В дизайне

Птица – это инструмент, работающий

по математическому закону; человек

способен воспроизвести этот инструмент

во всем его движении.

ЛЕОНАРДО ДА ВИНЧИ

Единственный источник информации, который никогда не вы­ходит из моды, – это справочник природы. В ее биологических и биохимических системах уже разрешены многие проблемы, стоящие перед человечеством. С помощью природных аналогии проблемы человека могут быть решены оптимально.

Идеальным для дизайна является достижение «наибольшего с помощью наименьшего» или, по удачному выражению Джорд­жа К. Зипфа*, «принцип наименьшего усилия».

Бионика предполагает использование биологических прото­типов для создания человеком своих собственных систем. Про­ще говоря, бионика изучает основные принципы природы и применение их для удовлетворения потребностей человечества.

Д-р Эдвард Т. Холл* утверждает в книге «Скрытое измерение», что «человек и окружающая его среда взаимно формируют друг друга. В настоящее время человек в состоянии действительно создать весь мир, в котором живет... Создавая его, человек фактически определяет, каким организмом он будет».

На простом примере можно показать, что дизайнеру нужны не просто задатки хорошего вкуса. Несколько лет назад в тех районах Юго-Восточной Азии, где обычно для вспашки Земли пользуются рогатиной с привязанным к ней камнем, был разработан, запущен в производство и распродан новый дешевый плуг. Через несколько лет обнаружилось, что плугами не пользуются – они ржавели без дела. По религиозным поверьям местных жителей, металл оскорбляет мать-землю, и почва «болеет» Я порекомендовал обмакнуть плуги в пластическую массу типа нейлон-60. Так как пластмасса не оскорбляла ни народ, ни мать-землю, плугами в конце концов начали пользоваться.

Какова мораль этой истории? Первоначальную ошибку в ди­зайне мог бы предотвратить междисциплинарный дизайнер­ский коллектив, включающий антропологов, инженеров, биоло­гов и психологов. Или пример из более сложной практики со­временной архитектуры. При проектировании концертного зала в Линкольн-центре можно было бы избежать сухого, резко­го звука и увеличить количество мест, если бы в дизайнерскую группу вошли музыковеды и завсегдатаи концертов (см.: Уиль­ям Снейт «Синдром концертного зала»). Инженеры по акустике и архитекторы слишком увлеклись уровнями децибелов и стоимостью квадратного фута площади и не смогли подумать о слу­шателях.

В настоящее время ядро любого дизайнерского коллектива составляют промышленные дизайнеры и дизайнеры, занимаю­щиеся окружающей средой. Их статус основан не на лучшей ин­формированности или особых творческих способностях, а ско­рее объясняется неспособностью представителей других профессий взять на себя связующую роль в команде. Профессиональная подготовка во всех других областях подвержена растущей вертикальной специализации, и только профессиональная подготовка промышленных дизайнеров и дизайнеров окружающей среды все еще остается горизонтальной и междисциплинарной.

Хотя дизайнер в каждом конкретном коллективе, скорее всего, гораздо меньше знает о психологии и экономике, чем психолог и экономист, но в любом случае он внесет в процесс проектирования большее понимание психологии, чем инженер-электрик. Понятно, что об электротехнике дизайнер больше знает, чем экономист. Он как бы образует звено, соединяющее разные дисциплины между собой.

В данной главе я хочу изложить следующие принципы:

 

1. В настоящее время невозможен и неприемлем дизайн, не связанный с социологическими, психологическими аспектами жизни и экологией окружения.

2. Дизайнерское проектирование как отдельных предметов, так и окружающей среды должно вестись междисциплинарны­ми коллективами.

3. Междисциплинарный коллектив должен включать также как потребителей/пользователей, так и тех, кто производит ве­щи, разработанные дизайнерами.

4. Биология, бионика и связанные с ними сферы деятельно­сти дают дизайнерам новое, плодотворное понимание проблем. Дизайнеры должны находить аналогии, используя биологичес­кие прототипы и системы дизайнерского подхода, взятые из та­ких областей, как этология, антропология и морфология.

Человек всегда черпал идеи, наблюдая за природой. В прошлом это происходило совершенно естественно. Но теперь, по мере то­го как проблемы дизайна все более усложняются в связи с гло­бальным распространением новых технологий, человечество ут­рачивает непосредственный контакт с биологической средой.

