I Глава. Теоретические и практические аспекты бионической архитектуры. 

1.1 Бионикак как явление в архитектурной науке и практике.

Бионика (от греч.  - элемент жизни, буквально - живущий), наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов. Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками - электроникой, навигацией, связью, морским делом и др.

Бионика - наука об использовании в технике знаний о конструкции, принципе и технологическом процессе живого организма. Основу бионики составляют исследования по моделированию различных биологических организмов.

Моделирование осуществляют на радиоэлектронной, электролитической, пневматической и других физико-химических основах. Бионическое моделирование отличается от моделирования, которое осуществляется в других науках. Как правило, модели бионики - несравненно более сложные динамические структуры. Их создание требует не только проведения специальных уточняющих исследований на живом организме, но и разработки специальных методов и средств для реализации и исследования столь сложных моделей. Формальным годом рождения бионики принято считать 1960 год. Ученые - бионики избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединенные знаком интеграла, а девизом - «Живые прототипы - ключ к новой технике».

Прародителем  бионики считается Леонардо да Винчи. Его чертежи и схемы летательных  аппаратов были основаны на строении крыла птицы. В наше время, по чертежам Леонардо да Винчи неоднократно осуществляли моделирование орнитоптера.

Из современных  ученых можно назвать имя Осипа  М.Р. Дельгадо. С помощью своих радиоэлектронных приборов он изучал неврологическо-физические характеристики животных. И на их основе пытался разработать алгоритмы управления живыми организмами.

Подобные опыты  проводились и в СССР, в Российской Федерации в связи с общим  упадком науки - многие программы  свернуты, а специалисты трудятся в зарубежных исследовательских  центрах.

Биомиметика

В англоязычной и переводной литературе чаще употребляется  термин биомиметика (от лат.  — жизнь, и mimesis — подражание) в значении — подход к созданию технологических устройств, при котором идея и основные элементы устройства заимствуются из живой природы. Одним из удачных примеров биомиметики является широко распространенная «липучка», прототипом которой стали плоды растения репейник, цеплявшиеся за шерсть собаки швейцарского инженера Жоржа де Местраля.

История развития

Идея применения знаний о живой природе для  решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц: орнитоптер.

Появление кибернетики, рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого изучения строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, а также использования полученных сведений о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов и т. п.

Основные направления  работ

Основные направления  работ по бионике охватывают следующие  проблемы:

• изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика);
• исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;
• изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;
• исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.

Моделирование живых организмов

Создание модели в бионике — это половина дела. Для решения конкретной практической задачи необходима не только проверка наличия интересующих практику свойств модели, но и разработка методов расчёта заранее заданных технических характеристик устройства, разработка методов синтеза, обеспечивающих достижения требуемых в задаче показателей.

И поэтому многие бионические модели, до того как получают техническое воплощение, начинают свою жизнь на компьютере. Строится математическое описание модели. По ней составляется компьютерная программа — бионическая модель. На такой компьютерной модели можно за короткое время обработать различные параметры и устранить конструктивные недостатки.

Именно так, на основе программного моделирования, как  правило, проводят анализ динамики функционирования модели; что же касается специального технического построения модели, то такие  работы являются, несомненно, важными, но их целевая нагрузка другая. Главное  в них — изыскание лучшей экспериментальной технологической основы, на которой эффективнее и точнее всего можно воссоздать необходимые свойства модели. Накопленный в бионике практический опыт неформализованного «размытого» моделирования чрезвычайно сложных систем имеет общенаучное значение. Огромное число её эвристических методов, совершенно необходимых в работах такого рода, уже сейчас получило широкое распространение для решения важных задач оптимального управления, экспериментальной и технической физики, экономических задач, задач конструирования многоступенчатых разветвлённых систем связи и т. п.

Сегодня бионика  имеет несколько направлений.

1.2. Основные направления  бионики

Создание  модели в бионике - это половина дела. Для решения конкретной практической задачи необходима не только проверка наличия интересующих практику свойств модели, но и разработка методов расчета заранее заданных технических характеристик устройства, разработка методов синтеза, обеспечивающих достижения требуемых в задаче показателей.

И поэтому многие бионические модели, до того как получают техническое воплощение, начинают свою жизнь на компьютере. Строится математическое описание модели. По ней составляется компьютерная программа - бионическая модель. На такой компьютерной модели можно за короткое время обработать различные параметры и устранить конструктивные недостатки.

