循环设计（Circular Design）与环境感知（Environmental Sensing）的交汇：一项比较研究

《Proceedings of the Design Society》：Circular design meets environmental sensing: a comparative study

　　

本设计主导型研究探讨了循环经济（Circular Economy, CE）原则如何嵌入研究原型设计，同时比较了环境感知方法。一款可重复使用的室外原型在三种场景下部署，结合了嵌入式传感器与应用程序编程接口（Application Programming Interface, API）数据。研究采用代理指标（Proxy Indicators）（能源、材料质量、排放）及生命周期终结（End-of-Life, EOL）规划进行评估，结果表明API感知具有远低于嵌入式感知的环境影响，而嵌入式传感器提供了超本地化（Hyper-Local）数据。所有原型组件均得到再利用或重新利用，展示了循环原型的实践应用，研究发现旨在为设计提供参考而非提供确定性结论。

本研究旨在探索如何将循环设计原则融入研究原型的生命周期，并比较不同环境数据采集方法的环境影响。随着环境退化加剧和资源依赖日益严重，循环经济作为应对线性"获取-制造-处置"模式（Geissdoerfer et al., 2017）的变革性方案而兴起。然而，设计原型制作虽为创新关键环节，却常遵循线性流程，产生大量短期使用后即被丢弃的废弃物，Vasquez等（2020）的研究发现64%的高级数字制造用户最终将原型送往垃圾填埋场。这一矛盾促使研究人员思考如何在原型阶段即嵌入循环原则。

本研究存在以下核心问题：其一，嵌入式传感器与外部API在支持室外环境监测方面如何比较，环境数据采集方法如何为可持续设计决策提供依据；其二，能否在设计早期阶段实现与循环经济原则对齐的原型，减少材料浪费并实现所有组件的计划性再利用或重新利用。研究采用设计主导的实验方法，不追求完整的生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）或符合ISO 14040/44标准的综合可持续性评估，而是运用简化代理指标进行探索性分析。

研究面临的挑战包括：传统原型制作往往反映线性生产模式，混合材料、粘合剂及不可回收组件限制了材料回收（Vasquez et al., 2020；Sole et al., 2022）；环境感知领域存在数据精度与系统复杂性之间的固有权衡，嵌入式传感器虽提供超本地化数据，却增加电路复杂性和功耗需求，API远程感知则依赖外部基础设施，可能缺乏现场测量的精确性。

研究人员开展了一项设计实验，构建并部署了一款可重复使用室外原型。该原型以Arduino微控制器为核心，连接温度、湿度、空气质量及光照传感器，采用可充电电池供电，SD卡模块实现低能耗离线数据记录。设计灵感源自蜂巢结构的高强度-材料比特性，容盖采用卡扣式无胶组装，底座为外购再生塑料花盆，3D打印PETG（聚对苯二甲酸乙二醇酯-二醇，Polyethylene Terephthalate Glycol）容盖具有耐候性和可回收性。

原型遵循九R策略（Refuse, Reduce, Reuse, Repurpose, Repair, Remanufacture, Refurbish, Recycle, Recover）进行循环设计，所有部件无胶粘或永久固定，支持设计可拆解性（Design for Disassembly）。生命周期终结规划从设计初始即纳入考量，确保无任何组件进入垃圾填埋场。原型先后在苏格兰沿海、乡村及城市三种气候差异环境部署，每日室外放置最长12小时，共15天，同步采集嵌入式传感器数据与外部天气API数据。为减少材料使用，传感器电路和3D打印容盖跨地点重复使用，仅更换底座容器。

**研究结果方面，数据准确性与可靠性显示**：嵌入式传感器提供高度本地化的微气候数据，尤其在城市环境中捕捉到阴凉、风暴露等API无法反映的变量；但存在传感器漂移和内部冷凝问题，影响数据一致性。API方法则在所有地点提供稳定可靠的数据，无需校准或物理保护，温度读数普遍低于嵌入式传感器，湿度读数则较高，反映嵌入式传感器更多测量原型内部而非外部条件。总体而言，API方法对原型暴露评估具有足够准确性，尤其在契合循环设计低能耗目标时。

**能源消费方面**：嵌入式系统部署期间总能耗为0.3924 kWh，而API方法基于180次请求、每次0.78 KB数据量，以0.06 kWh/GB的能源强度计算，总能耗仅为8.03 × 10^-6 kWh，差异显著。

**材料使用方面**：嵌入式电路增加约0.36 kg原生材料，API方法则无需额外硬件，材料负荷降低100%。

**碳排放方面**：以英国2024年平均电力排放因子0.207 kgCO₂e/kWh计算，嵌入式系统排放0.0812 kgCO₂e；API方法以全球数据中心平均强度0.436 kgCO₂e/kWh计算，排放仅3.5 × 10^-6 kgCO₂e，为嵌入式系统的0.004%。

**耐久性与环境表现方面**：PETG容盖在温度、紫外线、 moisture和风暴露下保持结构完整性，无翘曲、开裂或降解；再生塑料底座亦表现良好，未出现变形或水损，但观察仅限于15天部署期。

**循环性成果方面**：研究成功实现零垃圾填埋。三个底座容器恢复为功能花盆；PETG容盖重新利用为儿童夜灯外壳；可充电电池模块通过USB端口复用为便携手机充电器；传感器、SD卡模块及Arduino Uno等电子组件拆解后用于后续研究项目；SD卡本身亦被重复使用。

**讨论部分**，研究人员指出API感知在选定代理指标下优势显著，但存在依赖外部基础设施、偏远地区适用性受限、数据抽象化导致泛化等局限。嵌入式传感器在需要局部精确数据时仍具不可替代价值，这揭示了空间精度与环境强度之间的固有权衡。循环原型设计虽能减少材料浪费，但可能限制系统在极端条件下的压力测试能力，其适用性取决于具体情境，最适于早期探索性研究而非安全关键或高可靠性测试场景。

**研究结论**翻译如下：本研究证实循环设计原则可融入研究原型生命周期，同时支持环境感知策略的功能测试。在15天部署期和三地点样本的有限条件下，基于API的感知表现出更低的运行能源需求（8.03 × 10^-6 kWh 对比 0.3924 kWh）、与额外传感硬件相关的更低材料需求（0.36 kg），以及研究条件下更低的估算碳排放（3.5 × 10^-6 kgCO₂e 对比 0.0812 kgCO₂e）。此外，所有组件在研究结束后均得到再利用或重新利用，展示了在常与材料浪费和一次性使用相关的原型阶段设计循环性的潜力。然而，这些发现不代表完整的生命周期可持续性评估或长期性能验证。