@ 2015.09.10 , 16:00
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向白蚁学习建筑中的独特通风方式

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就动物建筑师来说,平凡的白蚁并没有多少工具可供它们处置:只有自己的身体、土壤和唾液,加上作为指导的风速和风向变化,以及伴随日出日落的温度波动。

尽管有这样的限制,这些微小的昆虫成功搭建出了高效通风的建筑结构——这是你们人类建筑师仍在苦苦挣扎着的一个挑战。

由哈佛大学应用数学、有机及进化生物学和物理学Lola England de Valpine终身教授Lakshminarayanan Mahadevan(像TBBT的Raj一样,我们就叫他Mah好了)领导的研究团队,包括在他实验室打工的博士后研究员Hunter King,研究生Samuel Ocko,首次描述了白蚁丘如何通风的细节。该研究揭示出蚁丘结构作用类似于肺,每天随着加热和冷却呼吸一次。八月三十一日的《美国国家科学院院刊》上一篇论文描述了该研究。

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“直接测量基本上推翻了该领域中的传统智慧,”Mah说道,“经典理论是,如果有风吹过蚁丘,就会改变压力,导致从内部吸出二氧化碳……但这从来没有被直接测量过。我们在蚁丘内部不同位置测量了风速和风向,我们测量了温度、二氧化碳浓度……并发现与日夜更替相关联的温度振荡能够以类似肺的方式驱动通风。因此可以这么说,蚁丘每天‘呼吸’一口气。“

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Mah五年多在前参观印度国家生物科学中心时第一次接触到白蚁丘,并惊讶地发现关于蚁丘如何运行的很多想法都没有经过严格的测试。

与美国纽约州立大学环境科学与林业科学副教授、一本研究动物建造结构的书作者Scott Turner合作,King和Ocko提出一个计划去寻找更多答案。

King说:“我们认识到,不同的潜在机制所预测的内部流动分布在定性上就不一致,通过直接测量,我们可以很容易地找出哪个是正确的,而困难的部分是弄清楚如何灵敏地测量由排泄黏胶和泥浆的白蚁所守卫的密闭空间里的微小气流。

使用一系列的定制设计的探针,King和Ocko在印度花了几个星期时间,在活跃和死亡的蚁丘上进行各种测试,包括在白天和晚上测量温度读数、用油布覆盖蚁丘、用气流吹它们,甚至用吸尘器测试吸力。

“经过几个月的艰苦思考和准备,这一切都归结到在凌晨4点提着笔记本电脑、灯笼、定制电子设备、和一把孔锯徒步穿过树林。”Ocko说,“但‘啊哈’的时刻让这一切都是值得的。”

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他们鉴别出的机制在很大程度上依赖于蚁丘本身的结构。

蚁丘围绕着中央的大型“烟囱”建造,它从走廊——蚁群的大部分生活所在的地下洞窟——延伸到蚁丘顶部。虽然蚁丘内部有着较大的结构墙体,外部的墙则要薄得多,虽然不透风,但允许气体交换。

Mah解释道,在一天中,当阳光直接或间接加热蚁丘外墙,内部空气变热,导致它上升。

“你就得到一种对流单体,温暖空气不能足够快地穿过墙壁,但它必须有某个地方可去,而唯一的去处是通过中央烟囱向下进入内部。在夜间,随着外部冷却下来,气流逆转,就从蚁丘中央部位把空气抽上来。”

最终结果是,Mah说,虽然蚁丘中心的CO2浓度在白天可以达到4至5%,夜间气流会把气体抽到外墙,在那里它可以通过扩散穿过墙壁逃逸。“但真正了不起的是白蚁如何利用瞬态,蚁丘外部的温度在振荡,而它们发展出了一种方法来利用它给蚁丘通风。”

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该研究首次揭示白蚁丘真正是如何工作的同时,也许也能提供人类建筑师可以从中受益的教训。“在一个大型建筑物里,我们有门窗,允许我们有一定的隔离和隐私,但这也意味着把空气从建筑的一部分推动到另一部分会更困难。”

虽然设计可以更有效地通风建的筑物并不是新的概念,这项研究中所描述的原则也许能提供被动通风系统的新思路。

“通过机智地开关门窗,你能驱动气流通过大规模建筑吗?”Mah问道,“而不是花费大量能源在每个房间的风扇和空调上,结果却是有些人热死,有些人冷死……也许我们应该把整体看作是一个系统,而这些新的测量表明,如果建筑架构合理,通风可以利用环境瞬态而发生——这是发人深省的。”

本文译自 phys,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。

More information: Termite mounds harness diurnal temperature oscillations for ventilation, Hunter King, DOI: 10.1073/pnas.1423242112


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TOTAL COMMENTS: 15+1

  1. 大粪奇
    @2 years ago
    2927406

    好想上去踹一脚啊~

    [15] XX [8] 回复 [0]
  2. 2927417

    小时候看动物世界,最后一幕是大象拿破败的白蚁窝蹭屁股,莫名一阵伤感。

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  3. 豆角
    @2 years ago
    2927418

    几何形的人类建筑终将被取代

  4. 神响
    @2 years ago
    2927439

    作为一个专业的暖通工程师。我必须说,人类的发热量和白蚁是不同的。人类是用设备的,白蚁是没有设备的。人类的楼层不在地表附近层,人类的建筑要去到几百米高空。谢谢。

    [16] XX [17] 回复 [0]
  5. 神响
    @2 years ago
    2927440

    还有一个。人类舒不舒服的程度。和白蚁是完全不同的。

  6. 沐风
    @2 years ago
    2927458

    @大粪奇: 然后被蚂蚁追杀半个草原

  7. 曲美缝
    @2 years ago
    2927461

    据说白蚁其实是一种蟑螂…

  8. 没吃早饭
    @2 years ago
    2927486

    对普遍存在夏天空调打十八度盖毛毯的大杀哔,就算住在高科技白蚁屋,内环境还不是分分钟崩掉。

  9. dollarchen
    @2 years ago
    2927499

    博士后Hunter King
    我就注意到这个好名字

  10. 帅大鹏
    @2 years ago
    2927598

    白蚁实际上算是蟑螂的一种

  11. 2927772

    @神响:因为你是一个工程师而不是科学家,你习惯拿着已有的技术实现东西,而并不习惯创作新事物。 人类当然跟白蚁不同。但这篇文章并不是在说人类应该采用蚂蚁的技术。而是鼓励人思考仿生学的设计,这是科研创新的思路,并不是直接抄袭蚂蚁的设计。
    仿生学应用的领域有很多,每一种动物的运行条件基本都人类的运行条件要求差太多,但我们还是能从它们给的灵感里创造出适合我们的运行条件的技术。
    一个东西,它不能直接用来为我们工作,不意味着它没有价值。

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  12. Enycin
    @2 years ago
    2927791

    @神响: 你只是没有理解什么是仿生学

  13. 画个圈圈
    @2 years ago
    2928270

    @神响:

    专业的暖通工程师?! 呵呵
    利用一些设备来赚钱的家伙,没什么好说的。 为赚钱而赚钱的,拿现成的图纸,对比设备功率,安放而已。

    白蚁的是建筑学,需要人类的建筑设计师 去模范,而不是什么 暖通工程师,尤其现在国内的。什么混钱的东西啊!

  14. 2928362

    暖通工程师! 安装师?

  15. sherlock
    @2 years ago
    2933014

    好想看白蚁大战黑蚂蚁

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