Именно так, на основе программного моделирования, как  правило, проводят анализ динамики функционирования модели; что же касается специального технического построения модели, то такие  работы являются, несомненно, важными, но их целевая нагрузка другая. Главное  в них - изыскание лучшей основы, на которой эффективнее и точнее всего можно воссоздать необходимые  свойства модели. Накопленный в бионике  практический опыт моделирования чрезвычайно  сложных систем имеет общенаучное  значение. Огромное число ее эвристических  методов, совершенно необходимых в  работах такого рода, уже сейчас получило широкое распространение  для решения важных задач экспериментальной  и технической физики, экономических задач, задач конструирования многоступенчатых разветвленных систем связи и т.п.

Сегодня бионика  имеет несколько направлений.

Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения  надежности. Нейробионика изучает работу мозга, исследует механизмы памяти. Интенсивно изучаются органы чувств животных, внутренние механизмы реакции на окружающую среду и у животных, и у растений.

Яркий пример архитектурно-строительной бионики -- полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений. Стебли злаковых растений способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение. В чем же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб -- одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции полые. Склеренхимные тяжи стебля растения играют роль продольной арматуры. Междоузлия стеблей -- кольца жесткости. Вдоль стенок стебля находятся овальные вертикальные пустоты. Стенки трубы имеют такое же конструктивное решение. Роль спиральной арматуры, размещенной у внешней стороны трубы в стебле злаковых растений, выполняет тонкая кожица. Однако к своему конструктивному решению инженеры пришли самостоятельно, не «заглядывая» в природу. Идентичность строения была выявлена позже.

В последние  годы бионика подтверждает, что большинство  человеческих изобретений уже «запатентовано»  природой. Такое изобретение ХХ века, как застежки «молния» и «липучки», было сделано на основе строения пера птицы. Бородки пера различных порядков, оснащенные крючками, обеспечивают надежное сцепление.

Известные испанские  архитекторы М. Р. Сервера и Х. Плоз, активные приверженцы бионики, с 1985 года начали исследования «динамических структур», а в 1991 году организовали «Общество поддержки инноваций в архитектуре». Группа под их руководством, в состав которой вошли архитекторы, инженеры, дизайнеры, биологи и психологи, разработала проект «Вертикальный бионический город-башня». Через 15 лет в Шанхае должен появиться город-башня (по прогнозам ученых, через 20 лет численность Шанхая может достигнуть 30 млн человек). Город-башня рассчитан на 100 тысяч человек, в основу проекта положен «принцип конструкции дерева».

Башня-город  будет иметь форму кипариса высотой 1128 м с обхватом у основания 133 на 100 м., а в самой широкой точке 166 на 133 м. В башне будет 300 этажей, и расположены они будут в 12 вертикальных кварталах по 80 этажей. Между кварталами -- перекрытия-стяжки, которые играют роль несущей конструкции для каждого уровня-квартала. Внутри кварталов -- разновысокие дома с вертикальными садами. Эта тщательно продуманная конструкция аналогична строению ветвей и всей кроны кипариса. Стоять башня будет на свайном фундаменте по принципу гармошки, который не заглубляется, а развивается во все стороны по мере набора высоты -- аналогично тому, как развивается корневая система дерева. Ветровые колебания верхних этажей сведены к минимуму: воздух легко проходит сквозь конструкцию башни. Для облицовки башни будет использован специальный пластичный материал, имитирующий пористую поверхность кожи. Если строительство пройдет успешно, планируется построить еще несколько таких зданий-городов.

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, например у широко распространенного  «морского уха», состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда  жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем  и трещина не идет дальше. Такая  технология может быть использована и для покрытия автомобилей.

Основными направлениями  нейробионики являются изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток-нейронов и нейронных сетей. Это дает возможность совершенствовать и развивать электронную и вычислительную технику.

Нервная система  живых организмов имеет ряд преимуществ  перед самыми современными аналогами, изобретенными человеком:

1. Гибкое восприятие внешней информации, независимо от формы, в которой она поступает (почерк, шрифт, цвет, тембр и т. д.).

2. Высокая надежность: технические системы выходят из строя при поломке одной или нескольких деталей, а мозг сохраняет работоспособность при гибели даже нескольких сотен тысяч клеток.

3. Миниатюрность. Например, транзисторное устройство с таким же числом элементов, как головной мозг человека, занимало бы объем около 1000 м3, тогда как наш мозг занимает объем 1,5 дм³.

