Biomimikra w architekturze

Czego możemy nauczyć się od natury? Jaka powinna być architektura przyszłości? W poszukiwaniu optymalnych rozwiązań pomóc nam może natura. Aby pokazać zasady działania biomimikry w budownictwie, warto przyjrzeć się przykładom genialnych rozwiązań z innych dziedzin.

W 1994 roku japońscy inżynierowie pociągów dużej prędkości stanęli przed trudnym wyzwaniem. Wyznaczono ambitny cel – zapewnić przejazd koleją w czasie poniżej 2 h 20 min na odcinku 515 km łączącym dwa największe miasta zachodniej Japonii – Osakę i Fukuokę. Wymagało to opracowania nowego modelu pociągu, poruszającego się z prędkością co najmniej 350 km/h. Rozpędzenie składu do tej prędkości technicznie było osiągalne. Problemem okazały się generowane w trakcie jazdy, niemożliwe do rozwiązania konwencjonalnymi metodami trzy źródła hałasu: przekazywany poprzez tory, wywoływany przez nadwozie i pantograf oraz efekt fali mikrociśnieniowej, gdy poruszający się z dużą prędkością pociąg opuszczał tunel.
Kierujący zespołem inżynieryjnym Eiji Nakatsu, dzięki zamiłowaniu do ornitologii, wskazał dwa gatunki ptaków. Istnieje analogia pomiędzy superszybkim pociągiem a drapieżnikami – to konieczność zredukowania do minimum wydawanych dźwięków. Analiza budowy skrzydeł, pozwalających na bezszelestny lot sowy, pomogła w konstrukcji pantografu. Zimorodek (ang. Kingfisher) „podpowiedział” budowę nadwozia. Dzięki kształtowi dzioba i pozycji ciała przybieranej przy łowieniu ryb ptak ten może nurkować z jednej substancji (powietrza) do drugiej, 800 razy gęstszej (wody) z dużą prędkością, nie wydając przy tym dźwięku ani nie wzbudzając fali na powierzchni wody.
Zbudowano różnorodne modele pociągu w mniejszej skali do testów akustycznych. Stwierdzono, że najlepszym rozwiązaniem jest model bioniczny bazujący na zimorodku. Skonstruowano prototyp w skali 1:1, który pozwolił na osiągnięcie prędkości 300 km/h oraz spełnienie norm akustycznych 70/75 dB. Ograniczono opór powietrza o 30% oraz zużycie energii o 13% przy prędkości pomiarowej 270 km/h. W marcu 1997 roku JR-West wprowadziła do użytku nowy pociąg Shinkansen – serii 500, bijąc światowy rekord prędkości! Wpisał się on do historii jako pierwszy pociąg wykorzystujący technologie bioniczne.
Od tego czasu jesteśmy świadkami olbrzymiego postępu technologii czerpiących rozwiązania od organizmów żywych. Do świata wkracza dynamicznie rozwijająca się dziedzina nauki – biomimikra.

Biomimikra
Idea poszukiwania rozwiązań z przyrody jest tak długa jak historia cywilizacji. Przez wieki obserwacje ze świata natury były stosowane świadomie lub intuicyjnie w kulturze, wierzeniach, sztuce i architekturze. Przyroda stała się źródłem inspiracji dla koncepcji maszyn latających Leonarda da Vinci. Dzięki niej wykorzystujemy drewno do produkcji papieru, podobnie jak osy amerykańskie (Paper Wasp) używają go do budowy papierowych gniazd.
Inspiracje naturą aż do XX wieku były powierzchowne, a nawet naiwne. Często dotyczyły jedynie form, kształtów i zachowań. Wiele rozwiązań, jak np. konstrukcja samolotu pozwalająca na lot podobny ptakom, pozostawało w sferze marzeń. Dopiero głębsze zrozumienie zasad fizyki, matematyki i chemii umożliwiło rozwój technologiczny oraz opracowanie rozwiązań do tej pory nieosiągalnych. Dzięki zaawansowanym metodom obserwacji, rejestru oraz cyfryzacji wkraczamy do nowej epoki, by zagłębić się w świat natury w celu jej lepszego poznania i zrozumienia.

