2024-06-04 项目概述 与伦敦大学学院（UCL）的CT影像实验室合作，旨在通过CT扫描和成像技术对牛蒡（Arctium lappa）的内部结构进行深入研究，并将其应用于设计创新。本项目的主要目标是：探索和理解牛蒡内部结构：通过CT扫描技术，深入分析牛蒡根系和组织的三维结构，揭示其生物学特性和功能。从牛蒡的自然结构中汲取设计灵感，应用于各类设计项目，例如建筑设计、工业产品设计和生物医学工程等领域。 项目通过高分辨率的计算机断层扫描（CT）技术和先进的三维重建技术，我们能够非侵入性地观察和分析生物体内的微细结构，从而揭示其复杂的内部构造和功能。从牛蒡的生物结构中汲取灵感，探索新的设计可能性。技术方法CT扫描：使用先进的CT扫描仪对牛蒡样本进行扫描，生成高分辨率的三维图像数据。CT扫描能够非侵入性地捕捉到牛蒡内部的微细结构，确保数据的完整性和精确性。三维重建：利用专业的图像处理软件对CT扫描数据进行处理和三维重建，生成精确的数字模型。这些模型能够展示牛蒡内部的复杂结构和功能特征。 我们期望通过本项目，不仅能够深化对牛蒡这一生物体的结构和功能的理解，还能在实际设计中应用这些自然启示，开发出具有实际应用价值的创新产品和解决方案。推动生物学与设计学的紧密结合，为未来的设计创新提供新的思路和方法。。该项目不仅在技术上具有挑战性和前沿性，也在跨领域合作上展示了极大的潜力。我们期待通过此项目，不仅深化对生物结构的理解，还能开拓出新的设计方法和应用领域，推动生物学、医学和设计学科的共同进步。 Hitchhiker——Arctium lappa (牛蒡)牛蒡（Arctium lappa L.）是一种药食同源植物，俗称牛蒡或牛蒡，属于菊科。牛蒡是一种具有丰富内部结构的植物，其复杂的根系和组织构造为我们提供了独特的研究和设计灵感来源。牛蒡，作为一种传统药用和食用植物，具有丰富的生物学和结构学特性。通过对牛蒡进行高分辨率的CT扫描，我们能够获得其内部细节的三维图像。这些图像数据不仅揭示了牛蒡干花的内部结构，还展示了其内部组织和维管束系统的排列方式。 Get Started 搭便车植物有些植物长有钩和倒钩，可以钩住路过的动物的皮毛或羊毛。这使它们能够传播到新的地区，甚至跨越到其他大陆，因此它们被统称为“搭便车植物”。 独特结构牛蒡花头内部的刺和花瓣形成一个球形外壳，包裹着种子。钩状刺很容易附着在路过的动物的皮肤、毛皮甚至羽毛上，然后将种子带到动物游荡的任何地方。通过沿着动物宿主的路径掉落，种子也更有可能种植在刚施过肥的土壤中，从而提高它们成功发芽和长成成熟植物的几率。 生物策略•“球形萼片由许多狭窄的鳞片组成，每个鳞片顶端都有一个小的内弯钩，当整个萼片装满成熟的种子时，它很容易从茎上分离出来，抓住路过的动物的毛发，将种子散播到广阔的区域。”（Smith 和 Sowerby 1804:1228）•“牛蒡分布广泛，部分原因在于其种皮具有独特的形态，种皮上有粘性刺，可以很容易地附着在皮肤、毛皮和羽毛上，使动物能够散播种子。”（Norquay 等人：339） 学术研讨Andy Lomas、Assa Ashuach和Rob Kesseler是跨学科的艺术家和设计师，他们在生物启发设计领域有丰富的经验。在研讨会上，分享他们在相关领域的研究和设计经验，探讨生物启发设计的思考和创新实践，以及跨学科合作的重要性和价值。 扫描过程记录通过CT扫描和成像技术，我们能够详细了解牛蒡的内部结构，并将其与现代设计相结合，探索新的设计可能性。该项目不仅展示了自然结构在设计中的巨大潜力，还推动了科学研究与设计创新的跨学科融合，为未来的设计提供了新的视角和方法。 CT扫描和三维重建放置样本：将预处理好的牛蒡样本放置在CT扫描仪的样本台上，确保样本在扫描过程中不会移动。参数设定：根据样本的大小和研究目标，设定适当的扫描参数，包括扫描分辨率、能量水平和扫描速度。