的特点是在一系列调试之后可以将水凝胶批量化精确打印在镁磷混凝土表面，尤其是当混凝土构件形态复杂的时候。但我们并没有所谓批量的需求，反而浪费了调试的时间（每次预约使用机械臂五天，调试就花掉了一天半）。所以机械臂在我们设计中的应用，寄希望于未来当我们的设计原型达到批量化生产的需求的时候，机械臂可以很大程度上减少我们的生产工作量。
bpro开展前的一周有个biotallinn双年展的ddl，我们突然面临几个问题，如果是展览的环境而不是London Zoo，我们的构件要怎么站起来，如果志愿者忘记给构件喷水，整个系统会不会因为缺水而失败。所以决定增加设计一个喷雾固定系统，使构件可以站起来，同时自动喷雾保持表面湿润。大致概念是盛水的托连同固定装置固定在底盘上，水泵放在托里，持续向悬在顶部的喷嘴泵水，水泵每隔一段时间启动，保持构件原型表面持续湿润。
http://2017.tab.ee/biotallinn/
整套系统在biotallinn时间点过后的一周内再次被建造出来，在bpro上得以展出。
反思展望
我们的设计除了bpro show，还参与了以biotallinn为主题的爱沙尼亚塔林建筑双年展和在Brooklyn, New York的Biofabricate年度峰会。规模不是很大，都是有关新型生物材料，生物建造技术与应用的探讨。
https://www.biofabricate.co
过了几个月再次回看过去这一年的工作，想起Javier跟我说的，我们的项目不是因为做的完美而得奖，而是因为那么多因素可以顺利的结合起来，缺一块都不行。每个组员都在负责不能缺少的一部分，虽然稍有遗憾那些千辛万苦培养的绿藻，也就产生了那么几毫厘的电压，但我们毕竟把它们组装起来了，这是一个好的开始。
视频