Biomimikra polega na celowym poszukiwaniu rozwiązań wśród organizmów żywych, opartym na faktach naukowych – tak, jak przy projektowaniu pociągu Shinkansen.

Dynamiczny rozwój idei i praktyki naśladowania przyrody zaczął się po II wojnie światowej. W latach 50. amerykański biofizyk Otto H. Schmitt rozwijał koncepcję naśladowania systemów występujących w naturze, używając terminu „biomimetics” (biomimetyka). Badał rozprzestrzenianie się impulsów neuronowych w nerwach kałamarnic. W efekcie udało mu się opracować wykorzystywane w układach elektronicznych urządzenie, tzw. przerzutnik Schmitta.

Następnie w 1960 roku pojawia się określenie „bionics” (bionika), ukute przez amerykańskiego doktora nauk medycznych Jacka E. Steela. Badał on wpływ ruchu, dźwięku oraz fali uderzeniowej na ludzkie ciało. W literaturze naukowej termin „biomimicry” (biomimikra) został użyty w 1962 roku i stał się popularny w latach 80. wśród naukowców badających właściwości materiałowe. Określenia te są spokrewnione, jednak zostały przypisane różnym środowiskom naukowym. Terminy „biomimetics” i „biomimicry” stosowano w świecie technologicznym w celu odróżnienia od świata biomedycznego, któremu przypisano termin „bionics”.

Technologie biomimetyczne rozwijały się dynamicznie bez spójnej doktryny aż do 1997 roku, kiedy ukazała się książka amerykańskiej pisarki, biologa – Janine Benyus, pt. Biomimicry: Innovation inspired by Nature. Publikacja lansująca ideę połączenia biologii oraz technologii okazała się bestsellerem. Biomimikra zyskała ambasadora w postaci założonego przez autorkę Biomimicry Institute i od tamtej pory jest przedmiotem sympozjów oraz wykładów na całym świecie. Jej popularyzacji podjął się nawet aktor Leonardo di Caprio, producent filmu o biomimikrze.

Dlaczego akurat ten termin? „Biomimetyka” i „bionika” mogą być wykorzystywane w różnych technologiach, np. militarnych. Z tego powodu „biomimikra” została powiązana z działaniem na korzyść życia. Poprzez rozwój technologiczny i przemysłowy wyrządziliśmy środowisku szkody. Równocześnie rozwój dał nam narzędzia, aby je naprawić. Trudno nie zgodzić się z Janine Benyus, według której idee oraz doktryny, takie jak zrównoważony rozwój, polegający jedynie na łagodzeniu negatywnych skutków przemysłowej działalności człowieka na Ziemi, jest niewystarczający. Dotarliśmy do momentu, w którym należy poszukiwać rozwiązań działających regeneracyjnie, sprzyjających koegzystencji człowieka z fauną i florą. Nie ma lepszego zdefiniowania misji niż to, co powiedział Buckminster Fuller: „aby świat pracował na 100% możliwości ludzkiego potencjału w możliwie najkrótszym czasie, poprzez spontaniczne współdziałanie, bez szkody ekologicznej lub niekorzyści dla kogokolwiek”.
Podstawą biomimikry jest zmiana postawy wobec natury: zamiast „nauki O naturze” – „nauka OD natury”. Dla inżyniera, naukowca, architekta pytanie „jak zrobiłaby to natura?” okazuje się rewolucyjne, gdyż organizmy żywe dostarczają niezliczonych odpowiedzi dzięki wykształceniu doskonalonych przez miliony lat strategii wykorzystujących różnorodne formy, systemy i procesy. Efektem tego jest bioróżnorodność, dobrze widoczna w przyrodzie.
Istotę biomimikry trafnie oddaje ukuta przez J. Benyus definicja: „conscious emulation of life’s genius” (pol. „świadoma emulacja geniuszu natury”). Wyraz „świadomy” odnosi się do działania intencyjnego. Nie wystarczy czegoś opracować, a następnie stwierdzić, że „to przypomina coś występującego w naturze”. Biomimikra polega na celowym poszukiwaniu rozwiązań wśród organizmów żywych, opartym na faktach naukowych – tak, jak przy projektowaniu pociągu Shinkansen.

