Изобретения и нововведения 4 страница

 

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.

При сокращении диаметра модуля до одной восьмой дюйма был разработан новый тип радиатора для автомобиля, имеющий большую площадь поверхности и больший объем.

Складной домик для отдыха на двадцать спальных мест можно в сложенном виде перевозить в стандартном фургоне «Фольксваген» или «Дормобиль».

Из одиннадцати тетракаидекаэдров можно построить башню высотой в 418 футов. К ней по спирали, окружающей сердцевину можно присоединить еще 28 модулей. Так как каждый из них имеет три уровня, в результате получится роскошное жилое зда­ние. В центральной части башни будут лестницы, вентиляцион­ные шахты, лифты, водопровод, отопление и электричество. Кро­ме того, в любом модуле центральной части (также трехуровне­вом) будут располагаться ванные комнаты, кухни и другие под­собные помещения. Три этажа внешней спирали можно отвести под жилье, включая гостиные и спальни, а шестиугольная крыша каждой секции будет посадочной площадкой для вертолетов или садом. Так как каждая многосторонняя секция легко может быть «включена» в конструкцию или «выключена» из нее, каждый тетракаидекаэдр, входящий во внешнюю спираль, легко транспор­тировать по воздуху и присоединить к другим конструкциям в разных частях света. Ту же систему можно использовать для уст­ройства силосного сооружения или зернохранилища.

К первой демонстрационной модели этой структуры я привя­зал леску и потянул по воде. Она проявила замечательную пла­вучесть, подсказав идею создания громадных полых тетракаиде­каэдров изо льда, укрепленного водорослями, которые можно накачать сырой нефтью с тем, чтобы подводные лодки буксиро­вали их через Атлантический океан; тогда отпадет потребность в танкерах.

Но самое технологически элегантное применение тетракаи­декаэдров относится к космическим станциям. Предположим, что базовая структура из них, где каждый имеет три уровня и тридцать восемь футов в диаметре*, запущена на замкнутую ор­биту на расстоянии 200 миль от земли. В ней можно разместить 300 работников. Если мы запустим на орбиту еще несколько отдельных модулей, то обнаружим, что (благодаря множеству углов схождения и примыкания, упомянутых выше) 300 работников могут присоединить за двадцать четыре рабочих часа еще пятьдесят блоков. В этот момент станция (которая, кстати, имеет достаточно сильное центробежное вращение, чтобы достичь подобия земного притяжения) будет вмещать 600 человек. После двух дней работы она может принять 1 200 человек, еще че­рез пять дней – 9 600, через десять дней – 307 200, а через пят­надцать – 9 830 400. Другими словами, за две недели она вмес­тят целые популяции, причем все люди разместятся в трехуров­невых структурах. Теперь, если придать ускорение всей конст­рукции, то, когда она прилетит, например на Марс, вторую пла­нету системы Альфы Центавра или астероид Вольф 359, будет возможно высадить людей вместе с их домами и построить го­род сразу по приземлении.

В настоящее время я работаю над исследовательским проек­том, посвященным тетракаидекаэдрам. Он направлен на ис­пользование этой формы для постройки зернохранилищ, кото­рые были бы менее подвержены спонтанным взрывам зерновой пыли. В сельскохозяйственных районах такие взрывы каждый год уносят много жизней, и потери зерна оцениваются в милли­оны долларов. Если распределить зерно по более мелким моду­лям в форме тетракаидекаэдра, его можно перевозить в этих но­вых контейнерах на грузовиках, по железной дороге или на бар­жах. По прибытии модули можно соединить вместе в одну баш­ню и снова разъединить, не опасаясь, что зерно рассыплется.

Исследования, связанные с тетракаидекаэдрами, проводи­лись в 1954-1959 годах. Кристаллические формы могут найти са­мое разное применение. Уильям Катаволос из Нью-Йорка пред­положил, что города можно «выращивать». Принимая во внима­ние важные открытия, сделанные в России в области кристалло­графии после 1970 года, и то, что теперь мы научились выращивать крупные полые кристаллы, есть вероятность, что мы скоро сможем «посеять» целый город и поселиться в нем, когда он вырастет.

Округлый ромбоикосадодекаэдр, состоящий из 80 равносторонних треугольников и 12 пятиугольников, совершенно естественно подходит для возведения купольных структур. Хотя у таких куполов есть родственное сходство с геодезическими сооружени­ями Бакминстера Фуллера, они проще в постройке, так как все их стороны прямые и имеют равную длину, а все углы одинаковы.

