Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική - Η φύση ως Μοντέλο

βιομιμητική στην αρχιτεκτονική, η φύση ως μοντέλο

Σπουδάστρια: Μαρούδα Ιουλία I Επιβλέπων: Δ. Παπαλεξόπουλος Ι Μάρτιος 2015

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική ι Η φύση ωσ Μοντέλο

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Αρχιτεκτόνων Μηχανικών Διάλεξη 9ου Εξαμήνου

σπουδαστρια:

Ιουλια Μαρουδα Επιβλέπων Καθηγητησ: Δημήτρησ Παπαλεξόπουλοσ

Μάρτιοσ 2015

Ευχαριστώ τον κύριο Παπαλεξόπουλο για τις πολύτιμες συμβουλές του, την οικογένειά μου και τους φίλους μου

Περιεχόμενα κεφάλαιο 1

Εισαγωγή

1.1 Εισαγωγή

9 11

κεφάλαιο 2 Θεωρητικό Πλαίσιο

2.1 Η έμπνευση από τη φύση ανά το χρόνο

2.2 Βιομιμητική Ι Όροι και ορισμοί

2.3 Τα τρία στάδια βιομίμησης

2.4 Τι δεν είναι βιομίμηση Ι διαχωρισμός από άλλες βιο-προσεγγίσεις

2.5 Εφαρμογές της βιομιμητικής

2.5.1 Εφαρμογές στις διάφορες επιστήμες

2.5.2 Εφαρμογές στην αρχιτεκτονική

2.6 Η οικολογική προσέγγιση

2.7 Μορφογένεση Ι από τη βοτανική στην αρχιτεκτονική

2.7.1 Μορφογένεση στην αρχιτεκτονική

13 15 19 21 22 26 26 30 35 37 40

5

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

κεφάλαιο 3

Μαθαίνοντας από τα συστήματα των φυτών

3.1 Εισαγωγή

3.2 Μεταβολισμός και μορφολογία

3.2.1 Η σχέση μεταβολισμού και μορφολογίας

a. Φωτοσυνθετικός μεταβολισμός και μορφολογία φυτών

b. Παράταξη Φύλλων

c. Δίκτυα διακλάδωσης

d. Συμπεράσματα

3.2.1 Παραδείγματα

a. Κέλυφος για κτήριο στον Πειραιά, Ioannis Douridas

3.3 Συστήματα Διακλάδωσης

3.3.1 Εισαγωγή

3.3.2 Lindenmayer-systems (L-systems)

3.3.3 Παραδείγματα

a. Διακλαδωτό συστημα εξαερισμού, Yukio Minobe

b. Έρευνα σε διακλαδωτές μορφές, Pavel Hladik

c. Genr8 3.4 Συστήματα Υλικών

3.4.1 Εισαγωγή

3.4.2 Γεωμετρία των φυτών και δομική δυναμική

a. Bamboo

b. Φοίνικας

c. Μη γραμμικές δυναμικές

3.4.3 Παραδείγματα

a. Σύνθετο υλικό ενισχυμένο με ίνες γυαλιού

b. Τεχνητός μίσχος φυτού 6

43 46 47 49 51 51 52 54 55 55 61 64 64 66 64 72 73 79 82 84 85 88 88 89 89 90

3.4.3 Κίνητικοί μηχανισμοί

3.4.4 Παραδείγματα

a. Hygroscopic / Responsive Structure Surfaces

b. Flectofin

κεφάλαιο 4

91 92 94 101

Η βιομιμητική διαδικασία και λογική

4.1 Εισαγωγή

4.2 Τα τρία είδη διαδικασιών βιομίμησης

4.3 Η μορφογενετική και εξελικτική εξερεύνηση

4.4 Η βιομιμητική είναι η λύση, αλλά ποιο είναι το πρόβλημα;

4.5 Έχει φτάσει η βιομίμηση στην αρχιτεκτονική;

