Биоморфизм и конструктор Эльпюль
Юрий Шевнин, инженер. Рисунки автора.
Инженер Юрий Шевнин обратился к «главной молекуле жизни» — ДНК и разработал конструктор «эльпюль», впитавший в себя идеи строения нуклеосом и теломер. Их топология подсказывает решение проблемы изготовления узловых соединений для строительства сетчатых оболочек жилых и общественных зданий.
Биотек, или архитектурная бионика, — так называют современное течение «неоорганической» архитектуры, в которой выразительность конструкций достигается биоморфными формами. Элементы организации живой жизни прослеживаются в зданиях немецкого экспрессионизма 1910—1920-х годов, среди которых можно выделить Стеклянный павильон, построенный Бруно Таутом в 1914 году в Кёльне. Важнейший элемент этой прозрачной конструкции — сетчатый купол из цветного стекла. Использование структур на основе сетчатых оболочек — один из основных способов создания конструкций стиля хайтек с криволинейными очертаниями. Основоположник этого вида конструкций — Владимир Георгиевич Шухов, запатентовавший свою первую сетчатую несущую оболочку ещё в 1895 году.
В 1920-х годах в советском художественном авангарде возникло «органическое» течение во главе с М. Матюшиным. Это архитектурное направление провозглашало своей задачей создание сооружений, форма которых вытекала бы из их конкретного назначения и условий окружающей среды, подобно форме живых организмов. Но только в 1960-е годы архитекторы всерьёз занялись проектированием сооружений, имитирующих органические формы. Основное препятствие в развитии архитектурной бионики — неприятие биоморфных криволинейных форм и оболочек сторонниками консервативной прямоугольной планировки и конструктивных схем зданий.
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 того чтобы эта «молекула жизни» могла поместиться в ядре клетки, она плотно скручена. Упакованная при помощи белков гистонов, она имеет вид бусин, 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 вокруг нуклеосомы, делая почти два витка.
Эта конструкция соединения может быть взята на вооружение для создания сетчатых оболочек макроскопических размеров, в том числе зданий и средств передвижения. Сборку такой оболочки можно осуществить наложением друг на друга упруго-гибких стержней в параллельных плоскостях. Их связывают петлями, расположенными по бокам стержня и на его концах. Фиксировать элементы сетчатой оболочки и её форму можно также с помощью упруго-гибких стержней, трубчатых насадок и петель-витков. Упруго-гибкие стержни работают на растяжение, а трубчатые насадки на них — на сжатие. Образуемая таким образом поверхность сетчатой оболочки состоит из треугольных или полигональных ячеек.
Этот подход уже используют в нанотехнологиях. Длина элементов для сетчатых оболочек из полимерных «молекул жизни» может составлять всего около 800 нм, а цилиндрических шарниров — 20 нм. Такие оболочки со временем станут основой для получения элементов электронных и оптических устройств и новых лекарственных форм, для создания сетчатых имплантатов, каркасов для выращивания тканей и других биодеградируемых структур. Самое интересное в этих наноструктурах — узлы соединений. Для их реализации в макромире на смену сварке и сверлению должна прийти технология спиральной гибки. С её помощью люди смогут самостоятельно возводить персональные дома-оболочки, устройства любых форм и размеров и в кратчайшие сроки осваивать новые территории.
И хотя пока это только мечты, уже сегодня можно собрать светодиодный светильник для домашних растений, сделать светящийся кокон для сохранения тепла или юрту для путешествий. 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 напоминают белок коллаген. Стержни и петли формируют силовые ячейки, которые заполняют теплоизолирующими панелями или армоцементом. Шарнирные связи между петлями создают винты с гайками. 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 кевлара. С помощью такого конструктора можно быстро и просто моделировать любые сложные поверхности с ячейками любых форм: треугольными, пентагональными, ромбическими, гексагональными, Вороного, Делоне и т.д.
Каркас, собранный по технологии спиральной гибки, в 20 раз легче традиционного, и при этом его практически невозможно сломать. Шарниры и стержни, подобно пружине, 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 способна стать несущей конструкцией жилого сооружения. При необходимости жилое пространство легко увеличивается присоединением новых оболочек к старым.
Если в ДНК последовательность нуклеотидов служит генетическим кодом, то последовательность винтовых соединений элементов каркаса дома определяет его параметры и форму. С помощью компьютерной программы можно в течение часа рассчитать оптимальную форму и 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-формы
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. — 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.
Криволинейное пространство Лобачевского — это гиперболоид, воронка. Сумма углов треугольника на поверхности такого пространства меньше 180о. Всё, что находится в гиперболическом участке пространства, перемещается. Примером может служить воронка жидкости. А вот пространство Римана — это сфера или эллипсоид. Сумма углов треугольника на эллиптической поверхности больше 180о. 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, но, деформируясь, она сочетает в себе участки с разной кривизной. Назовём такую форму «эльпюль», где «эль» обозначает поверхность вращения с гиперболической кривизной, а «пюль» — поверхность с положительной кривизной, то есть выпуклую. Отсюда и сам сетчатый бионический конструктор, позволяющий формировать любую поверхность, сочетающую разную кривизну, получил своё название.
Товарищ Травкин из старой данелиевской комедии «Тридцать три» говорил: «Старое не должно зачёркивать новое, а новое не должно зачёркивать старое». Это отличное руководство к действию для преображения старых городов. Возможности для такого преображения есть — широчайший выбор технологий и материалов. Нерешаемой проблемой остаётся лишь непреодолимое желание строить традиционные здания, неспособные к изменению формы и основанные на старых схемах жизнеобеспечения. Мешают нормы и правила, созданные в середине прошлого века, запрещающие строить здания с деформацией поверхности более чем на несколько миллиметров. Но если бы общество никогда не нарушало эти правила, мы бы никогда не увидели полёта вертолёта. Ведь жёсткие лопасти сломались бы при первом испытании.
Статья была представлена на конкурс научно-популярных статей «Био/мол/текст-2012» в номинации «Своя работа» и удостоена специальной премии.
Читайте в любое время
