Текст книги "Бионика. Прошлое, настоящее и будущее"

Глава 5. Архитектурная бионика

Бионика – наука в полном смысле созидательная, способствующая активному преобразованию природы и созданию новой, искусственной среды по подобию живой природы, но лишь в аспекте человеческих задач. Если, например, в естествознании морфология исследует формы живой природы, анатомия – внутреннее строение органов, биохимия – химические процессы, протекающие в живых организмах и т. д., то бионика занимается исследованием всех факторов, касающихся живых организмов, вместе взятых. Бионика в итоге направлена на создание готовых вещей – физических моделей природных прототипов. В этом ее абсолютная созидательность. Этот процесс использования законов формообразования живой природы менял свой характер и границы в зависимости от объективных и субъективных факторов и наконец дошел и до архитектуры.

Архитектурная бионика – это подраздел архитектуры, в котором изучаются системные свойства, например, растений, чтобы строить здания, имеющие качественно лучшие показатели по сравнению с классической архитектурой. Чаще всего такие здания выглядят очень причудливо, но при этом они прочней и имеют более высокую энергоэффективность. Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надёжности. Яркий пример архитектурно-строительной бионики – полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений.

Можно выделить три этапа развития представления о использовании бионических идей в архитектуре, предшествующих современному и соответствующих изменениям по существу этого процесса.

Первый этап – наиболее древний, уходящий вглубь истории, можно считать этапом стихийного использования конструктивных и функционально-пространственных средств живой природы и результатов «строительной» деятельности животных, птиц и насекомых в создании убежищ-гнезд, шалашей, дольменов или «общественных сооружений», каковыми могли быть менгиры, кромлехи и т. д. Насколько здесь заимство-ванные из природы формы осмысливались эстетически, трудно сказать.

Несомненно лишь одно: они были, прежде всего функциональными строениями (на своем уровне и в своем роде). Вместе с функцией в искусственные сооружения механически привносилась и природная форма, поэтому многие древние человеческие сооружения – гнезда, шалаши и т. п. – часто трудно отличить от построек каких-либо животных или насекомых, например, термитов.

Второй этап – от начала формирования архитектуры как искусства и примерно до середины XIX в. Несмотря на большую протяженность этого периода по времени, принцип подражания природе, так же остается сильным фактором проектирования на всей его протяженности. Это означало главным образом использование форм природы с изобразительно-декоративными целями и копирование внешних форм природных объектов. Примером могут служить колонны египетских храмов в Луксоре и Карнаке; коринфские и ионические капители колонн греческих храмов; палаццо Ренессанса и дворцы классицизма; образно-художественные приемы формообразования в русских храмах; капители колонн и весь их строй как подражание мотиву леса в готических соборах; народная японская архитектура.

Говоря об этом периоде, нельзя отрицать также и интерпретацию некоторых конструктивно-тектонических принципов живой природы. Например, тектоника колонн с периодичностью ее диаметров по высоте интерпретирует тектонику ствола дерева; каннелюры колонн подобны встречающимся каннелированным стеблям растений, придающим им дополнительную прочность. Логика перехода одной формы в другую в конструктивных узлах ордеров греческих храмов повторяет, по существу, принципы изменения форм по вертикали стебля растения, ствола дерева, скелетов животных; нервюры покрытий готических храмов выполняют ту же конструктивную функцию, что и нерватура (прожилки) зеленого листа дерева.

Третий этап – конец XIX – начало XX в., нашедший свое выражение в архитектуре «модерн». На этом этапе природные принципы одновременно, хотя и в разной степени, проявились в функционально-структурных, конструктивных и декоративных решениях.

Большое влияние на использование средств природы на этом этапе оказали бурное развитие биологии и небывалые успехи строительной техники (например, изобретение железобетона и начало интенсивного применения металлических конструкций, керамики и т. д.).

К 100-й годовщине Великой французской революции в Париже была организована всемирная выставка. На территории этой выставки планировалось воздвигнуть башню, которая символизировала бы величие Французской революции и новейшие достижения техники. На конкурс поступило более 700 проектов, лучшим из которых был признан проект инженера-мостовика Александра Г. Эйфеля. В конце ХIХ столетия 300-метровая башня, названная именем своего создателя, поразила весь мир ажурностью и красотой, стала своеобразным символом Парижа.

Современные инженеры сделали неожиданное открытие: конструкция Эйфелевой башни в точности повторяет строение большой берцовой кости, легко выдерживающей тяжесть человеческого тела. Совпадают даже углы между несущими поверхностями. В области бионики известны также архитектурные опыты П. Нерви, С. Калатравы и др.