Дизайнеры и художники всегда уделяли природе особое вни­мание, но их взгляды часто затуманивались романтическим стремлением быть «ближе к земле» и восстановить своего рода первоначальный рай или желанием вернуться к «истокам» и избежать обезличивающей власти машин.

Однако в области бионики было написано очень мало. Книги «Структура, форма и движение» Генриха Гертеля, «Бионика» Люсьена Джерардена и «Биологические прототипы и созданные человеком системы» Э.Э.Бернарда появились в 60-е годы. Различные отчеты о бионике, подготовленные для вооруженных сил, направлены только на выяснение отношений «человек – компьютер» и представляют собой исследования на границе между кибернетикой и нейропсихологией. В 60-е годы и в начале 70 вышло несколько статей в Saturday Evening Post, Mechanix Heustrated и Industrial Design, но они отличались излишне yпрощенной популяризацией. Как ни странно, со времени первого издания данной книги в области бионики было опубликовано мало нового. Читателю-неспециалисту адресованы только кни­ги «Архитектура животных» Карла фон Фриша, «Биомеханика» Карла Ганса и «Природа – мать изобретения» Феликса Партури В них интересно и подробно рассказывается, каким образом но­ваторство в дизайне и архитектуре связано с биологией.

Исключительно талантливые дизайнеры были во все време­на. «Птица – это инструмент, работающий по математическому закону; человек способен воспроизвести этот инструмент во всем его движении», – сказал Леонардо да Винчи в 1511 году. Огонь, рычаг и опора, ранние орудия труда и оружие – все это изобретено человеком, наблюдающим за процессами природы; возможно, колесо – единственное исключение из этого прави­ла. Но даже и здесь д-р Томасиас выдвигает хорошо аргументи­рованную гипотезу, что колесо изобретено в результате наблю­дения за бревном, катящимся вниз по наклонной плоскости.

За последние 100 лет и особенно после Второй мировой вой­ны ученые начали искать решение проблем в биологических на­уках и сделали исключительно важные открытия. Необходимо отметить существенное различие между дизайном древнего че­ловека и сегодняшним: мы можем считать первый молот про­должением кулака, первые грабли – своего рода когтями и сме­яться над попыткой Икара привязать к себе птичьи крылья и взмыть к солнцу. Однако сегодняшняя бионика занимается не столько формой частей или формой вещей, сколько возможнос­тью исследовать, каким образом происходят процессы в приро­де, понять взаимосвязь частей, существование систем.

Например, если показать психологу чертеж механизма для аппарата, который позволяет слепому читать, сканируя буквы и их в звуки, он сразу узнает в этом аппарате так называемый четвертый слой визуальной коры – часть мозга, ответственную за гештальтное видение*.

Уже при изобретении первых счетных машин ученые отметили сходство между функционированием машины и нервной системойчеловека. С появлением электроники это подобие стало еще более очевидным. Именно поэтому бионика так часто находит применение в дизайне компьютеров, где между компьютером и мозгом человека продолжается взаимное интеллектуаль­ное обогащение. Профессор Норберт Винер в Массачусетском технологическом институте в процессе конструирования ком­пьютеров работал с психологами, физиологами и нейропсихологами, чтобы лучше изучить мозг, в то время как д-р Хейнц фон Фоерстер в сотрудничестве с профессором В.Россом Эшби и д-ром У.Греем Уолтером в Иллинойском университете получал но­вую информацию об оптимальных конструкциях компьютеров, исследуя строение человеческого мозга. В 80-е годы для исследо­вания обеих этих областей нейрофизиология и микроэлектро­ника стали использоваться параллельно.

У. Грей Уолтер, английский физиолог, разработал простые эле­ктронные машины, положительно реагирующие на световой стимул и способные самостоятельно двигаться к ближайшему ис­точнику света. Своим изобретением Уолтер во многом был обя­зан исследованию фотофильного поведения простого мотылька. Гремучие змеи известны биологам как ямочные змеи из-за двух ямок у них на голове между ноздрями и глазами. В этих ям­ках находятся органы с такой тонкой чувствительностью к тем­пературе, что они распознают ее изменение на 1/1000 градуса. Такое различие может быть, например, между нагретым на солнце камнем и неподвижным кроликом. Подобный принцип компании «Филко» и «Дженерал Электрике» использовали при Дизайнерской разработке ракеты бокового поворота – раннего варианта ракеты теплового наведения типа «воздух-воздух», ко­торая берет на прицел выхлопные газы реактивных самолетов.