扫描过程：启动扫描仪，X射线源绕样本旋转，同时探测器记录透过样本的X射线信号。通过多角度的扫描，获取牛蒡内部结构的切片图像数据。图像重建：利用专业的重建软件（如VGStudio、Avizo等）对切片图像数据进行处理，重建牛蒡的三维结构。重建过程中需要应用滤波和校正算法，以提高图像的清晰度和准确性。三维模型生成：将重建的图像数据转化为三维数字模型，展示牛蒡内部的细节结构。 三维重建详细分析三维模型，研究牛蒡的内部结构特征，如维管束排列、细胞组织分布等。通过对这些结构的理解，识别其在功能和设计上的潜在应用价值。 CT扫描使用高分辨率CT扫描仪，对牛蒡样本进行非侵入性的扫描，获得其内部结构的详细图像。 数据处理利用专业软件对扫描数据进行处理，生成高精度的三维模型。这些模型将展示牛蒡内部复杂的网络和功能结构。 结构分析与设计启发 这些模型将展示牛蒡内部复杂的网络和功能结构。将牛蒡的自然结构特征与设计需求相结合，探索新的设计理念。例如，牛蒡的维管束系统可以启发高效液体输送系统和耐用机械部件的设计，推动流体动力学和材料科学的创新。网络结构和强度特性为轻量化和高强度建筑材料的开发提供了灵感。 牛蒡内部结构的切片图像数据 利用专业的重建软件（如VGStudio、Avizo等）对切片图像数据进行处理，重建牛蒡的三维结构。重建过程中需要应用滤波和校正算法，以提高图像的清晰度和准确性。 Unleash the Power结构分析详细分析三维模型，研究牛蒡的内部结构特征，如维管束排列、细胞组织分布等。通过对这些结构的理解，识别其在功能和设计上的潜在应用价值。 物体扫描 数据处理 图像预处理 三维重建 图像重建利用专业的重建软件（如VGStudio、Avizo等）对切片图像数据进行处理。将多角度的切片图像数据综合处理，生成牛蒡的三维结构。重建过程中需要应用滤波和校正算法，以提高图像的清晰度和准确性。利用仿真软件对牛蒡的结构特性进行模拟，验证其功能和性能。 数据处理与图像重建在扫描的不同阶段，获取并存储切片图像数据，确保完整记录样本的内部结构变化。利用图像分析软件，量化并分析牛蒡内部结构的特征数据，提取重要的结构信息，如纤维网络和维管束分布。 将重建的图像数据转化为三维数字模型，展示牛蒡内部的细节结构。 图像预处理进行噪声过滤和图像校正。利用专业的重建软件（如VGStudio、Avizo等）对切片图像数据进行处理。重建过程中需要应用滤波和校正算法，以提高图像的清晰度和准确性。 三维重建将重建的图像数据转化为三维数字模型，展示牛蒡内部的细节结构。将多角度的切片图像数据综合处理，生成牛蒡的三维结构。数据校验，检查重建的三维模型，确保精度和完整性。 仿真模拟和结构分析对三维模型进行详细分析，研究牛蒡的内部结构特征，量化并分析牛蒡内部结构的特征数据，提取重要的结构信息，如维管束排列、细胞组织分布等。利用仿真软件对牛蒡的结构特性进行模拟，验证其功能和性能。例如，模拟液体在牛蒡维管束系统中的流动情况，分析其传导效率。 种子与果实（Achenes）牛蒡的花在受精后形成单粒坚果（achene），每个果实包含一粒种子。果实表面具有细小的毛刺，帮助其附着在动物身上进行传播。果实顶端保留冠毛，形成冠毛果（pappose achene），有助于风力传播。 总苞片（Involucral Bracts）总苞片是包裹在头状花序外部的叶状结构，在牛蒡的干花中，通常为硬质，具有刺状突起，有保护作用。总苞片的排列方式为螺旋状或覆瓦状（imbricate），不同层次的苞片大小和形态略有差异。 维管束系统（Vascular Bundle ）牛蒡花的维管束系统在花梗（peduncle）和花托（receptacle）中清晰可见，负责运输水分和养分。维管束系统由木质部（xylem）和韧皮部（phloem）组成。 头状花序（Capitulum）牛蒡的花序属于头状花序，呈伞房状排列。