Даже если привести любые случайные идеи, связанные со структурой морских раковин, регенерацией, внешними скелет­ными структурами и различными двигательными системами рыб, плавательными движениями змей, «свободным» парением летающих рыбок, мы только поверхностно коснемся нескольких областей бионики, которые могут дать много полезного для ди­зайнерских разработок.

Принцип суставного соединения скелета змеи использован в линейке регулируемой кривизны, созданной для компании Кейффель и Эссер. Здесь снова следует отметить, что примене­ние бионики в дизайне никогда не предполагает копирования по визуальной аналогии. Скорее отыскивается основной, базовый органический принцип, а затем уже идет речь о его применении.

Многие виды жуков: Propomacrus bimucronatus, Euchirus longi-manus, Chalcosoma atlas и Forma colossus, Dynastes hyyllus и centau-rus, Dynastes hercules и Grand horn и Neptunus quensel, семейства Megasomae (elephans, anubis, mars, gyas) и Goliathi (особенно Goliathus Goliathus drury, atlas, regius klug, cacius, albosignatus, meleagris, и Fornasinius fornasinii и russus, а также Meoynorrhinse и Melagorrhinae, семейство Macrodontiae и особенно Acrocinus longimanus L (только самцы) снабжены «передними механизмами ма­неврирования» необыкновенного разнообразия и сложности. Ни один из этих механизмов еще не нашел целесообразного при­менения.

Бионический дизайн стал возможен непосредственно благо­даря этологии. Джон Тил, профессор экологии человека в Уни­верситете Аляски исследовал в 1970 годы брачное поведение и приручение мускусного быка. Мускусный бык, имеющий сорок восемь хромосом, назван неточно: это не бык, а родственник козы и антилопы, и он не дает мускуса. Шерсть мускусного быка превосходит овечью по влагонепроницаемости и тешюизоляции. Джон Тил сам занялся довольно необычной работой по (доместикация) одомашниванию мускусных быков, которых не давалось приручить на протяжении всей истории существова­ния этих животных. Он применил особые гормональные средст­ва в результате чего увеличилось число рождающихся детены­шей. Завершив исследования, ученый передал все свои разра­ботки эскимосским племенам и лапландцам по всему северному тундровому поясу мира. И дело пошло. Переработка шерсти, ко­торой занялись северные народы, прядение и ткачество измени­ли уклад их жизни, социальные отношения и экологию.

Размышления о возможности приручить в будущем микробы открывают новые пути дизайнерского планирования в области бионики: применение в медицине, управлении окружающей средой, уничтожении отходов, ограничении загрязнений и т.д.

В некоторых областях дизайна можно воспользоваться прак­тически точной копией природных явлений. Так был создан в 1940 году в Дюссельдорфе гигантский вертикальный токарный станок.

Летательный аппарат «Госсамер Альбатрос» с мускульным педальным приводом, на котором в 1979 году был осуществлен перелет через Ла-Манш, доказывает, что, совместив два-три от­дельных биологических принципа, – «коллизия» Артура Кестлера – можно осуществить одно из древнейших мечтаний челове­чества – научиться летать.

Лондон с пригородами, население которого примерно равно населению Нью-Йорка, обладает невероятно примитивной и запущенной водопроводной системой, но использует, однако, в че­тыре раза меньше воды, чем Нью-Йорк. Причина этого кроется в биоморфности лондонской системы, построенный по правилам разветвления прожилок листа. Д'Арси Уэнтуорт Томпсон форму­лирует эти правила так:

 

1. Если ствол разделяется на две равные ветви, то они находятся под равным углом к стволу.

2. Если одна ветвь меньше другой, то ствол составляет с большей ветвью меньший угол.

3. Все мелкие ветви, которые практически не ослабляют и не уменьшают основной ствол, отходят от него под большим углом в 70-90 градусов.

 

 

Водопровод в Лондоне был проложен по вышеописанным пр_ав лам и представляет собой биологически стабильную систему Нью-йоркский водопровод, напротив, является прямоугольной решеткой. На бумаге это выглядит симпатично (особенно дляинженеров), но сама система работает менее эффективно, так как повышает турбулентность и «потери на трение».