Органы ямочной змеи более чувствительны, чем сконструированные нами грубые аналоги. После многих лет исследований ракеты «воздух-воздух» все еще неточны; их реальное и испытание до сих пор невозможно, так как обойдется в два миллиона долларов (ABC Evening News, 9 марта 1983 г.). Слава богу по точности мы пока не можем сравниться с ямочной змеей.

В 1983 году факультет авиационного проектирования Колорадского университета начал изучать движение вверх и силу тяги у стрекоз, собираясь использовать полученные данные для разработки более маневренного и топливосберегающего возушного транспорта. Марвин Латтж возглавил коллектив биоинженеров и дизайнеров, которые подвешивали стрекоз в аэродинамической трубе, наполненной нетоксичным дымом. С помо­щью фотографий и видеозаписей движения насекомых изуча­лась аэродинамика стрекозы. По окончании исследований стре­коз невредимыми отпускали на свободу. Кроме применения ре­зультатов этих исследований в авиационном дизайне, эта об­ласть исследований в бионике, известная под названием «неже­сткий аэродинамический дизайн», должна позволить нам более точно предсказывать погоду, движение океанских течений и да­же направление, в котором потоки воздуха несут вредных насе­комых (Geo, ноябрь 1983 г.).

Летучие мыши ориентируются в темноте с помощью метода эхолокации: они издают высокий звук, который отражается от предметов на их пути и воспринимается их чувствительными ушами, – так они определяют свободный для полета путь. Прак­тически такой же принцип применяется в радарах и сонарах. Со­нар использует слышимые звуковые волны, радар – электро­магнитные волны.

Превосходный результат применения бионики в дизайне – высокоточный авиационный измеритель скорости. Он был раз­работан в результате исследования органов чувств жуков, кото­рые рассчитывают свою скорость в воздухе перед посадкой, сле­дя за двигающимися предметами на земле.

В начале 1970 годов д-р Ральф Редемске, специалист по био­нике, работавший в корпорации «Сервомеханизм» в Санта-Бар-баре, штат Калифорния, нанес на обычную пчелу тонкое алюми­ниевое покрытие. Это позволило ему сделать на стандартно» черном фоне более резкие фотографии каждой детали ее сложной структуры. Благодаря этой работе инженеры создали механические глаза по образцу глаз пчелы, которые теперь используются в компьютерных сканерах для распознавания формы.

Одно из самых интересных животных для новых дизайнерских решений – бутылконосый дельфин (Tursiops tmncatus). Дельфин пользуется навигационной системой, которая подобна радару и сонару, но не нуждается в слухе. Так же, как киты, дельфин морщит внешнюю поверхность кожи, используя этот эффект для улучшения маневренности и повышения скорости плавания. Эффекты, которые вызывает на поверхности земли вертолет, зависающий на расстоянии менее пятидесяти футов над землей, уже более десяти лет ставили в тупик авиационных инженеров. Благодаря исследованию стрекоз их причина прояснилась; полу­ченные знания нашли применение в опрыскивании земли и уда­лении льда с помощью вертолетов.

Acroncinus longimanus, самец с удлиненными передними ногами. Коллекция автора

Соотношение затрат и высвобождения энергии вызывает ин­тересные вопросы. Возьмем, к примеру, южноамериканскую плодовую летучую мышь, или летучую лисицу, и самца южно­американского жука Acroncinus longimanus. У плодовой летучей Мыши гигантский размах крыльев и большая сила, однако она использует сравнительно небольшой запас энергии. Невероятно Длинные передние ноги южноамериканского жука нуждаются в Ще меньшем количестве энергии, но все же их мощность значи­тельна.

Разница в затрате и высвобождении энергии у этих жуков по­палась мне интересной проблемой. Когда мне удалось препарировать нескольких жуков, я обнаружил жидкостную систему увеличения энергии. По своей биологической неосведомленности я, ликуя, решил, что сделал важнейшее теоретическое открытие. Конечно, если бы я препарировал этих жуков лет пятьдесят назад (в нежном пятилетнем возрасте), я мог бы сегодня прославиться как Отец жидкостных технологий. Но в этом анекдоте есть и серьезный момент: неизвестные мне жидкостные системы уже существовали. И можно с уверенностью предположить, что количество биологических принципов бесконечно и только ждут своего открытия.

