Каплизм и деформация кокона.
В качестве модельной системы упруго-гибкого кокона была использована структура Lacrymaria olor. Это одноклеточная хищная инфузория, который использует экстремальные морфологические изменения для расширения, сжатия и растяжения «сетчатой шеи» для захвата добычи.
У инфузорий кинематические модульные системы представляют собой подвижные реснички в виде спиралей из микротрубочек на поверхности и сократительные белковые сети, которые действуют на внутреннюю кору клеток. Эти системы организованы в пространстве посредством спиральной геометрии клеточного каркаса микротрубочек цитоскелета, прикрепленного к мембране и способны упруго-гибко обратимо деформироваться.
Биотек, или архитектурная бионика, — так называют современное течение «неоорганической» архитектуры, в которой выразительность конструкций достигается биоморфными формами. Основоположник этого вида конструкций — Владимир Георгиевич Шухов, запатентовавший свою первую сетчатую несущую оболочку ещё в 1895 году.
В 1960-е годы архитекторы всерьез занялись проектированием сооружений, имитирующих органические формы.
В настоящее время самым модным международным архитектурным стилем является блобизм. От слова блоб, капля, пузырь, шарик.
В 1991 году в журнале 21 век в статье «Новое поколение выбирает ЭЛЬПЮЛЬ» появилось слово каплизм.
Разнообразие природных форм и алгоритм спирали.
Природа неохотно использует жёсткие материалы, неспособные к деформации. Посмотрите, как легко капля воды, живая клетка или микроорганизм меняют свою форму. В нашем теле лишь скелет состоит из жёсткого материала и работает на сжатие, бóльшая же часть «биологического конструктора» — мягкие и упруго-гибкие ткани, работающие на растяжение. Эти упругие ткани снижают нагрузку на хрупкие кости скелета. Эластичные ткани способны к обратимой упругой деформации при нагрузках в 1000 раз больших, чем те, на которые рассчитаны искусственно созданные конструкции.
Совершенно другую картину мы видим в архитектуре. Приверженцы традиционной европейской школы жёстких, тяжёлых и хрупких конструкций создают мир, в котором страшные последствия землетрясений и наводнений стали нормой. Более того, обеспечение жёсткости и одновременно устойчивости сооружения обходится значительно дороже (в плане и материальных и энергетических затрат), чем создание упругих и пластичных конструкций. Для достижения больших обратимых деформаций сооружения требуется много простых и надёжных шарнирных узлов, производство которых кажется сложной технологической задачей. Но ведь природа создаёт шарнирные узлы любой формы! Образец отличного природного решения узлов и соединений в пластичной структуре, достойный подражания, безусловно молекула ДНК.
ДНК представляет собой упруго-гибкую нить, способную скручиваться в тугую спираль.
Для механиков ДНК напоминает туго скрученную пружину.
Для того чтобы эта «молекула жизни» могла поместиться в ядре клетки, она плотно скручена. Упакованная при помощи белков гистонов, она имеет вид бусин и петель, называемых нуклеосомами. Это первый уровень компактной упаковки ДНК.
В хромосомах ДНК свёрнута ещё несколько раз и образует более компактные структуры. Вероятно, чем выше степень суперскрученности молекулы, тем выше её способность противостоять разрушающим нагрузкам одновременно с увеличением содержащейся информации в единице её объёма. По форме нуклеосома представляет собой, условно, цилиндрический шарнир диаметром 11 нм и высотой 6 нм. ДНК закручивается петлей вокруг нуклеосомы, делая почти два витка.
Эта конструкция соединения петель-витков может быть взята на вооружение для создания сетчатых оболочек микро и макро размеров, в том числе зданий и средств передвижения.
Сборку такой оболочки можно осуществить наложением друг на друга упруго-гибких стержней с петлями по длине и на концах в параллельных плоскостях и их фиксацией. Фиксировать форму сетчатой оболочки можно с помощью, трубчатых насадок из металла и пластика на упруго-гибкие стержни. Упруго-гибкие стержни работают на растяжение, а трубчатые насадки — на сжатие. Образуемая таким образом поверхность сетчатой оболочки в стабильном состоянии будет состоять из треугольных или полигональных ячеек.