В некоторых областях начинают разрабатываться «обход­ные» методы решения проблем. При звуковой анестезии (эта си­стема недавно стала применяться в зубоврачебной практике) на пациента надевают стереонаушники, и он слушает звукозапись. По третьему каналу передается непрерывный крик или плач, ко­торый пациент должен постоянно устранять с помощью пульта управления. Пациент настолько сосредоточивается на своей за­даче, что практически не чувствует боли, так как нервные им­пульсы обходят нервные окончания и болевые рецепторы.

Когда в тридцатые годы вы звонили из телефонной будки за пять центов и линию вам соединял телефонный оператор, это было выгодно. При наличии полностью автоматизированного оборудования, спутниковой связи и недостатке операторов это уже экономически невыгодно даже при междугородных и меж­дународных звонках. В 1970 году «Белл телефон системе» предло­жила ввести стандартные помесячные счета за переговоры, что позволило бы делать неограниченное количество прямых звон­ков от станции к станции в любой точке материка.

Теперь эта идея пересматривается. С распадом и децентрали­зацией телефонной системы «Белл» компания «Эй Ти энд Ти» вы­двинула несколько предложений. Все они сводятся к тому, что оформление счета клиенту обходится дороже, чем сам телефон­ный звонок: снова предлагается ввести номинальные счета на прямые междугородные или международные телефонные звон­ки – ведь стоимость любого звонка, сделанного с помощью опе­ратора, может возрасти примерно на 200%.

Телефоны и другие средства связи образуют невидимую сре­ду, подкрепляя концепцию Маршалла Маклюэна, что «мир большая деревня». Однако в проектировании реально существуюй окружающей среды дизайнерские группы, включающие архитекторов, градостроителей, ландшафтных дизайнеров, региональных землеустроителей и иногда социологов, работают все еще традиционно.

Именно в области дизайна окружающей среды бионический подход и биологические знания, почерпнутые из новейших ис­следований по экологии и этологии, окажутся наиболее ценны­ми. Пытаясь выжить в условиях загрязнения окружающей среды от города Канзас до Сен-Луиса, Чикаго, Кливленда, Ири и Баф-фало, мы способствуем увеличению числа тюремных заключен­ных, обитателей старых и новых трущоб, психиатрических боль­ниц и кооперативных домов стоимостью 150 000 долл. Воздейст­вие всех этих человеческих типов друг на друга, а также взаимо­действие с доминирующей культурой еще предстоит изучить, истолковать и понять.

Результаты исследований, проведенных за последние двенад­цать лет над животными, находящимися в условиях стресса и крайней скученности, оказались весьма тревожными. Жировое перерождение сердца и печени; кровоизлияния в мозг; атероскле­роз с сопутствующими инсультом и сердечными приступами; на­рушение деятельности надпочечников; разные виды рака и других злокачественных новообразований; перенапряжение зрения; глау­кома и трахома; крайняя апатия, летаргия и ослабление стай­ных инстинктов; высокая частота выкидышей; нежелание ма­терей ухаживать за своими детьми; беспорядочные связи среди молодняка; рост сексуальных отклонений и появление нового сек­суального подтипа, ярко и настойчиво, хотя и поверхностно, проявляющего мужественность, но на самом деле асексуального. Все это напоминает список нравственных отклонений и недугов населения современных больших городов, но речь о другом. Пе­речисленные выше симптомы отмечались у таких несходных животных, как миннесотские зайцы, олень сика, норвежские крысы и некоторые виды птиц. Общий знаменатель – стрессо­вый синдром перенаселения. Подобные паттерны поведения на­блюдались среди узников концлагерей и заключенных в тюрь­мах, что побудило д-ра Джона Калхауна из Национального ин­ститута психического здоровья поставить точный и летальный диагноз «патологическая совместность». С ростом перенаселения все эти проблемы весьма усугубились. До сегодняшнего дня при планировании окружающей среды на эту проблему не обращают внимания.

Промышленный дизайн и дизайн окружающей среды – это те сферы деятельности, в которых учебные заведения должны с точки зрения идеологии находиться на переднем крае. Профес­сиональные сообщества дизайнеров, которые на своих собрани­ях бесконечно и бесплодно пытаются дать определение промы­шленного дизайна, могли бы бросить взгляд и на другие пробле­мы. В конце концов, электричеству так и не дали определение, но оно описано как функция; его значение выражается в терми­нах отношений – например, отношение между напряжением и силой тока. При этом люди не страдают от того, что называют себя электроинженерами или электриками. Промышленный ди­зайн и дизайн окружающей среды тоже могут быть выражены только через свои функции в терминах отношений: отношений между возможностями и запросами человека.

9 Ответственность дизайна: