成为一名设计师科学家：一位设计师如何将实验室实践和材料特性分析作为创造性工具，应用于基于细菌纤维素的生物设计领域

《Thinking Skills and Creativity》：Becoming a Designer-Scientist: A Designer’s Journey into Laboratory Practice and Material Characterization as Creative Tools for Biodesign with Bacterial Cellulose

本研究通过设计师参与化学实验室实践，探讨实验室方法如何转化为创意材料设计策略，促进跨学科创新，为可持续时尚提供新路径。

　　

Luis Quijano|Ziyuan Jing|Tiziana Ferrero-Regis|Laura Navone|Dmitri Golberg|Wenqing Zhang

澳大利亚布里斯班昆士兰科技大学（QUT）理学院

摘要

随着生物技术融入设计实践（生物设计），设计师们正在学习如何在设计与科学之间进行互动。然而，对设计师来说，实验室往往仍是一个陌生的环境：结构化、程序化，且常被认为与创造性实践不相容。本研究试图揭开实验室实践的神秘面纱，探讨通过作者从设计师到设计师-科学家的转变过程，以及对细菌纤维素的自我民族志探索，来了解实验室实践如何成为设计师的创造性方法论。这项研究在化学实验室中进行，研究了科学协议、工具和材料表征技术如何为设计决策提供信息，并扩展设计师的材料设计能力。研究结果表明，参与实验室方法论使设计师能够从美学和分子层面观察材料的转变，将实证数据与创造性决策联系起来。通过反思不确定、适应和学习的过程，本研究展示了实验室实践如何重塑设计师的实践和身份，促进跨学科的自信与流畅性。最终，本研究认为“成为设计师-科学家”的过程将生物设计重新定义为一种兼具实证性和反思性的实践，同时为可持续和跨学科的未来开辟了新路径。

引言

时尚行业正处于日益严重的环境危机之中，这一问题因其对合成纤维的依赖和不可持续的生产模式而加剧。目前，合成纺织品占全球纺织品生产的69%，预计到2030年这一比例将上升至73%（Changing Markets, 2024）。时尚产业还导致了大量的温室气体排放、有限水资源的消耗以及大量的填埋废物（Niinim?ki等人，2020）。加剧这些问题的还有行业的线性生产模式，该模式优先考虑高产量和低成本，而忽视了产品的耐用性、可修复性和生命周期结束时的可回收性。要解决这些系统性挑战，迫切需要创新，以重新定义材料的生产、使用和处置方式，并减少时尚产业对化石燃料的依赖（Changing Markets, 2024）。

生物设计和生物技术已成为推动时尚可持续性的有前景的方法，它们利用生物过程创造出不仅可持续而且能够改变传统时尚制造模式的材料（Quijano等人，2021）。生物设计代表了材料创造领域的范式转变，设计师不再局限于传统的制作和原型制作方法，而是积极学习在各种环境中“生长”和“修改”材料，包括自己动手（DIY）材料、手工制作空间，以及最近的专业实验室（Rognoli等人，2015；Pollini & Rognoli，2024）。尽管生物设计具有巨大潜力，但设计师进入实验室空间仍面临诸多挑战，如实验室使用受限、科学培训不足，以及设计界和科学界在实践和术语上的显著差异（Quijano等人，2024a）。从工作室或手工制作空间转向实验室需要适应新的工具和科学协议。尽管如此，实验室为设计师提供了深入了解材料特性和过程的独特平台，使他们能够将创造力与实证严谨性结合起来（Koskinen等人，2011）。

虽然生物设计主要集中在将生物材料重新用于推测性、美学和探索性应用上（Scarpitti，2022），但要推动该领域发展以创造实用且可扩展的解决方案，设计师需要更深入地了解支撑其工作的生物科学和材料科学。处于这一设计-科学融合前沿的材料之一是细菌纤维素，这种生物材料受到实验室科学家和工作室设计师的广泛关注。细菌纤维素是由细菌产生的纤维素形式，由于其可再生和可生物降解的特性，成为生物设计的一个有前景的方向（Quijano等人，2025）。与植物纤维素相比，细菌纤维素具有更高的纤维素纯度，且不含果胶、木质素和半纤维素（Qiu & Netravali，2014）。细菌纤维素的材料特性包括高结晶度、聚合度、材料强度和拉伸强度以及可生物降解性（Qiu & Netravali，2014）。然而，在优化细菌纤维素的生产效率、处理方法和功能化方面仍存在挑战，以满足各种设计和工业应用的需求（Pedroso-Roussado，2024）。表1概述了当前生物设计实践与生物技术科学规范之间的差异，强调了关键挑战，如细菌纤维素生产者的选择、遗传不稳定性和生产规模的扩大。

以下研究通过作者自2024年7月至2025年1月在化学实验室的实验室经历（自我民族志），记录了设计师如何适应实验室实践的过程。以使用天然染料改变细菌纤维素颜色为例，探讨了实验室实验作为设计师材料创新工具包的一部分所蕴含的机会和障碍。本研究旨在为设计师提供应对实验室环境并跨越学科界限的策略，具体目标如下：

1.

研究设计师在实验室实践中遇到的挑战和机会，重点关注科学协议、工具和工作流程在设计实验中的整合。

2.

反思设计与科学之间的互动关系，探讨实验室实验如何促进创造性材料创新，反之亦然。

研究片段

实验室实践

传统上，实验室被视为科学生产的结构化空间，在这里外部世界的复杂性通过精确性、可重复性和实证验证转化为受控的实验（Latour，1987）。这些受控环境促进了实验、数据分析和跨学科知识的进步（Koskinen等人，2011）。然而，实验室的范围已经扩展到包括创造性和探索性实践

材料与方法

本材料与方法部分及结果部分作为反思性案例研究，记录了作者作为设计师-科学家的经历，包括在实验室中实验细菌纤维素并探索其通过天然染料的变化。选择细菌纤维素作为项目材料，是因为它不仅体现了生物设计作为一种可获取、可再生和可生物降解资源的理念，还展示了材料如何

学习实验室实践：身体体验与技能积累

最初的几周就像是在学习一种我从未听说过的语言的舞蹈动作。我小心翼翼地在架子和实验台上移动，模仿同事的指示，努力让自己看起来像是这里的一员。在这个过程中，我必须熟悉化学实验中常用的工具和设备，每种工具都需要掌握特定的操作规程。

设计师-科学家与生物设计的变革格局

生物设计代表了一种范式转变，科学与设计之间的界限变得越来越模糊。传统上，设计师将实验室视为外部世界，而科学家则将创造性实践视为与实证研究分开的领域。然而，混合实验室/设计空间的兴起以及生物设计和合成生物学等领域的技术进步，需要新型的从业者，他们需要同时精通这两个领域。为设计学生提供必要的

结论

通过弥合设计与科学之间的差距，本研究强调了实验室实践和科学方法论如何为设计方法提供信息和支持，为材料创新开辟新路径。研究表明，参与实验室实践并不局限于科学家；通过适当的培训，任何人包括设计师都可以学习和采用科学探究的方法，从而开启新的实验和创造性机会。

作者贡献

Luis Quijano：概念化、方法论、研究、写作——初稿、可视化；Ziyuan Jing：方法论、研究；Tiziana Ferrero-Regis：概念化、方法论、写作——审阅与编辑、监督；Laura Navone：写作——审阅与编辑、监督；Dmitri Golberg：方法论、写作——审阅与编辑、监督；Wenqing Zhang：方法论、写作——审阅与编辑、监督。

利益冲突声明

作者未报告任何潜在的利益冲突。

资助

主要作者感谢Fulbright未来奖学金、澳大利亚政府研究培训（RTP）奖学金，以及华东理工大学的先进创新前沿技术研讨会和青年优秀学者计划的支持。

伦理批准

本研究无需伦理批准。

Gebeshuber和Majlis，2011；Latour，2013；Kera、Catts和Zurr，2008；Niinim?ki等人，2021；Restivo，2022；Segarra等人，2018；康奈尔大学，2024；Crawford，2023

CRediT作者贡献声明

Luis Quijano：写作——初稿、可视化、方法论、研究、概念化。Ziyuan Jing：方法论、研究。Tiziana Ferrero-Regis：写作——审阅与编辑、方法论、概念化。Laura Navone：写作——审阅与编辑、监督。Dmitri Golberg：写作——审阅与编辑、方法论。Wenqing Zhang：写作——审阅与编辑、监督、方法论。

致谢

主要作者感谢Fulbright未来奖学金、澳大利亚政府研究培训（RTP）奖学金以及ARC合成生物学卓越中心的支持，同时感谢华东理工大学的先进创新前沿技术研讨会和青年优秀学者计划为我在上海的实验室停留和访问提供了便利。这项研究是Luis Quijano在昆士兰科技大学攻读博士学位的一部分。