Технология спиральной гибки и кручения.
С её помощью люди смогут самостоятельно возводить персональные дома-оболочки и коконы, устройства любых форм и размеров и в кратчайшие сроки осваивать новые пространства на Земле и в космосе.
Пока это только мечты, в то же время уже сегодня можно собрать светящийся живой эластичный кокон способный менять свою форму для комфортной жизни.
Это может быть детский кокон-люлька напоминающий женскую матку.
Для этого достаточно воспользоваться бионическим конструктором, вобравшим в себя идеи строения живого организма.
Бионический конструктор.
Бионический конструктор имеет простые и равнопрочные шарнирные соединения, подобные нуклеосоме с «навёрнутой» на неё молекулой ДНК.
Стержни бионического конструктора закручиваются или загибаются с определённым шагом, образуя петли, и по структуре и топологии напоминают белок коллаген.
Стержни и петли формируют силовые ячейки, которые покрывают эластичной тканью, теплоизолирующими панелями или армоцементом.
Шарнирные связи между петлями создают винты с гайками или нарезные шпильки с фиксаторами.
На стержнях лёгких оболочек имеются трубчатые насадки, аналогичные микротрубочкам в живой клетке — внутриклеточным белковым структурам, представляющим собой полые цилиндры.
Они служат для увеличения прочности и устойчивости упруго-гибких стержней из пружинной стали или углепластика.
С помощью такого конструктора можно быстро и просто моделировать любые сложные поверхности с ячейками любых форм: треугольными, пентагональными, ромбическими, гексагональными, Вороного, Делоне, Чебышева.
Формой такой оболочки кокона можно управлять с помощью смартфона подающего команды на сократительные пояса телескопических линейных приводов каркаса кокона.
Каркас кокона, собранный по спиральной технологии, в 20 раз легче традиционного, и при этом его практически невозможно сломать.
Шарниры и стержни кокона, это пружины, отвечают на разрушительные нагрузки упругим и обратимым изменением формы.
Каркас складывается по длине и ширине; все его элементы взаимозаменяемы и могут использоваться многократно.
Кинематическая оболочка кокона способна стать несущей конструкцией жилого сооружения.
При необходимости жилое пространство легко увеличивается присоединением новых модулей оболочек к старым коконам.
Если в ДНК последовательность нуклеотидов служит генетическим кодом, то последовательность винтовых соединений элементов каркаса кокона определяет его параметры и форму. Оптимальной моделью формообразования служит сетка Чебышева с равными по длине сторонами ячеек.
П. Чебышев был учителем В. Шухова. К сожалению Шухову так и не удалось построить сетчатый купол.
Сегодня с помощью компьютерной программы можно быстро рассчитать оптимальную форму и оптимизировать механические свойства каркаса с учётом индивидуальных предпочтений.
Все поверхности «программируются» на определённые требования: устойчивость к перепадам температуры, механическим ударам, ураганному ветру, сейсмостойкость и др.
Каплевидные оболочки для жизни, или Эльпюль-коконы.
Впервые исследование математических закономерностей сетчатых поверхностей провёл Пафнутий Львович Чебышёв в работе «О кройке одежды» (сообщение в «Association franchise pour l’Avancement des Sciences» от 28 августа 1878 года).
Чебышёв установил математические принципы формообразования криволинейных поверхностей из плоских тканевых развёрток с четырёхугольными ячейками, наглядно продемонстрировав, что поверхность шара может быть полностью покрыта двумя изначально плоскими выкройками.
У Владимира Ивановича Вернадского в статье «О состояниях физического пространства» есть такое определение биосферы: «Биосфера представляет земную оболочку, в которой в состояниях пространства евклидовой трёхмерной геометрии косных естественных тел (кристаллов. — Авт.) включены дисперсным образом и в дисперсной форме бесчисленные мелкие римановские (эллиптические коконы. — Авт.) пространства живого вещества. Связь между ними поддерживается только непрерывным биогенным током атомов (через гиперболические участки пространства Лобачевского. — Авт.)».
К гиперболическим участкам могут относиться все виды связей, переходов и взаимодействий с внешней средой и соседними коконами.