4. Экономичность потребления энергии -- разница просто очевидна.

5. Высокая степень самоорганизации -- быстрое приспособление к новым ситуациям, к изменению программ деятельности.

Эйфелева башня  и берцовая кость. К 100-й годовщине Великой французской революции в Париже была организована всемирная выставка. На территории этой выставки планировалось воздвигнуть башню, которая символизировала бы и величие Французской революции, и новейшие достижения техники. На конкурс поступило более 700 проектов, лучшим был признан проект инженера-мостовика Александра Гюстава Эйфеля. В конце ХIХ столетия башня, названная именем своего создателя, поразила весь мир ажурностью и красотой. 300-метровая башня стала своеобразным символом Парижа. Ходили слухи, будто бы построена башня по чертежам неизвестного арабского ученого. И лишь спустя более чем полстолетия биологи и 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. Это еще один показательный пример бионики в действии.

Бионика в архитектуре.

Смысл существования  всех видов искусств, в том числе  и архитектуры, заключается в  воплощении чувств. Архитектура не относится к свободным формам искусства. Ее назначение - создание пространственной среды жизнедеятельности.

Мы всегда стремились к комфортабельному жилью. Для нас  всегда было важно чтобы место  где мы живем, работаем, отдыхаем соответствовало  нашему внутреннему мироощущению. Но, к сожалению, в силу определенных обстоятельств Советская стройка  не могла дать нам того, чего мы хотели. Только недавно, а именно 10-15 лет  назад наше общество смогло воочию убедится, что «хрущевки», «корабли» и «свечки» это все таки не предел мечтаний. Сегодняшний день отчетливо показывает, насколько тогда наша страна отставала от мирового строительства. Теперь же мы с вами можем с легкостью воплотить наши мечты об идеальном доме в жизнь.

Испокон веков  великие умы зодчества ведут  поиски новых архитектурных стилей. Начиная от Вавилонской башни  и заканчивая архитектурными шедеврами  Нового Парижа человечество искало, находило, воплощало. Опять искало, опять находило и опять воплощало. И так по кругу до бесконечности.

Сегодня миру известно много архитектурных стилей: романский, готика, ренессанс, барроко, романтизм, модерн, классицизм, неоклассицизм, бионика. Бесспорно, каждый из этих стилей по-своему интересен и достоин внимания.

Как уже упоминалось, само понятие бионика появилось  в начале двадцатого века.

Первые попытки  использовать природные формы в  строительстве предпринял еще Антонио  Гауди. Парк Гуэля, или как говорили раньше «Природа, застывшая в камне», Каза Батло, Каза Мила - ничего подобного избалованная архитектурными изысками Европа, да и весь мир, еще не видели. Эти шедевры великого мастера дали толчок к развитию архитектуры в бионическом стиле. В 1921 году бионические идеи нашли отражение в сооружении Рудольфа Штайнера Гетеанум, и с этого момента зодчие всего мира взяли бионику на «вооружение».

Со времен Гетеанума и до сегодняшних дней в бионическом стиле было построено большое количество как отдельно взятых зданий, так и целых городов. Сегодня современное воплощение органической архитектуры можно наблюдать в Шанхае - дом «Кипарис», в Нидерландах - здание правления NMB Bank, Австралии - здание Сиднейской оперы, Монреале - здание Всемирного выставочного комплекса, Японии - небоскреб SONY и музей плодов.

С недавнего  времени бионическую архитектуру можно увидеть и в России. В 2003 году в Санкт-Петербурге по проектам архитектора Бориса Левинзона были построен «Дом Дельфин» и оформлен холл известной клиники «Меди-Эстетик».

Использование бионики в дизайне

Использование в дизайне законов и форм живой  природы вполне правомерно. В основе эволюции живых организмов и графических  изображений лежат одни и те же принципы, определяемые взаимодействием  форм и функций.

В мире все взаимообусловлено. Существуют законы, объединяющие весь мир в единое целое и порождающие  объективную возможность использования  в искусственно создаваемых системах закономерностей и принципов  построения живой природы и ее форм.

Правомерность биодизайна предопределяется не только биологическим и техническим единством человечества и окружающего мира, но и особенностями человеческого познания. Человеческий разум в большей степени формируется под влиянием процессов, происходящих в природе.

В своей творческой деятельности человек постоянно, сознательно  или интуитивно, обращается за помощью  к живой природе. Для всей истории  биодизайна характерно использование чисто внешних очертаний природных форм.

Причины особого  внимания дизайнеров к законам формообразования живой природы заключаются в  том, что графический дизайн как  особый вид искусства имеет непосредственную связь с материальным производством, для которого создается изобразительный  образ - торговый знак.

Живая природа  имеет тенденцию в процессе своего развития стремиться к всемерной  экономии энергии, строительного материала  и времени. Закон минимума в живой  природе обусловлен органической целесообразностью  существования. Все это привело  к мысли о возможности использования  закономерностей формообразования живых структур именно в конструктивном плане, а не с целью лишь каких-то формальных поисков.

Основные методы дизайнерской бионики.

Наиболее ответственный  этап в работе дизайнера - это исследование живой природы. На этом этапе неизбежно  встает вопрос, что выбирать в природе  и как выбирать. Основным методом  биодизайна является метод функциональных аналогий, или сопоставления принципов и средств формообразования объектов дизайна и живой природы. Отбирать необходимые формы живой природы помогает чувство графической формы.

Работа дизайнера  с природными аналогами заключается  не в простом сравнении, а в  изыскании методов и способов графического моделирования биологических  процессов.

Работая над  проектом, дизайнер тщательно проводит сравнительный анализ «живой» и  искусственной техники, сопоставляет технические характеристики живых  объектов и созданной руками человека аппаратуры и потом делает заключение о целесообразности применения в  графике тех или иных изобразительных  форм. Анализируя природную форму, художник-дизайнер стремится осмыслить ее тектонику, которую, как бы сложна она ни была, нельзя рассматривать как случайное  сочетание объемов. Гармоничность  ее развивается по строго определенным законам и принципам. Для восприятия гармонии, закономерности строения, образности природной формы требуется определенная подготовленность.

В природных  формах главным является конструктивно-композиционная группировка элементов, их ритмика. Речь идет именно о композиционно  подчеркнутых сгущениях - отдельных  группах в пределах целостного организма, есть достаточно примеров разнообразных  акцентов композиционной структуры в общей упорядоченности, от которых можно оттолкнуться при проектировании.

Каждая природная  форма имеет свои, присущие лишь ей черты. Если форма природного аналога  состоит из многих сложно организованных элементов, то получаемый при ее восприятии ассоциативный сигнал сразу может  не иметь столь четкого характера. Но в ходе тщательного анализа, отбора, сравнений знак проявляется и  достигает полного звучания. Бионика  в графическом дизайне это  одновременно наука и искусство, это анализ и синтез, поиск оригинального, нового. Изучение форм живой природы  питает фантазию дизайнеров, дает материал и помогает решать проблему гармонии функционального и эстетического  начала, обогащая формальные средства гармонизации в поисках наиболее выразительных пропорций, ритма, симметрии, асимметрии и т. д.

Дизайнер делает подробные зарисовки всех разновидностей природного образца, затем путем  формообразующих линий, осевых и  линий членения анализирует природную  форму и разрабатывает графический  образец.

Конкретность  живых форм, нашедших свое применение в фирменном знаке, выделяет эти  знаки из числа других.

В работе с природными аналогами особую роль играют художественные данные человека и его интуиция. Интуиция помогает дизайнеру справиться со своей задачей значительно  быстрее, чем при условии, что  он будет действовать, всегда основываясь  только на рациональных методах. Правда, решения, подсказанные интуицией, нуждаются  во внимательной научной проверке, тем не менее, значение их очень велико.

Необходимость изучения биологических форм для  дизайнера подчеркивается еще и  тем, что они масштабно выдержаны  и пропорционально безукоризненны, конструктивно и функционально  обусловлены.

Гармония красоты  и целесообразности в природе - поистине неисчерпаемый источник средств  гармонизации формы, к которому постоянно  обращались творцы шедевров архитектуры  и искусства. Витрувий, Леон Альберти, Палладио, Ле Корбюзье, И. В. Жолтовский, А. В. Щусев неустанно искали закономерности строения прекрасной формы, вытекающей из законов природы.

Чаще всего  природная форма, примененная в  графическом образе, видоизменяется под действием стилизации, но не настолько, чтобы не быть узнанной.

Но без знания принципов и общих законов  формообразования природы нельзя понять ту или иную форму.

При первом взгляде  на окружающий нас предметный мир  может показаться, что бионика  как будто не проявляется в  творениях человеческих рук столь  непосредственно, однако в действительности ее влияние на предметный мир в  целом и на графический дизайн в частности глубоко и устойчиво.

Применение бионики  в системе дизайна будит творческую мысль, заставляет думать, искать, познавать  законы природы.

Бионика в науке.

Датой рождения бионики принято считать 13 сентября 1960 г. – день открытия в США Международного симпозиума «Живые прототипы искусственных систем – ключ к новой технике». Однако в действительности основные концепции бионики сложились задолго до этого, а симпозиум лишь ознаменовал начало широкого международного сотрудничества в этой области.

Доисторический  человек, наблюдая за окружающей природой, извлекал из нее некоторые уроки, помогавшие ему создавать полезные устройства. В известном смысле такой  подход можно назвать бионикой. В  какой-то степени элементы бионики  вложены в изобретение колеса, ножа и других инструментов. Арабские врачи задумались об использовании  хрусталя или стекла для увеличения изображения подобно тому, как  это происходит в хрусталике глаза. Русский ученый Н.Е. Жуковский разработал методику расчета подъемной силы крыла самолета на основе изучения полета птиц.

После того как  бионика получила официальное признание  как самостоятельная область  знаний, ее позиции существенно укрепились, а область исследований расширилась. Потребителями и партнерами бионики  становятся самолето- и кораблестроение, космонавтика, машиностроение, радиоэлектроника, навигационное приборостроение, инструментальная метеорология, архитектура и т.д.

Изучая биологические  системы, бионика ищет оптимальные  решения инженерных проблем. При  этом она не только занимается коренным усовершенствованием существующих, но и созданием принципиально  новых машин, аппаратов, приборов, строительных конструкций и технологических  процессов, построением технических  устройств, характеристики которых  приближаются к таковым у живых  систем.

Конечно, такое  определение существенно упрощает ее понятийное содержание. Однако здесь  имеется одно существенное ограничение. Оно заключается в том, что  далеко не все природные системы  опережают уже созданные технические.

В 1963 г. на Всесоюзной конференции по бионике академик А.И. Берг, один из создателей и идеологов бионики, отметил, что в природе существует много лишнего и несовершенного, избыточного и с технической точки зрения неоправданного. Поэтому бионика не слепо копирует природу, она лишь заимствует у нее совершенные конструктивные схемы и механизмы биологических систем, обеспечивающие в сложных условиях существования особую гибкость и живучесть, выработанные живыми системами за время эволюционного развития. Основными направлениями бионики считаются следующие.

Изучение и  моделирование нейронов, нейронных  сетей нервных центров, принципов  организации мозга с целью  их использования в технических  системах.

Изучение принципов  повышения надежности биологических  систем, их резервирования и способности  к адаптации.

Изучение органов  зрения, слуха и обоняния с целью  их моделирования.

Изучение систем навигации, локации, ориентации и стабилизации движения у животных в целях создания принципиально новых технических  устройств.

Изучение методов  кодирования, передачи и обмена информацией  в биологических системах на уровне коллектива, отдельного организма, органа, на клеточном и молекулярном уровне с целью создания новых средств  связи.

Разработка методов  изучения психофизиологических возможностей и способностей человека, оптимальных  методов обучения и тренировки, облегчения работы человека-оператора, контроля и  прогнозирования его состояния (бионические аспекты проблемы «человек–машина»).

Изучение гидродинамических  свойств рыб и китообразных, аэродинамических характеристик насекомых и птиц, рыхлящих и землеройных приспособлений животных с последующим моделированием в авиа и судостроении, робототехнике.

Получение энергии  в технических системах по аналогии с биологическими, в том числе  непосредственно от биологических  систем.

Разработка биологических  способов добычи полезных ископаемых, биологических методов в технологиях  производства сложных органических веществ.

Изучение природных  конструкций и форм в целях  их использования в строительной технике и архитектуре.

Здесь перечислены  наиболее важные, но далеко не все направления  исследований, из которых складывается современная бионика. В настоящее  время началось и прогнозируется на последующие годы бурное развитие таких направлений, как математическая бионика, занятая совершенствованием и созданием компьютерных моделей, в том числе информационных; медико-биологическая  бионика, использующая достижения природы  для разработки методов лечения  заболеваний человека, их профилактики; ветеринарно-биологическая, занимающаяся близкими задачами, но применительно  к домашним и диким животным.

Рассмотрим некоторые  конкретные достижения бионики, уже  реализованные в практических целях. Начнем наши очерки с водных и околоводных  объектов.