Основное внимание в промышленном дизайне и дизайне окружающей среды, без сомнения, будет уделяться этологическому и экологическому подходу к системам, процессам и окружаю­щей среде. Когда промышленные дизайнеры говорят о «тоталь­ном дизайне», они имеют в виду два различных понятия. В од­ном случае дизайн, например, парового утюга неизбежно ведет к разработке логотипа, фирменного бланка производителя, спо­соба торговой демонстрации утюга, упаковки и даже некоторо­му контролю над рыночным распространением продукции. В другом смысле «тотальный дизайн» означает работу на самом производстве: проектирование оборудования для изготовления парового утюга, систем безопасности и внутризаводского транс­порта.

Но в будущем «тотальный дизайн» будет рассматривать паро­вой утюг (так же как и предприятие по его изготовлению и рек­ламные трюки) только как звено длинной биоморфной филоге­нетической цепи, в начале которой находятся нагретые камни и чугунные утюги, а в конце – полное исчезновение звена «паро­вой утюг» в результате массового введения немнущихся тканей или радикального переосмысления одежды как таковой.

Если промышленная революция дала нам механическую эру (сравнительно статичная технология движущихся деталей), ес­ли последние сто лет дали нам технологическую эру (более дина­мичная технология функционирующих деталей), то теперь мы входим в биоморфную эру (развивающаяся технология, даюшая возможность эволюционных изменений).

Нас учили, что машина – продолжение руки человека. Но да­же это уже неверно. В течение 5000 лет кирпичник мог делать 5оо кирпичей в день. Благодаря технологии стало возможным, чтобы один человек с помощью соответствующих вспомогательных машин делал 500 тысяч кирпичей в день. Но в результате биоморфных изменений и кирпичник, и кирпичи уходят в прошлое: теперь мы целиком формируем внешнюю поверхность постройки, то есть создаем многослойную панель с системами отопления, освещения, охлаждения и т.д.

Общую цепь превращений лучше всего показать на следующем примере. Известно, что поглощение 10 тысяч фунтов радиолярии дает жизнь тысяче фунтов планктона; тысяча фунтов планктона позволяет существовать ста фунтам мелких морских животных; эти животные, в свою очередь, создают десять фун­тов рыбы; нужно десять фунтов рыбы, чтобы создать один фунт мышечной ткани в человеческом организме. «Потери на тре­ние» в системе просто ошеломляющи. В Северной Америке 168 тысяч видов насекомых; на поле площадью 40 акров находится в 6-8 раз больше живого белка в виде насекомых, чем может дать жвачный скот. На самом деле мы едим мух; просто сначала они перерабатываются в траву, затем в коров и молоко.

Можно возразить, что обычному промышленному дизайнеру или инженеру не хватает подготовки в области естественных на­ук, чтобы использовать биологию в своей профессии. Возможно, это и верно, если мы пытаемся определить слово «бионика» в са­мом узком смысле, на кибернетическом или нейрофизиологиче­ском уровне. Но нас окружают явления природы и естественные структуры, которые еще по-настоящему не исследовались, не эксплуатировались и не использовались дизайнерами; биологи­ческие схемы, требующие исследования, доступны любому чело­веку, у которого есть свободное время на воскресную прогулку.

Возьмем, например, семена. Простое семя клена (Асегасеае saccharum), летящее с высоты даже нескольких футов над зем­лей, будет падать по спирали. Этот метод доставки с высоты на землю пока еще не нашел какого-либо полезного применения. Джордж Филиповски придумал, как использовать полетные ха­рактеристики семян клена для тушения лесных пожаров или до­ставки противопожарных средств в труднодоступные районы. Из недорогой сверхлегкой пластмассы было сконструировано искусственное семя клена длиной примерно в восемь и две тре­тьих дюйма. В то место, где находились семена, насыпали огнетушительный порошок. Эксперименты и исследования показали, что, когда кленовые семена (искусственные или настоящие) бросают в воздух над огнем, они естественным образом попадают в восходящие потоки теплого воздуха над пламенем Если же семена будут опущены ниже уровня восходящих потоков, в зону полувакуума, их траектория полета восстановится, и они полетят к наиболее горячей точке огня. Но вернемся к пластмассовым кленовым семенам. С летательного аппарата можно сбросить тысячи таких семян в мешках, раскрывающихся через определенный промежуток времени в тот момент, когда они опускаются ниже зоны восходящих воздушных потоков. Тысячи пласт массовых кленовых семян по кругу направляются к самой горя­чей точке пламени, где их оболочка сгорает и высвобождается огнетушитель. Это, конечно, не способ тушения лесных пожа­ров. Но так можно добраться до каньонов и других мест, кото­рые недоступны с земли, или парашютистам лесной охраны. Этот способ тушения пожаров прошел успешные испытания в Британской Колумбии.

