笪娟娟　肖康

摘 要：本文通过调查环巢湖三个国家湿地公园的夏候鸟和留鸟种群数量以及栖息地环境、天然巢的形态、人工巢的使用等，深入研究该区域天然巢的多样性特征，选取三个具有代表性的鸟巢，分别为灰喜鹊营建的树干巢、灰头绿啄木鸟营建的洞巢和家燕营建的建筑巢。通过总结营巢方法、巢材构成、巢穴尺度、巢盘特征及营巢树种等，探索如何基于3D打印技术进行仿生人工鸟巢的设计，提出适宜的设计方法。包括设计原则、材料选择、模型构建、色彩设计等，为环巢湖湿地鸟类种群保护与科学管理提供相关依据。

关键词：环巢湖；湿地；3D打印；人工鸟巢；设计

中图分类号：S769；TS853  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2023）04-0016-04

自然界的鸟巢形态多种多样，大多数鸟类依据营巢地点，选用适当材料，如树枝、树皮、树叶、枯草、泥土、蛛丝、青苔、羽毛，甚至蛇蜕等营造出可使鸟卵不致滚散，且有利于亲鸟孵化和喂雏的巢。天然鸟巢的营建并非是一件易事，鸟类要经过成百上千次衔取巢材，少则几天，多达数月方能完成鸟巢的营建。如喜鹊夫妇需要经过三期“工程”，第一期“工程”用粗大树枝搭出鸟巢骨架，第二期“工程”用泥土涂抹树枝缝隙之间，同时不断加固鸟巢结构，第三期“工程”用更多的泥土和干草填塞在鸟巢内侧，围成大约5厘米厚的泥盆，待泥盆干燥后，再把各种柔软材料铺在泥盆表面，总耗时长达1个多月。即便如此，绝大多数的鸟类一旦进入产卵期，就开始营建各自的巢。然而，尽管鸟类筑巢范围广泛，但由于栖息地生态环境变化，有时也会难以找到合适的住处，如空心古树的消失会直接影响次级洞巢鸟类（包括大山雀、沼泽山雀、灰椋鸟等）筑巢。环境污染使得鸟类利用人造材料营巢，如大嘴乌鸦将铁丝衣架弄弯卡在树上代替树枝筑巢，暗绿绣眼鸟使用人类丢弃的塑料绳来筑巢。使用这些材料筑巢的鸟类，其幼鸟很可能会有误食或被缠绕的危险，从而降低繁殖概率。

在我国，人工巢研究实验多采用宋杰提出的巢箱模型，主要集中于个体繁殖生物学以及虫害、鼠害控制等方面[1]。人工巢的类型多为巢洞型，使用对象较为单一，对其他鸟巢类型关注较少。本文通过对环巢湖三个湿地的天然鸟巢多样性进行分类研究，选取具有代表性的典型鸟巢样式，结合3D打印技术原理，进行仿生人工鸟巢设计研究。

1 研究区域概况

本项目研究地点为环巢湖三个湿地公园，包括巢湖半岛国家湿地公园、巢湖柘皋河省级湿地公园以及巢湖槐林省级湿地公园。三个公园呈现带状沿巢湖分布。其中，巢湖半岛国家湿地公园位于巢湖北部，由花塘河湿地、烔炀河湿地、鸡裕河湿地以及沿湖滩涂组成。柘皋河省级湿地公园，地跨中垾镇、夏阁镇和柘皋镇，由柘皋河河道和巢湖沿岸湿地及龟山区域组成。巢湖槐林省级湿地公园位于巢湖南部槐林镇，东靠高林河入湖口处，北至朱家岗西侧，西至兆河东侧大圩埂，南至兆河大桥东侧。三个湿地公园目前都规划了湿地保育区、恢复重建区、科教宣普区、管理服务区和合理利用区。

在2020年7月—2021年6月，对环巢湖三个湿地公园的鸟类种类、数量和生境因子进行了调查，共记录鸟类15目，49科，157种。其中，能够在湿地公园中繁殖营巢的夏候鸟和留鸟，包括国家Ⅱ级重点野生保护鸟类9种，安徽省重点野生保护鸟类16种，国家“三有物种名录”保护鸟类41种。共66种。本文服务对象将围绕25种重点野生保护性鸟类进行研究，对其巢穴类型进行分类，并选取三个典型鸟巢样式深入探索人工鸟巢的设计。