Криволинейное пространство Лобачевского — это гиперболоид, воронка. Сумма углов треугольника на поверхности такого пространства меньше 180о. Всё, что находится в гиперболическом участке пространства, способно к перемещению.
Примером может служить воронка жидкости.
А вот пространство Римана — это кокон или эллипсоид. Сумма углов треугольника на эллиптической поверхности больше 180 градусов.
В гармоничном сочетании эти два пространства образуют каплевидную форму, то есть форму, которую принимает капля в условиях тяготения и на границе двух сред.
В невесомости капля представляет собой сферу, в условиях гравитации, деформируясь, она сочетает в себе участки с разной кривизной например у коконов насекомых или яиц у разных существ.
Назовём такую форму «эльпюль», где «эль» обозначает поверхность с гиперболической кривизной, а «пюль» — поверхность с положительной кривизной, то есть выпуклую. Отсюда и сам сетчатый бионический конструктор, позволяющий формировать жилой кокон, сочетающий разную кривизну, получил своё название.
Нерешаемой проблемой остаётся лишь создание эластичных сетчатых покрытий-кожи ячеек каркаса оболочки кокона.
“Представим себе древнейшее земное сооружение времен расцвета Вавилона, воздвигнутое из живого, возбудимого, развивающегося вещества; архитектоника его плавно проходит ряд переходных фаз, принимая у нас на глазах формы греческой и романской архитектуры, затем колонны становятся тонкими, как стебель, свод делается совершенно невесомым, устремляется вверх, арки превращаются в крутые параболы, потом заостряются, как в готике. Готика достигает совершенства, потом устаревает, ее строгость сменяется оргией пышных форм, на наших глазах расцветает причудливое барокко. Постепенно, переходя вместе с нашим живым сооружением от одного стиля к другому, мы придем к архитектуре космической эпохи”.
Станислав Лем. “Солярис”.
Технологии и устойчивость подвесных домов Б. Фуллера.
В 1927 году, младшая дочь Фуллера Александра, умерла от полиомиелита и спинномозгового менингита,
Фуллер, подумал о самоубийстве, но в конечном итоге решил посвятить свою жизнь эксперименту, чтобы выяснить, что возможно без гроша в кармане, неизвестный человек мог бы изменить мир. Смерть дочери побудила его спроектировать дома с высоким уровнем санитарии и чистоты от разных вирусов.
Вторая мировая война вызвала потребность в развитии технологий, медицины и укрытий для использования в военных целях. Возможно, с помощью открытий, сделанных в соответствии с этим спросом, Фуллер смог создать жилой дом, столь же устойчивый, как проект его ранний проект Dymaxion House. Dymaxion House решал проблемы существующего жилья, используя методы борьбы с чрезмерным потреблением энергии и воды, улучшая пространство и материалы, стабильность и устойчивость, а также предлагал способ создать дом будущего из доступных ресурсов и материалов в минимальные сроки. Экстремальный технологический прогресс и устойчивость здания позволяли решить проблемы в областях отопления, оптимизации пространства, материалов и вентиляции, эффективных внешних форм, конфигурацию внутреннего пространства, устойчивости, веса, простоты сборки и многих других ключевых экологических факторов.
Главной особенностью Dymaxion House было «использование прочной проволоки для создания более экономически выгодных конструкции с значительно повышенной прочностью при меньших материальных затратах».
В целом дом весил около 6000 фунтов или 3 тонны и обеспечивал 1600 квадратных футов (150 м.кв.) жилой площади. Все версии покрытия, выпущенные с этого времени, были изготовлены из прочных материалов — в основном из алюминия. Фуллер отдавал предпочтение алюминию из-за его естественных качеств, возможности вторичной переработки и отсутствия ухода или покраски. И хотя у этого материала была высокая стоимость, он служил долго, что перевешивало этот минимальный недостаток. Дома были спроектированы таким образом, чтобы каждый из их компонентов был достаточно лёгким, чтобы его мог переносить один человек, что обеспечивало удобную и лёгкую сборку и транспортировку. Механика дома заключалась в использовании растяжения и сжатия пространственной системы паутины — «новой» конструкции (аналог велосипедного колеса), основанной на растянутых тросах из пружинной проволоке. Мачта работала, как круглая опора с подвергнутыми сжатию трубчатыми кольцами на поясах оболочки, подвешенными наверху мачты. Элементы здания были подвешены сверху, а не опирались на опоры снизу, как в большинстве жилых зданий. Их несущая система была очень похожа на систему подвесного моста.
Мачту обычно называли центральным алюминиевым сердечником, в котором находилось все механическое оборудование и служила опорой для крыши и пола. Благодаря этой структурной системе удалось избежать использования тяжёлых строительных материалов, которые часто использовались для опоры, и дом был очень лёгким, экономичным, экологически чистым. Это была одна из концепций Бакминстера, в которой он разработал gridshell сетку, закреплённую к центральной мачте, которая бы максимально оптимально распределяла напряжения удерживаемой конструкции, обеспечивая стабильность и прочность здания, которое не требовало других опор и тяжёлого фундамента.
Дома также были съёмными и легко транспортируемыми.
Первый из этих очень похожих прототипов — Dymaxion House 1927 года — имел ориентировочную стоимость 3000 долларов ($1 в 1925 году = $13 сегодня).
В последующих модификациях дом постоянно проектировался так, чтобы его можно было купить по той же цене, что и автомобиль. По мере того, как массовое производство стало популярным, версия Dymaxion House 1930 года была построена, чтобы её можно было массово производить на конвейере так же, как и автомобили Форда. Со временем Фуллер, также включил использование зеркал и диафрагм для освещения всего дома одним источником и установил в доме систему вентиляции со сменными фильтрами. Желая свести к минимуму работу по дому, он разработал систему стиральной и сушильной машин, которая автоматически убирает одежду. Работая над деталями, которые делают дом максимально эффективным для пользователя. Устройство туалетов было ещё одной попыткой Фуллера сделать свои структуры полностью самостоятельными и устойчивыми. Это был прототип настоящего умного дома. Возмущённый идеей тратить питьевую воду на смыв, Фуллер разработал безводный унитаз, с помощью инженера по бытовой технике Дона Мура. В туалете экскременты запечатывались в полиэтиленовые пакеты, что исключало аэрозоли, переносящие болезни, связанные с регулярным смывом воды, это отвечало его желанию создать максимально чистые санитарные условия проживания. Содержимое герметичных пакетов использовалось для компоста, сырья, механических процессов и газообразного метана. Мочу собирали и хранили в отдельной ёмкости, и вся обстановка была очень аккуратной, чистой, гигиеничной и полностью без запаха. Частота коллективных услуг автоматически увеличивалась с ростом семьи. Ванная комната включала упаковочный туалет и туманный пистолет, изобретённые Фуллером. Помимо туманного пистолета и упаковочного туалета, в ванной комнате, также была встроенная раковина, душ (в котором использовался туманный пистолет ) и ванна. Как целостная система, она не требовала каких-либо отдельных устройств. Все углы и края имели радиус не менее 5 см для облегчения очистки и, следовательно, повышенной гигиены. Ванная комната отапливалась электрическими нагревательными пластинами в звукоизолирующих стенах, благодаря чему в комнате оставалось тепло и сухо, что предотвращало рост плесени и бактерий. В ванной комнате также была нисходящая вентиляция и система вентиляторов, которая всасывает воздух вниз и под раковину, вытягивая пар и дым из помещения. Зеркало было оптимально размещено внутри дверцы аптечки, избегая запотевания. Ванную комнату могли использовать два человека одновременно, с установленной на заводе системой трубопроводов, отделяющей зону ванны с душем от раковины и туалета. Ванна была достаточно глубокой для лечебных целей и развлечений, но также достаточно высоко поднята, чтобы легко можно было купать детей. Точно так же у насадки раковины был край, ближайший к пользователю, чтобы она не разбрызгивала воду на одежду людей. В ванной был слив в полу, что облегчало мытье полов. Здание было задумано, как небольшой дом на одну семью, для серийного выпуска во время Второй мировой войны. Организация по оказанию помощи Британским военным во время Второй мировой войны, попросила Фуллера спроектировать дом в качестве аварийного укрытия для своего народа от немецких бомбардировок британских городов. Дома должны были стоить 10 долларов за квадратный фут и были построены из гнутых листов