Возобновление лесопосадок в тундре в самых северных райо­нах Аляски, Канады, Лапландии и России, а также возобновле­ние там популяций рыб реально с помощью водорастворимых кленовых семян, содержащих семена, споры или икру. Конечно, эти искусственные кленовые семена могут также содержать пи­тательный раствор, служить термопротекторами или перено­сить удобрения. Министерство окружающей среды и природных ресурсов Канады с успехом провело испытания этой системы.

С помощью искусственных кленовых семян можно распрост­ранять практически любой материал; диапазон допустимых раз­меров семян удивительно широк: я сконструировал оптимально действующие искусственные кленовые семена с размахом кры­ла до 46 дюймов. Но хорошо показали себя семена длиной от 1/8 дюйма.

У семян белого ясеня (Fraxinus americana) почти такие же характеристики, как у кленовых семян. При отсутствии ветра они падают почти прямо вниз, вращаясь по узкой спирали. При силь­ном ветре семена летят горизонтально или, будучи очень легки­ми, некоторое время поднимаются, продолжая быстро вращаться. Если масса семян сконцентрирована в небольшой плотной сфере, они падают гораздо быстрее, так как из-за уменьшенной площади поверхности трение о воздух сокращается. Однако, если бы семя было пустой сферой той же массы и с тем же поверхностным замедлением, но не вращалось бы, оно падало бы еще быстрее. Таким образом, мы видим, что вращение замедляет падение семян. Это объясняется тем, что при вращении семена используют энергию, которая в ином случае ускоряла бы падение.

Семена липы американской {Jilia americana) отличаются своей необычной траекторией полета. «Крылья» ускоряют вращательное движение по мере того, как семена медленно опускают­ся дрейфуя по ветру, несмотря на (сравнительно) большой вес двойного семени, которое торчит из крыльев на раздвоенной плодоножке.

Характеристики полета всех этих вращающихся по спирали семян еще недостаточно изучены. Вращение по спирали таких семян, искусственно воспроизведенное в другой среде, помимо воздуха (вода, масло, бензин), в практически полном вакууме или при разной гравитации также может стать богатым источ­ником дизайнерских концепций.

Семена китайского ясеня-айланта (Ailanthus altissima) при падении быстро вращаются вокруг своей продольной оси, делая полный оборот за то время, пока они опускаются примерно на четверть своей длины. Геометрию этого семени можно прибли­зительно показать с помощью свернутой бумаги (см. иллюстра­цию). В первой имитации оба конца закручены одинаково, что в природе встречается редко. В этом случае семя при безветрии опускается по прямой линии под углом примерно сорок пять градусов к горизонтали. Если же концы закручены неодинаково, как показано во второй имитации, семя летит по траектории, сочетающей спираль с осевым вращением. Вращающийся конец притягивает воздух от края семени внутрь, к его центру. В ре­зультате вокруг семени и под ним появляется зона высокого дав­ления, которая замедляет его спуск. Когда вращательные движе-¹¹⁵¹ одинаковы, обе стороны подают одинаковое количество воздуха к центру, в результате чего в этой области давление понижается. Следовательно, на семя воздействуют неравные силы. Семя скользит по осевой в направлении области более низкого давления. Таким образом, вместо того чтобы лететь по прямой линии, семя спускается по спирали. Сочетание осевого вращения, скольжения и спирального спуска придает каждому семени очень медленный и почти хаотичный полет. Для искусственных «семян» все эти характеристики – замедление, вращение скорость спуска, отклонение от курса, скольжение – могут быт программированы.

Семена дикого лука (Allium cernuum) и козлобородника им ют совершенно различные траектории полета. Семена диког лука – тонкая структура лучеобразных, кружевных, зонтичных образований. Десятки семян образуют подобный паутине шарик вокруг центрального стебля растения. Этот шар – сфера посто­янного давления и прерывистого сжатия. Зонтики тесно пере­плетены и слегка повернуты внутрь. Когда они отделяются, тон­кие волокна становятся плоскими и теряют свою выпуклость. Каждый «парашют», отделившийся от сферы, совершает резкий кувырок, чтобы его ворсинки не зацепились за другие семена. Эти семена падают как крошечные парашюты, только гораздо медленнее. Так как в отличие от парашютов у этих структур пло­ская верхушка в форме диска, состоящая из тонко переплетен­ных волосков, их скорость и траектория падения могут приго­диться в тех областях, где бесполезны обычные парашюты. Кро­ме того, их кружевной купол не может быть обнаружен с помо­щью радара.

Другие характеристики семян – якорное закрепление, зацеп­ки и крючки. В 6-й главе мы рассмотрели использование искусст­венных репьев для ограничения эрозии или в качестве «песча­ных якорей» в Судане. Обычный репейник (Xanthium canadense) прицепляется к меху животных или же, кстати, к мужским брю­кам во время прогулки осенью по полям. Особое действие крю­чочков применяется в нейлоновых застежках для одежды типа велькро. Здесь наружная поверхность крошечных петель и внут­ренняя поверхность маленьких крючков ориентированы по двум осям. Когда их прижимают друг к другу, их можно разделить только в одном направлении; они сопротивляются разделению по другим осям. Этот принцип был использован в изготовлении манжет для измерения кровяного давления; подошвы костюмов американских астронавтов также снабжены крючочками, позво­ляющими в условиях невесомости ходить по имеющей петельчатую структуру обивке внутренней поверхности космической капсулы.

Взрывающиеся семена – семена, которые благодаря внутренней конструкции стручка выбрасываются на двадцать лее футов, – новая область полезных исследований. Особ плодотворно было бы исследование семян маленькой ягоды Hubux arcticus, растущей только в Лапландском районе Финляндии. Семена знакомого нам «бешеного огурца» (Ecbellium elat ит) при выбросе достигают скорости распространения десять ярдов в секунду и скорости полета – около 20 миль в час Cyclanthera explodens из семейства тыквенных хранит свои се­мена под давлением шестнадцать атмосфер, распространяя их взрывообразно со скоростью 65 миль в час.

Характеристики роста практически любого растения могут подсказать новаторское решение многих проблем дизайна. Мы можем многое узнать, наблюдая за ростом обыкновенного зеле­ного горошка. Если горошек «идет в семена», ребро задней час­ти стручка прекращает расти. Но так как стручок продолжает развиваться, то вскоре он очень медленно раскрывается, и горо­шины «вылезают» из него. Мы убедили одного изготовителя дет­ских ректальных свечей использовать этот принцип для произ­водства упаковки. Раньше каждая свеча была завернута в сереб­ряную фольгу, по восемь штук в коробке. Три четверти глицери­на забивалось под ногти разворачивающих свечи родителей, причем свечи теряли стерильность. Чтобы решить эту проблему, упаковке придали не совсем обычную форму. Свечи укладыва­лись в полиэтиленовую упаковку, устроенную наподобие струч­ка, – с жестким ребром сзади и легко раскрывающимися створ­ками спереди. Их закрывала стиреновая крышка, которая плот­но прижимала упакованные свечи. Как только крышку открыва­ли – створки упаковки раскрывались, свечи приподнимались и выступали наружу. Стоило крышку задвинуть, створки сжима­лись, и свечи ложились на место.

 

Текст на рис. справа: При отсуствии ветра семена ясеня падают почти прямо вниз, вращаясь по узкой спирали. За один оборот семечко опускается примерно на ¼ своей длины. При сильном ветре семена летят горизонтально или даже поднимаются вверх, продолжая быстро вращаться. При вращении семена используют энергию, которая в ином случае ускоряла бы падение. ПАДЕНИЕ СЕМЕНИ ЯСЕНЯ. ОДИН ОБОРОТ

 

Три примера исследований аэродинамического поведения семян, проведенных группой аспирантов (Роберт Тоеринг, Джон К. Миллер и Джолан Труан) под руководством автора. Университет Пердью

 

 

Еще ничего не было сказано о теплоизоляции, хранении теп­ла, защите от холода и многих других свойствах семян.

В конце 1970 – начале 1980 годов я продолжал исследование защитных способностей семян. Стручки некоторых деревьев и кустарников раскрываются поздним летом, выбрасывая семена, присоединенные в похожему на вату пуху, благодаря которому ветер разносит их на большое расстояние. Здесь интересно то, что плотно упакованный пух, когда полностью расправляется, занимает объем в сорок раз больший того, что он занимал в стручке. Эти исследования привели к разработке усовершенствованной почтовой упаковки для точных приборов; последующие исследования были направлены на возможность действительно выращивать теплоизоляционный материал вокруг линз фото- и телекамер, инструментов и электронных приборов.

 

Эта упаковка была создана по образцу стручка гороха. Дизайн автора

 

Прежде чем закончить с темой семян, я хотел бы подчеркнуть, что заниматься бионикой весело и интересно. Мы начали с того, что написали на факультеты ботаники крупнеиших университетов Европы и Северной Америки о том, что интересуемся семенами растений с точки зрения их устройства как хранилищ взрывающихся механизмов, систем доставки «воздух-земля», глайдеров, парашютов и летательных аппаратов. Семьдесят полученных ответов нас разочаровали: каждый ботанический факультет объяснял, что такие абстрактные структурные характеристики не важны в сравнении с исследованием генетики растений.

 

 

Бешеный огурец. Этот феномен рассеивания похож на выпускающий воздух воздушный шар

 

 

Несколько коллег намекнули, что наше исследование могло бы заинтересовать «некоторых морфологов в каком-нибудь не­мецком университете столетней давности», но не в настоящее время. Но мы все равно продолжили классификацию семян по характеристикам их полета и рассеивания. Теперь, более чем че­рез пятнадцать лет, по-видимому, мы сами стали экспертами! Я и два моих помощника, бывших выпускника, постоянно получа­ем запросы о научной информации от тех самых университетов, которые первоначально отвергли нашу работу как несерьезную.

Такая же широкая область для бионико-дизайнерских исследо­ваний открывается в архитектуре растений, например в способах роста побегов бамбука, строении розы, различных конфигураци­ях стебля растений и свойствах грибов, водорослей, микроскопический грнибков и лишайников. Что касается последних, приведу один пример (которым обязан Уильяму Дж.Гордону и синектике).

При окраске внутренних стен зданий надо принимать во внимание стоимость краски, труда и возможный износ. Краска – это вещество, которое хорошо выглядит сразу после нанесения на стену, но со временем разрушается. Попробуем обозначить проблему так: можно ли найти замену краске – покрытие, которое может сначала выглядеть на стене неприятно, но потом будет самопроизвольно улучшаться и сохранять хорошее состояние? Искать ответ пришлось недолго. Лишайник (симбиоз водорослей и грибков) существует в природе в «широкой гамме декоративных расцветок». Ярко-оранжевые, фиолетовые, алые, серые, зеленые оттенки – около 118 цветов.

Пример исследования аэродинамический свойств семени китайского ясеня-айланта (Ailanthus altissima),Э коллективная работа студентов Джона Миллера и Джолан Труан, Университет Пердью. (Текст на рис.: строение семени, спиральное снижение, осевое кружение)

 

 

Теоретически мы могли бы выбрать лишайник по своему вкусу, нанести его на стену (вместе с питательным раствором) и затем присесть отдохнуть. Конечно, на первых порах стена может получиться пятнистой, но, когда лишайник начнет расти, цвет станет ровным. К сожа­лению, дизайнеру придется задуматься, можно ли заставить лю­дей полюбить ворсистые стены. Но возможно и серьезное при­менение. Практически все лишайники вырастают до высоты примерно полутора дюймов, и на них не отражаются колебания температуры от -30 до знойных 146 градусов по Фаренгейту. (Криптоэндолитные лишайники растут даже при -158 градусах!) Одно из возможных применений – посадить их вместо тра­вы на центральной полосе нью-йоркской автострады. Так как стрижка газонов обходится нью-йоркскому дорожному управлению примерно в 2,5 миллиона долларов в год, это будет большой экономией. Кроме того, можно ввести цветовой код: беркширский отрезок автострады засадить, например, голубым лишай­ником, а ответвление на Огайо – красным.