头状花序的基本单位是小花（floret），每一个头状花序由多个小花组成。头状花序外围由总苞片（involucral bracts）包裹，总苞片排列成层，保护内部的小花。 小花（Florets）每个头状花序包含多个小花。花冠（Corolla）：牛蒡的小花花冠为合瓣花冠，呈管状（tubular）。花冠颜色通常为紫色或粉色，干燥后可能变成棕色或灰色。花萼（Calyx）：花萼在牛蒡小花中退化，形成冠毛（pappus）。冠毛在花的果实阶段有助于种子的传播。雄蕊（Stamens）：每个小花有5枚雄蕊，花药（anthers）聚合形成一个环状结构（syngenesious anthers），围绕花柱（style）。雌蕊（Pistil）：雌蕊由子房（ovary）、花柱（style）和柱头（stigma）组成。子房下位，花柱延伸出花冠，柱头呈双裂（bifid）。 花托（Receptacle）总苞内部，托住整个花序。花托组织（Receptacle Tissue）：花托是头状花序的基部结构，支持和连接所有小花。其组织密度较高，提供坚固的支撑。维管束（Vascular Bundles）：在花托内分布，负责向小花输送水分和养分。由木质部和韧皮部组成。 不同结构的应用潜力通过横切分析，通过对牛蒡干花进行横切，从上到下详细分析其内部结构，可以发现这些结构在自然界中的功能和优势。可以从牛蒡干花的各个结构中汲取设计灵感。例如，总苞片的螺旋状或覆瓦状排列可用于设计轻量化且坚固的结构设计，以及模块化单元的设计，提高产品稳定性和美观性。。 旋转对称性和镜像对称性This is a flexible section where you can share anything you want. It could be details or some information about your service one. 调控孔隙通过调节疏密排列，可以控制孔隙大小和分布，实现对特定物体（气液固）的高效分离，以及实现对特定物质的高效吸附和储存。 周期性的排列结构疏密排列结构具有多种功能，可根据不同需求设计和调控。可以通过调整排列方式和材料参数，精确控制结构的疏密程度和尺度。 结构多样性可以采用不同形式的排列方式，如网格、球形、多面体等，形成多样化的结构。 Grasshopper参数化建模 结构形态和特性的参数孔隙直径、间距、形状、排列方式等。据设计需求和目标快速生成不同形态和特性的结构，并对其进行分析和优化。对结构进行进一步的发掘和探索。 参数化优化和分析明确想要实现的结构特性和功能，如孔隙大小、密度分布、材料选择等。通过调整参数值，生成不同形态和特性的结构，利用模拟和仿真技术对不同结构进行分析，并评估其性能。 牛蒡花序中种子分布规律启发的metaball参数化建模 基于种子分布规律的参数设定和三维建模根据牛蒡花序中种子的分布规律，设定metaball模型的参数，如大小、密度、位置等。利用metaball技术构建三维模型，模拟牛蒡花序中种子的排列方式和形态。 参数调整和优化通过调整metaball模型的参数，优化模型的形态和特性，使其更加符合设计目标和要求。利用仿真和模拟技术对优化后的结构进行分析，评估其力学性能、稳定性等。 参数化模拟和应用潜力仿真模拟倒钩结构的形成和作用机制，通过优化牛蒡花萼和冠毛的倒钩结构并探索其应用潜力，为生物学研究提供参考和启发，探讨种子传播和植物生长的机制。将优化后的结构应用于工程领域，如建筑设计中的支撑结构、交通工具中的轻量化部件等。 花序中小花单元花冠啮合结构启发花托上分布的多个小花形成了堆叠和组合结构。它们的结构和形态相互作用，从而形成种子传播和生殖的机制。利用花托上小花的啮合逻辑设计微结构表面，可用于改善微机械器件的性能。有助于改进表面粘附技术，设计出具有特定功能的表面材料。发现其在多个领域的潜在应用价值，为创新设计和科学研究提供新的思路和方法。