Архитектурную и техническую бионику объединяет общность предмета исследования – использования тех или иных средств и принципов организации живой природы в материальном производстве, к сфере которого примыкает архитектура. Техническая бионика и биоархитектура очень похожи в своих методах, хоть и направленны на разные для преобразования объекты.

Однако архитектурная бионика в силу специфики её цели имеет и свою бионическую сферу, т. е. свои объекты живой природы, и решает свойственные только ей проблемы. Поэтому мы можем рассматривать ее в какой-то мере как самостоятельное явление, сложившееся на базе исторической и современной практики архитектуры и находящее свое приложение в архитектурной науке. Поэтому я ее отделил от рассмотрения в отдельную главу, в отличие от всех остальных ветвей бионики.

Ее предмет – исследование законов функционирования и формообразования объектов живой природы с целью применения их для совершенствования архитектурных решений, формирования комплексных архитектурных и градостроительных систем, гармонизации взаимосвязи архитектуры и природной среды. Архитектурная бионика идет от изучения всей неисчерпаемой сокровищницы природных форм к определяемому социальными потребностями выбору подходящих из них, от выявления чисто бионических принципов и их моделирования к комплексной архитектурно-биологической интерпретации и скорректированному архитектурному моделированию, а от них к творческому развитию архитектурно-бионической практики.

В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Например, в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий перспективным направлением является создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные ракушки состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем, и трещина не идет дальше.

Почему же при современном уровне развития техники природа настолько опережает человека?

Во-первых, чтобы понять устройство и принцип действия живой системы, смоделировать ее и воплотить в конкретных конструкциях и приборах, нужны универсальные знания. Сегодня, после длительного процесса дробления научных дисциплин, только начинает обозначаться потребность в такой организации знаний, которая позволила бы охватить и объединить их на основе единых всеобщих принципов.

Во-вторых, в живой природе постоянство биологических систем поддерживается за счет их непрерывного восстановления, поскольку в данном случае мы имеем дело со структурами, которые непрерывно разрушаются и восстанавливаются. Каждая клетка имеет свой период деления, свой цикл жизни. Во всех живых организмах процессы распада и восстановления компенсируют друг друга, и вся система находится в динамическом равновесии, что дает возможность приспосабливаться, перестраивая свои конструкции в соответствии с изменяющимися условиями. Основным условием существования биологических систем является их непрерывное функционирование. Технические системы, созданные человеком, не имеют внутреннего динамического равновесия процессов распада и восстановления, и в этом смысле они статичны.

Необходимо различать теорию и практику архитектурной бионики, так как вторая по самым различным причинам не всегда соответствует тем идеальным критериям, которые разрабатываются в теоретическом аспекте.

Понятия «биологический объект», часто используемый в технической бионике, и «живая природа» имеют примерно равный смысл. Однако есть некоторые оттенки этих понятий. Понятие «живая природа» говорит непосредственно о специфике живого, как особого явления в космосе и био-геосфере. Вместе с тем известно, что в живой природа имеются и «неживые» элементы, например, окостеневшие панцири моллюсков, твердые, склеренхимные ткани растений, костные образования животных. В живой природе происходят не только биологические, но физические и химические процессы. Понятие «биологический объект» конкретизирует понятие «живая природе». Поэтому часто вместо терминов «живая природа», «живой организм», «объекты живой природы» употребляется термин «биологический объект».

Живая природа перестает быть загадочным феноменом. Одно из основных обобщений современной биологии состоит в том, что все явления жизни подчиняются законам физики и химии и могут быть объяснены с помощью этих законов на самых различных уровнях: молекулярном, при образовании кристаллов, формировании механических (конструктивных) тканей и опорных скелетов, общей системы форм и экологических связей.

Живая природа и архитектура развиваются в одних и тех же биофизических условиях земной и космической сферы и подчиняются законам гравитации, инерции, термодинамики. Их формы обусловливаются сходным действием температурно-влажностных факторов, режимом инсоляции, цикличностью метеорологических явлений и т. д. Строительная деятельность живых организмов так же, как и в архитектуре, связана с созданием строительных материалов и определенным порядком производства работ.

Архитектура, ставшая в процессе своего развития большим общественным явлением, нацелена вместе с тем на удовлетворение не только общественных, но и биологических потребностей человека. И здесь через изучение биологической организации человека архитектура получает особые импульсы формообразования, значение которых повышается в условиях научно-технической революции, роста требований к экономии общественной энергии и интенсификации человеческого труда.

Опытом мировой архитектуры последних трех десятилетий подтверждается, что архитектурная бионика способна решать самые разнообразные вопросы архитектуры как в их раздельной интерпретации, так и в комплексе.

Сюда относятся: уточнение общетеоретических вопросов архитектуры, касающихся принципиальных сторон ее развития; совершенствование теории систем; дальнейшие направления дифференциации функциональной структуры архитектурных форм и архитектурного пространства; углубление композиционных приемов – тектоники, пропорций, равновесности, симметрии, ритмов, света, цвета и т. д.; решение проблемы создания благоприятного микроклимата в зданиях и в других архитектурных образованиях; рационализация существующих конструкций и внедрение новых конструктивных форм; развитие индустриализации производства на основе унификации, стандартизации и сборности архитектурно-конструктивных элементов; создание строительных материалов с новыми эффективными комплексными конструктивными и теплоизолирующими свойствами; дальнейшая разработка технологии производства конструкций и организации производства возвещения зданий; совершенствование методики экспериментального конструирования на физических моделях и др.

Таким образом, результаты исследований, проводимых в области архитектурной бионики, оказываются полезными при решении проблем социального и эстетического совершенствования архитектуры в самых ее различных типологических отраслях: в жилых комплексах, в общественных и промышленных зданиях и сооружениях, в градостроительстве. Конечно, все это не означает, что она в состоянии решить все эти вопросы до конца. Нет, она не подменяет и не исключает существующие методы и лишь готова помочь их дальнейшему прогрессу. Вместе с тем в отдельных областях она может оказать революционизирующее воздействие.

Помимо поисков новых идей формообразования, архитектурная ветвь бионики нацелена на изучение систем жизнеобеспечения, развития и других механизмов существования природных объектов, их реакций на воздействия извне. Возможно, этот новый взгляд на природу покажет нам путь к архитектуре будущего!

Часть II
Настоящее

В предыдущей главе мы увидели историю бионики и ее методы, ее структуру и какие открытия стали для нее ключевыми. Теперь же, пройдя предварительное ознакомление, можно сказать, перейдем к тому, что дает нам эта логика уже сейчас. Какие технологии и идеи мы можем увидеть и использовать уже сегодня. Начнем мы с роботов, но перед этим я хотел бы ввести главу 0 с описанием общей модели живого организма. Это будет очень полезно при дальнейшем рассмотрении.

Глава 1
Общая модель живого организма

Рассмотрим по отдельности все элементы организма.

Для осуществления своих жизненных функций живая материя приобретает определенные формы, зависящие от уровня развития организма и условий его жизнедеятельности.

Процесс развития форм или формообразование направлен на обеспечение таких функций организма, как:

1. Несущие свойства (с помощью скелета, панциря).

2. Компоновка органов внутри тела.

3. Симметричное расположение систем восприятия и перемещения, концентрация органов, выполняющих комплексные и взаимосвязанные функции.

4. Силовое взаимодействие несущих органов с органами движения.

5. Рациональное расположение и взаимодействие органов, выполняющих определенные технологические процессы.

6. Изоляция шумов, возникающих в органах пищеварения, от навигационных органов чувств с помощью легких и др.

7. Ограждающие свойства, связанные с защитой наиболее уязвимых функциональных органов от внешних воздействий (кости черепной коробки – для защиты мозга; кости ребер – для защиты сердца и легких; тазовые кости – для защиты внутренних органов).

Законы формообразования живых организмов отрабатывались в течение длительного периода времени и поэтому содержат важнейшие принципы рационализации. Перед разработкой робота или экзоскелета крайне желательно изучить биомеханику изначального исследуемого или копируемого образца.

Существующие у животных датчики информации (зрение, обоняние, осязание), а также органы захвата и первичной обработки пищи (щупальца, зубы и т. п.) сосредоточиваются вокруг входного отверстия пищеварительного тракта. Характерным для всех существ является то, что в поисках пищи они движутся этим отверстием тракта вперед.

Нервная система, необходимая для обработки сигналов датчиков (мозг), также сосредоточивается в месте, где находятся датчики информации (органы чувств) ‚ так как это обеспечивает наилучшее выполнение их функций (минимум запаздывания). Тесное соседство рта, мозга и органов чувств характерно как для очень примитивных животных, так и для человека.

Изучение основных жизненных функций организма позволяет, с одной стороны, в какой-то мере представить чрезвычайную сложность живой материи, а с другой стороны выявить некоторые общие закономерности ее строения, т. е. составить обобщенную модель живого организма. Если ограничиться учетом только важнейших жизненных функций, которые были рассмотрены выше, то схему обобщенной модели живого организма можно представить состоящей из органов, управляемых центральной и локальными нервными системами.

Все органы определенным образом связаны между собой и активно взаимодействуют, обеспечивая необходимые жизненные процессы организма. В обобщенной модели функции информационного обеспечения выполняют органы контроля окружающей среды, навигации и органы анализа объектов и добычи. Обработка сигналов этих органов внешней информации осуществляется центральной нервной системой, в которой производится анализ полученных данных, их обобщение, оценка ситуации и принятие решений. Одновременно ведется обогащение памяти, накопление опыта, обучение и отработка логических методов мышления. Многочисленные каналы связи соединяют центральную нервную систему с локальными системами управления функционированием внутренних органов и органов внешней информации живого организма.

Представленная обобщенная структура организма является общей для животных различных уровней развития. В процессе эволюционного развития живых организмов в их структуре многократно отрабатывались основные органы, решающие главные задачи функционирования живого организма. Число таких органов вполне ограничено и в процессе эволюции практически не меняется, т. е. фундаментальная структура организма оказалась достаточно устойчивой.

Установлено, что огромное многообразие видов живых организмов возникло не за счет изменений фундаментальной структуры, а на основе многовариантной реализации самих органов, их клеточных структур, чувствительных элементов, нервных цепей и перекрестных связей. Само собой это относится к организмам таксономического типа. Эволюция брюхоногих шла несколько иным путем.

Кроме того, непрерывно усложняются и совершенствуются корреляционные связи между органами, выявляются новые резервы информации при комплексных измерениях с участием многих датчиков информации, развиваются системы адаптации, надежности и живучести. Отбор наиболее приспособленных к условиям существования живых организмов производится на основе совокупности критериев оценки. Критерии оценок определяют эффективность альтернатив построения клеточных структур, функциональных узлов и ячеек, нервных цепей и других составных частей органа, а также его функционирование в целом. Производится общая оценка жизнеспособности организма, у которого реализуются различные альтернативы строения органов. Обобщенный критерий отвечает на основной вопрос естественного отбора: насколько данный организм соответствует выживаемости в конкретных условиях среды?

Таким образом, формализованный анализ естественного отбора показывает, что природа, по существу, занимается генерацией вариантов и отбором их по соответствующему критерию – степени выживаемости. Рационален ли такой подход? Поскольку в результате естественного отбора создано множество весьма совершенных типов организмов, можно говорить о высокой эффективности естественного отбора.

Природа решала задачу выживания, отрабатывая типовые схемы. Причем изменения (за счет мутации генов) происходят «в малом», т. е. изменяются один-два компонента в составе органа, остальные остаются такими же уже отработанными и апробированными. Эффективность естественного отбора характеризуется высокой степенью совершенства живой природы. Ее изобретения на несколько порядков лучше многих технических эталонов по надёжности, а также габаритно-массовым и энергетическим характеристикам. Эволюционное развитие и естественный отбор могут быть идентифицированы на основе системно-морфологического метода, который применяется при разработке новой техники.

Однако природа решает эту задачу более полно и всесторонне с учетом множества факторов, влияющих на жизнедеятельность организмов. Изучение и освоение основных закономерностей творчества природы – одна из важнейших задач бионики.

Таким образом, бионика в основу своего научного метода изучения многообразия решений живой природы и их заимствований может взять аналог (модель) процесса эволюции природы, но преобразованный в удобную для практики форму. Суть преобразования заключается в том, чтобы более четко представить обобщенную модель живого организма (или его органа, если задача ставится более узко)‚ определить альтернативные реализации основных систем этой модели, оценить с помощью подобранных критериев оценки эффективность этих альтернатив и отобрать наилучшие варианты.

Если эволюция в природе может перебирать случайные сочетания альтернатив и отбирать их методом «проб и ошибок» в борьбе за существование организмов, затрачивая на это неограниченное колличество время (тысячи и миллионы лет), то в бионике подобный отбор может осуществляться «на бумаге» (или электронным моделировании) целенаправленно, путем анализа, сравнения и отбора только лучших вариантов, у которых альтернативы реализации систем имеют наивысшие оценки по критериям качества. При этом значительно сокращается время разработки и гарантируется высокое качество получаемых решений.

Следовательно, научный метод бионики, заимствованный у природы, может быть основан на синтезе обобщенной модели эволюции живых организмов, изучении и отборе наилучших альтернатив ее реализации.

А теперь перейдем к фактическим технологиям, появившимся в результате этого научного метода.