Czy biomimikra może pomóc w tworzeniu lepszych rozwiązań w architekturze? To bardzo istotny obszar, gdyż główną rolę w obrocie energią na świecie (aż 50%) odgrywają budynki. Znalezienie optymalnych sposobów wykorzystywania zasobów w architekturze jest niezbędne w procesie transformacji do Ery Ekologicznej. Możemy określić trzy podstawowe paradygmaty niezbędne do osiągnięcia tego celu:
• odejście od paliw kopalnych do odnawialnych źródeł energii i wykształcenie
Ekonomii Solarnej,
• transformacja z liniowych procesów przetwarzania surowców do
procesów o zamkniętym obiegu i wykształceniu Ekonomii Cyrkularnej,
• radykalne zwiększenie wydajności w wykorzystaniu energii
i surowców.

Biomimikra w architekturze
Budynki przez okres swojego funkcjonowania stają się nieodłącznym komponentem środowiska. Można powiedzieć, że obiekty architektoniczne i infrastrukturalne to urządzenia pośredniczące w procesach wymiany zasobów oraz energii pomiędzy człowiekiem a środowiskiem naturalnym. Od tego, jak ukształtujemy architekturę i jakie wykorzystamy technologie, zależy przebieg tych procesów oraz to, czy oddziałują korzystnie na środowisko czy nie. Czy jesteśmy w stanie w pełni zintegrować nasze systemy techniczne z ekosystemem, wykorzystując energię odnawialną i ekologiczne surowce?
Możemy to osiągnąć, biorąc pod uwagę, jak wiele ma do zaoferowania natura. W czołowych jednostkach naukowych i pracowniach architektonicznych na świecie praktykowane są różne metodologie wykorzystania biomimikry w procesie projektowym. Wykształca się nowy model pracy – zespołów osób o specjalistycznej wiedzy z różnych dziedzin – w tym biologów. Sukces rozwoju biomimikry będzie zależeć od umiejętności pracy w zespołach interdyscyplinarnych. Poszukując rozwiązań biologicznych dla kreowania budynków przyszłości, należy posługiwać się odpowiednią skalą. Budynki można porównać do funkcjonowania pojedynczego organizmu, miasta zaś – do złożonego ekosystemu.
W skali architektonicznej trzeba uwzględnić następujące kwestie: strukturę, materiały, gospodarkę odpadami, wodę, komfort termiczny i zasilanie. Budynki przyszłości będą mogły lokalnie pozyskiwać energię elektryczną, wodę i regulować komfort termiczny, zupełnie tak jak organizmy potrafią adaptować się do siedliska, w którym żyją. W naturze wyewoluowały gatunki mogące przetrwać nawet w jałowych, pustynnych terenach, gdzie woda prawie nie występuje. Chrząszcz Onymacris unguicularis żyjący na pustyni Namib wdrapuje się na wydmę i dzięki specyficznej powłoce pancerza jest w stanie przekształcić drobinki z unoszącej się mgły w kroplę wody. Ten gatunek zainspirował do opracowania powłok bionicznych. Pokryte nimi budynki będą mogły pozyskiwać wodę z otoczenia. WIĘCEJ

Elewacje East Gate Centre wykonano z prefabrykowanych elementów betonowych pochłaniających promieniowanie słoneczne. Na fasadzie zastosowano nasadzenia roślinne absorbujące ciepło i obniżające albedo.

UWAGA !

Cyfrowe wydania dostępne bezpłatnie!

Aktualny numer magazynu Builder, numery archiwalne oraz pozostałe publikacje z Biblioteki Buildera do pobrania bezpłatnie w wersji cyfrowej:

na urządzenia mobilne (tablet, smartfon) w bezpłatnej aplikacji Builder Polska dostępnej w App Store i Google Play

do przeglądania na komputerach w dowolnej przeglądarce na stronie e.buildercorp.pl