оцинкованного гофрированного железа, в которых использовались те же методы производства, что и в самолётах того времени. Однако, в конце концов, из-за того, что Великобритания тратила много денег на оружие и другую оборонную продукцию, они никогда не создали эти убежища для своего народа. Вместо этого конструкция Фуллера использовалась радарными расчётами армии США в той же войне. Дом был был сконструирован таким образом, что ни одна деталь не весила более 10 фунтов (5 кг.), и его сборка была возможна для одного человека. Когда он был построен в середине 1940-х годов, стоимость единицы составляла 6500 долларов за штуку (66800 руб.). Было построено только два прототипа, и оба были куплены и объединены друг с другом и дополнительными частями Уильямом Грэмом в 1948 году. Прототипами были прототип Barwise, сделанный в 1945 году, и прототип Danbury, сделанный в 1946 году. Грэм использовал прототипы Фуллера для построить собственный двухэтажного дома в Уичито, где он прожил со своей семьей всю оставшуюся жизнь. В 1992 году дом был разобран и реконструирован в музее Генри Форда, как можно точнее в соответствии с намерениями Фуллера, где он стоит и сегодня. Из-за нежелания Фуллера доработать, на предложенных условиях со стороны правительства, свой проект привело к провалу успеха массового жилья на государственном послевоенном рынке. Как и все другие дома Dymaxion, Dwelling Machine имела центральную мачту и использовала принципы натяжения и подвески для сохранения целостности и устойчивости. Круглая форма здания сводила к минимуму потери тепла и использование материалов, делая его конструкцию экологически и экономически выгодной. Фуллер использовал материалы с максимальной эффективностью, на это повлияло его пребывание на кораблях и самолётах во время службы в армии.
Основная конструкция состояла из стальных элементов, таких как вертикальная мачта (из семи труб), натяжные тросы, трубчатые кольца, образующие внешнюю форму, и алюминиевое основание пола. Каркас дома был сделан из алюминиевых листов, пластиковых окон и настила пола из фанеры поверх алюминиевых балок. Как и почти все предыдущие версии проекта, конструкция была поднята над землёй и закреплена только на мачте натяжными тросами, а её основная форма опиралась на фундаментную плиту над уровнем земли, устойчиво удерживая мачту и дом. Основной вопрос для инженера, каким образом образованы узлы крепления в сетке Фуллера? Не секрет, что концевые заделки тросов самая дорогая и трудоёмкая операция.
Другие инновационные функции.
Дом охлаждали и обогревали за счёт естественных источников энергии и он генерировал собственную энергию. Он был сейсмостойким и устойчивым к штормам благодаря своей форме и системе подвески. Его устойчивости также способствовало вентиляционное отверстие на крыше, которое регулировало давление воздуха внутри здания. Вентилятор на крыше здания работал, вращаясь, по ветру, создавая зону низкого давления, которая открывала хвостовую часть вентилятора, и вытягивая воздух из дома, эффективно кондиционируя дом естественным образом. Когда вентилятор втягивал наружный воздух, окна открывались, что обеспечивало эффективный процесс вентиляции. Климатические условия были основным фактором; если дом должен был быть установлен повсюду, он должен был выдержать любые условия. Вот как Бакминстер Фуллер справился с возможными погодными условиями, с которыми должен был столкнуться дом:
- Круглая форма плавника на крыше придавали Dymaxion House аэродинамическую форму, позволяющую пережить торнадо.
- Круглый план также минимизировал площадь поверхности дома, подверженную воздействию нагрузок.
- Металлические сплавы для самолётов были использованы так, чтобы они были более прочными и устойчивыми к коррозии.
- Крышу не нужно было менять, как черепицу. Ткань и плёнка отражает лучистое тепло, рассеянное освещение внутри, и между слоёв воздушной теплоизоляции, удаляя капли конденсата.
- Желоб собирал воду, капающую снаружи дома, а также воду, которая конденсировалась на нижней стороне крыши.
- Мачта была усилена натянутыми тросами, аналогичными мачтам парусных лодок.Биоморфизм в 21 веке.