«Ворсистая краска для стен» наконец нашла свое примене­ние: цветной лишайник – замечательное покрытие для стен картинных галерей. Стены, ранее нуждавшиеся в постоянной ^Перекраске из-за дырок от гвоздей, теперь способны «самоза­живляться». Этот метод используется в галереях Западного Берлина, Амстердама, Югославии и других стран.

Механизмы роста и развития вербы подсказали одному сту­денту идею создания приспособления для посадки семян, которые можно использовать в тех странах мира, где земля твердая и неплодородная. Этот простой механический инструмент спроектированный на основе принципов бионики, может особенно пригодиться в Центральной Индии, Шанси и Шинкьянге, Ни ре, Нигерии и Чаде, а также Монгольской Республике. К тому это приспособление несложно и не требует ремонта, поэтому и могут пользоваться даже самые простые люди.

 

 

 

Перейдем совсем к другой области и посмотрим, что можно почерпнуть из кристаллографии. Если поставлена задача заполнить двухмерное пространство многоугольниками одинакового типа и размера, есть всего три способа ее решения: решетка из равносторонних треугольников, квадратов или шестиугольни­ков. Хотя число многоугольников бесконечно, мы не можем до­биться полного заполнения пространства с помощью других их типов. Восьмиугольники, например, потребуют вставок из ма­леньких квадратов; с пятиугольниками решение задачи невоз­можно.

 

Проект студента первого курса для развивающихся стран: исследование в области бионики. На первом рисунке (выше) – исследование строения веточки вербы. На втором рисунке (слева) – применение тех же принципов в приспособлении для посадки семян в крайне твердую почву. Университет Пердью

 

Если мы попытаемся проделать то же самое в трехмерном пространстве, у нас снова будет весьма ограниченное количест­во подходящих решений. Мы можем воспользоваться кирпича­ми, которые, кстати, являются разновидностью прямоугольной призмы, или по той же причине использовать равносторонние треугольные призмы или шестиугольные призмы. Применив любую из этих трех систем, строим двухмерную конструкцию в пространстве: на основе любой из трех базовых решеток получа­ется стена любой высоты и длины, толщиной, однако, всего в один кирпич. Подлинная интеграция в три измерения не состоя­лась.

Если мы будем искать нашу форму в кристаллографии и сре­ди неправильных многогранников, то обнаружим, что существу­ет одна и только одна фигура, которая позволяет построить ста­бильную, полностью интегрированную в трех измерениях про­странственную решетку: тетракаидекаэдр.

Тетра (четыре) каи (и) дека (десять) эдр: четырнадцатисторонний многогранник, состоящий из восьми шестиугольных Я шести квадратных граней. Несколько таких фигур легко соеди­нятся в пространстве благодаря их углам наклона и примыка­ния. Если мы рассмотрим отдельно взятую фигуру, то обнаружим, что она «круглее», чем куб, но «квадратнее», чем сфера. Она выдерживает давление (как извне, так и внутри) лучше, чем куб, но хуже, чем сфера. То есть хуже, чем единичная сфера: если собрать вместе много сфер одинакового размера (например, воздушных шаров), как гроздь винограда, и подвергнуть их ровному и постоянному давлению, погрузив в воду, мы увидим, что между нашими шарами возникают области низкого давления (в форме вогнутых сферических треугольных пирамид). Если давление еще возрастет, то шары примут наиболее стабильную форму, став скоплением тетракаидекаэдров. В действительности тетракаидекаэдр – обобщенная форма человеческой жировой клетки, а также многих других базовых клеточных структур.

Тетра каидекаэдры: архимедовы тела, плотно заполняющие трехмерное пространство

 

 

Идея тетракаидекаэдров была рекомендована студентам для применения в области дизайна. В результате мы получили много новых решений. Построив громадные структуры в форме тетракаидекаэдра диаметров тридцать восемь футов, мы смогли бы соорудить подводное помещение для людей и материалов, которым можно пользоваться при поиске полезных ископаемых и нефти на дне океана. В каждом модуле такой структуры – три этажа; скопление из 30-90 таких модулей составит целую станцию на дне океана, в которой разместятся 200-300 ученых и рабочих.