2 天然巢的形态特征

2.1 五种天然巢类型及其营巢鸟类名称

天然巢根据营建地點的不同，可分为五种类型。其中营建在地面上的巢穴称为地面巢，通过对环巢湖三个湿地中25种重点野生鸟类巢穴营建调查，发现营建地面巢的鸟类只有1种，为环颈雉；营建在树干或者草茎中的巢穴，称之为树干巢，在三个湿地中，营建树干巢的鸟类共14种，分别是赤腹鹰、松雀鹰、黑翅鸢、黑鸢、灰喜鹊、暗绿绣眼鸟、红嘴蓝鹊、小鸦鹃、黑枕黄鹂、斑嘴鸭、画眉、红尾伯劳、棕背伯劳；利用空心朽木或啄洞为巢的将其称之为洞巢，该区域中营建洞巢的鸟类共5种，分别是星头啄木鸟、红隼、大斑啄木鸟、白胸翡翠以及灰头绿啄木鸟；将巢搭建在水面浮叶上的称之为水面浮巢，该区域营建水面浮巢的鸟类只有1种，为水雉；将巢穴营建在建筑檐下的称之为建筑巢，该区域筑巢的鸟类共2种，分别是家燕和金腰燕。这些鸟中还有3种不营巢，将卵产在其他鸟巢中，分别是大鹰鹃、四声杜鹃和噪鹃。

2.2 三种典型鸟巢的巢穴特征

鸟巢具有保护卵和雏鸟发育的作用，是依托于特定的巢树、巢枝而形成的物理环境。一个天然巢的营造需要综合考虑筑巢亲鸟的形态和行为特征。一般来说，巢的大小主要由亲鸟体型决定[1]。天然巢的形态多变，根据《世界鸟巢图鉴记载》，包括碗状巢、杯状巢、球状巢、半球状巢、梨状巢、袋状巢、编织巢、树洞巢等。对不同鸟类而言，所构筑的巢穴不同，天然巢的材料组成、构建方法、巢穴尺度、巢盘特征也都不相同。以灰喜鹊巢、灰头绿啄木鸟巢、家燕巢为例，其特征如表1所示。

3 人工巢箱的使用

鸟类招引可为自然界鸟类提供适宜的居住环境，增加鸟类在恶劣气候环境中的生存几率，同时也降低了野猫、黄鼬、蛇类等天敌对鸟类的危害，使其有安全的场所营巢，进而增加鸟类数量，抑制害虫的发生，形成良性循环[2]。传统人工巢箱的设计多以人类视角考虑鸟类生存的必要功能，但由于技术限制或者造价成本等问题，人类为鸟儿制作的巢穴，往往忽略了服务对象的大部分需求，如不同鸟类的行为特点、形体特征、巢箱形态等。因此，在以往的人工巢箱设计中，通过研究发现，只有次级洞巢鸟对人工巢箱的接受程度最大，其他鸟类使用人工巢箱的可能性较小。在巢湖半岛三个湿地公园常见的人工鸟巢是以木板构建的小型巢箱和椰子壳构建的小型巢洞为主。能满足部分小型洞巢鸟繁殖需求，如大山雀、麻雀以及啄木鸟科等鸟类。从整体上说，招引种类受限程度较高。同时，由于气候环境影响，巢箱常年曝晒或雨水侵蚀，巢箱易变形腐朽损坏，整体利用率较低。

4 基于3D打印技术的人工巢箱设计研究

目前，我国对于人工鸟巢的研究工作处于基础应用阶段，主要用于繁殖生态学的监测和调查，没有真正把人工鸟巢作为保护措施深入开展人工鸟巢设计的系统性研究[3]。在2019年，美国加州大学伯克利分校建筑系教授帕兹·古塔蕾斯带领的学生团队，利用3D扫描、3D打印技术及机械编织工艺，制作了一个大型的织巢鸟鸟巢。这一系列研究使得利用3D打印技术设计人工鸟巢成为可能，且对该领域未来发展起到引领作用。

4.1 3D打印技术对于人工鸟巢设计的可行性分析

3D打印技术凭借其微米级精度和加工复杂三维结构的技术优势，在微结构成型领域有巨大应用潜力[4]。天然鸟巢结构复杂，以灰喜鹊为例，浅盘状的外轮廓由几百上千根枯树枝堆集而成，再用大量的枯草叶及草茎将枯树枝缝隙填补，使得巢穴更加稳固，最后在内部垫以枯叶、苔草、兽毛、麻、树皮纤维等材料，用以巢穴保温。3D打印技术有效地解决了人工鸟巢的外部结构问题，通过模型制作模拟不同鸟类的巢穴形态。因此，无论是浅盘巢、碗状巢还是颈瓶状巢穴，3D打印技术都能还原天然巢的外形和结构。其难点在于人工鸟巢模型构建以及3D打印材料选择等，这成为3D打印技术在人工鸟巢设计中的关键。

4.2 基于3D打印技术的人工鸟巢设计原则

4.2.1 形态仿生原则

形态仿生是人类模拟自然界事物进行再设计时常用的方法，传统人工鸟巢的形态设计往往将巢穴设计成房屋形状，事实上，人类设计的“房子”巢箱鸟儿是否喜爱是个问题，实验数据表明，麻雀对此类人工巢箱的适应程度较好，入巢率可达60%左右，大山雀入巢率约为35%，而红角鸮的入巢率仅为16%左右。且均为洞巢鸟，其他鸟类几乎不入住“房子”巢箱。为突破这一局限性问题，在人工鸟巢的设计上应进行形态仿生，还原鸟类喜爱的巢穴样式和造型、尺度、色彩等。最大限度地吸引不同类型的鸟类使用人工鸟巢，使鸟类保护方式更为有效多元。

4.2.2 分类设计原则

自然界的鸟巢形态丰富多彩，大小不一。在对人工鸟巢进行设计时，应将自然鸟巢按照类型、尺度、建造方法进行分类。分类本身是一种信息组织与呈现方式，其合理性取决于人们是否容易理解，且能够有效区分。因此，对于自然鸟巢的调研工作必不可少。分类后，对每种类型的鸟巢设计出1-2个典型模型，再根据实际使用情况和鸟类使用偏好进行设计调整。

4.2.3 生态安全原则

安全性是鸟类在选择营巢地点时重点考虑的首要问题，鸟卵和雏鸟是许多蛇类及其他动物的天然美餐。因此，人工鸟巢的设计要有足够的安全稳定、扎实坚固，能够阻挡外界各类环境因素的刺激，材料须易于维护、不易腐烂等。同时，传统鸟巢大多取材于自然环境，材料安全可靠，在进行人工鸟巢设计时，同样要选择环保材料，避免对鸟卵产生刺激，增加其成功孵化的可能性。

4.3 基于3D打印技术的人工鸟巢设计方法

4.3.1 材料选择

人工鸟巢材料选择对于整体设计而言至关重要，我国目前常见的材料有木板、椰子壳、竹筒、油毡纸、瓦罐等。由于新技术新材料的出现，也可以在人工鸟巢设计上探索更多可能。随着3D打印技术的发展，材料也越趋多样化。包括金属材料、工程塑料、陶瓷粉末、光敏材料甚至是水泥、岩石、纸张、木材、盐、糖等。熔融沉积技术（FDM）是近年来用途非常广泛的一种三维打印技术，采用的材料包括ABS塑料、PLA塑料等。人工鸟巢的使用对象通常为湿地中的野生鸟类，对原材料的环保特性、可降解性、无毒无害等方面要求较高。PLA材料，有极其良好的生物可降解性和生物相容性，降解后只產生二氧化碳和水，不会对环境产生污染，是公认的绿色高分子材料。该种材料适合环巢湖人工鸟巢中的树干巢及建筑巢的设计制作，而针对洞巢的设计则可采用3D打印中的木质材料进行设计。首先研磨木材成粉末，然后与硅酸钠、水泥、纤维素、石膏、塑料和粘合剂混合制成细丝。其优点是成本较低，生物粘合剂和木粉结合可有效减少对环境的污染，且这种复合木材相对于纯木材更为结实耐用。

4.3.2 模型构建

树干巢：依据树干巢中灰喜鹊鸟巢的自然形态，其结构为浅盘状或平台状，采用细枯枝围绕堆集形成，外径170-180mm，内径110-120mm，高200mm，深0-70mm。设计时，使用CINEMA 4D进行人工鸟巢模型制作。该模型设计要点一是模拟树枝搭建形态，二是构建浅盘状巢穴造型。要解决这两个问题，第一步，需要设计鸟巢的构成要素——细枯枝。利用摆线制作天然鸟巢的单个细枯枝的弧度与造型，通过添加圆环来控制细枯枝的粗细，最后通过缩放控制细枯枝起始段和末端的大小，尽量还原细枯枝的原始形态。通过复制细枯枝，并调整其粗细、长度、造型等，完成几种类型造型的细枯枝设计。第二步，根据天然鸟巢的外径、内径、深、高等，利用圆柱体，通过上下表面缩放及复制操作，设计树干巢基础的碗状或盘状造型。第三步，点击运动图形添加克隆，框选设计好的细枯枝添加为碗状巢穴的子集。第四步，调整对象属性，运用表面体积分布、图形效果器中的随机效果克隆，调整合适的数量和参数，如图1所示。

洞巢：依据《世界鸟巢图鉴》一书中对于啄木鸟洞巢造型的介绍，其洞穴洞口为圆形，直径为50-60mm，内部则为圆柱状，内径为130-150mm，深度可达240-420mm。灰头绿啄木鸟喜爱在木材腐朽的树干上筑巢。考虑其鸟巢特性，设计时需解决三个问题，第一，模拟原始树干。利用SKETCH UP模拟树干形态和表皮纹理设计一段树干造型。第二，根据灰头绿啄木鸟巢穴形态特点，设计巢穴的具体造型。分为洞口及巢身两大组成部分，洞口设计为口径60mm的圆形，巢身则设计为内径150mm，深度300mm的圆柱体，圆柱体的上下两端根据巢穴形态特点稍做收口处理。之后再将洞口与巢身相连接，删除交接处多余模型部分。第三，将设计好的巢穴放置树干中，这一步需要确定两个模型位置，利用模型交错，让巢穴在树干中交错显示相应形态，再将该形态删除，便可得到镶嵌在树干内部的灰头绿啄木鸟巢穴，如图2所示。

建筑巢：依据自然界家燕巢形态为设计对象，并分析其巢穴特点。家燕通常营巢于檐下，既可以遮风避雨又能在一定程度上躲避蛇类天敌。随着现代化进程推进，城市中大量人字形双坡屋顶被拆除，原本带有宽大屋檐的建筑也被高层取代。光滑的外立面使得家燕巢的附着能力变差。家燕巢在城市中变得难以寻觅。因此，结构设计要考虑檐长度、檐下挡板组合形式和挡板宽度[5]。家燕倾向于三板式檐下结构单独繁殖[3]。该模型设计步骤与灰喜鹊鸟巢模型类似，利用C4D软件，先设计家燕巢的组成部件，不同尺寸的泥点及组件鸟巢的植物纤维。再根据家燕巢的身体尺寸，利用矩形与二分之一圆柱设计家燕巢的檐下挡板及鸟巢的造型。运用表面体积分布、图形效果器中的随机效果克隆，调整合适的数量和参数，尽可能还原原始家燕巢穴的形态。利用该方法设计的人工巢模型外观真实，尺寸准确，结构坚固，于后期的打印和使用而言，可操作性較强，如图3所示。

4.3.3 基于3D打印技术的人工鸟巢色彩设计

目前，3D打印上色技术主要有两种，一种是以单色打印为主，后期经过打磨、修补、喷漆上色，另一种则是使用彩色打印机打印。常见的PLA、ABS、尼龙、光敏树脂材料都为单色打印。根据需要使用有色耗材打印，也可以在后期进行色彩喷绘，但需要注意的是人工鸟巢的服务对象为野生鸟类，其安全性尤为重要，普通喷漆技术会有三废排放以及重金属超标问题，应使用环保纳米喷镀技术进行上色。天然鸟巢的色彩多为灰色、暗绿色、棕色或棕褐色。这是由于鸟类多使用其生存空间场地的材料进行巢穴营造，便于与周围环境相融合，躲避天敌和进行伪装。因此，在人工鸟巢的色彩设计上，其外表面应根据鸟巢安置地点环境颜色进行色彩选择。而内壁则不宜喷涂颜色，应保持原材料的特点，避免影响鸟类的生命安全。

5 结语

目前，3D打印技术以其具有的数字化、智能化、个性化特点，被广泛运用到工业制造、生物医学、建筑工程、教育教学等各个领域，并发挥了巨大作用[6]。将其运用于野生鸟类的保护设计中，虽具有一定难度，如鸟巢结构复杂，打印过程中所需的支撑材料较多，需要级别较高的3D打印设备才能完成。但其在人工仿生鸟巢设计中，具有较高的创新性和可行性。利用3D打印技术进行鸟巢的设计过程，不仅能够强化人们对天然鸟巢的认知，还可以通过软件模型制作不断优化鸟巢结构，这无疑为人工鸟巢的发展提供了全新思路，对野生鸟类的保护及生态环境可持续发展都具备积极意义。

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参考文献：

〔1〕魏颐凊，崔国发.东方白鹳鸟巢结构特征与人工巢架设计[J].应用生态学报，2014，25（12）：3451-3457.

〔2〕朱家贵，溪波，杜志勇，等.董寨国家级自然保护区人工巢箱招引鸟类研究[J].安徽农业科学，2016， 44（18）：160-161+179.

〔3〕魏颐清.人工鸟巢设计方法初探[D].北京：北京林业大学，2014.

〔4〕姜晨，朱达，魏久翔，等.基于3D打印的大尺寸猪笼草口缘区仿生表面设计[J].机械工程学报，2021，57（13）：225-231.

〔5〕刘佳妮.基于鸟类栖息地修复的浙江省城市滨水开放空间设计研究[D].杭州：浙江农林大学，2015.

〔6〕樊佳.基于3D打印技术的工业产品造型设计与研究[J].机械工程与自动化，2021，40（04）：185-187.

收稿日期：2022-12-27

基金项目：巢湖学院2021年度校级科学研究项目（人文社科）（XWY-202115）