4.6 Επίλογος

105 108 108 110 111 113 114

βιβλιογραφία ευρετήριο εικόνων

115 121

7

κεφάλαιο 1 εισαγωγή

Εικ.1

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

10

Εισαγωγή

1.1 Εισαγωγή

«Αν είμαστε προετοιμασμένοι, και όπως φαίνεται είμαστε, ώστε τα κτίριά μας να μοιάζουν με ζώα και φυτά , ίσως θα έπρεπε να επιχειρούμε να τα κάνουμε να λειτουργούν και σαν αυτά» Hugh Aldresey-Williams, ‘Towards Biomimetic Architecture’

Ξεκίνησα αυτή την εργασία, αναζητώντας περισσότερα στοιχεία για την εντυπωσιακή είσοδο της βιολογίας στην αρχιτεκτονική πρακτική, όπως την έβλεπα στην έντυπη ή ηλεκτρονική βιβλιογραφία. Ήταν πραγματικά γοητευτικό, παρά το αρχικό χάος από νέους όρους και θεωρίες που αντιμετώπιζα, το πώς έξυπνες λύσεις για τεχνητά συστήματα προέρχονταν από φυσικούς οργανισμούς. Η έννοια της βιομιμητικής σε κάποιους μπορεί να είναι δεδομένη και για κάποιους άγνωστη. Ο όρος βιος + μίμηση αναφέρεται στη μελέτη των σχεδίων της φύσης και στη μίμηση τους για να επιλυθούν ανθρώπινες προκλήσεις 1. Πρόκειται για μια σχετικά νέα επιστήμη που δεν ξεκίνησε από την αρχιτεκτονική αλλά από τη μηχανολογία, και στηρίζεται σε μια βασική παραδοχή: ότι η φύση μετά από 3.8 δισεκατομμύρια χρόνια εξέλιξης έχει τις λύσεις που μπορούν να λειτουργήσουν σαν μοντέλα για την ανθρώπινη κατασκευή. Φυσικά η βιο-έμπνευση έχει μια μακρά ιστορία αιώνων. Από την εποχή κατά την οποία φυσικές μορφές χρησιμοποιούνταν ως διακοσμητικό στοιχείο σε προσόψεις οδηγηθήκαμε σε μια εποχή που το κτίριο ομοίαζε με πουλί ή φυτό μέσα από βιομορφικές αναζητήσεις. Κάποια στιγμή όμως οι αρχιτέκτονες και οι ερευνητές άρχισαν να διερωτώνται: μήπως το κτίριο δεν πρέπει να μοιάζει με ζωντανό οργανισμό αλλά να συμπεριφέρεται σαν αυτόν; Στόχος μου με αυτή τη μικρή έρευνα είναι να αναζητήσω τους τρόπους και τις στρατηγικές με τα οποία γίνεται αυτή η μεταφορά από τη φύση στην αρχιτεκτονική, και πόσο βαθειά είναι εν τέλει αυτή η σχέση. Ξεκινάω το κύριο μέρος της εργασίας στο κεφάλαιο Θεωρητικό Πλαίσιο με κάποιες εισαγωγικές έννοιες που θα βοηθήσουν στην περαιτέρω κατανόηση πολλών από τους όρους αλλά και τον τρόπο σκέψης γύρω από τον οποίο δομείται η βιομίμηση. Στο επόμενο κεφάλαιο Μαθαίνοντας από τα συστήματα των φυτών, επιλέγω να αναλύσω διεξοδικά τις στρατηγικές με τις οποίες η αρχιτεκτονική αντλεί παραδείγματα από την ανάπτυξη και λειτουργία των φυτικών οργανισμών, προσπαθώντας παράλληλα να ομαδοποιήσω κάποια από τα διαφορετικά σημεία στα οποία εντοπίζεται η μέχρι τώρα βιομιμητική έρευνα. Εδώ αναγνωρίζουμε τρεις βασικούς άξονες βιομιμητικής αφαίρεσης: το μεταβολισμό, τα συστήματα διακλάδωσης και τα συστήματα υλικών. Το τέταρτο κεφάλαιο Η βιομιμητική διαδικασία και λογική, αναζητά τη μεθοδολογία πίσω από το υπάρχον ερευνητικό έργο καθώς και θέτει ερωτήματα για το ρόλο της βιομίμησης μέσα στο σχεδιασμό.

1

Πηγή http://www.designboom.com/contemporary/biomimicry.html , τελευταία επίσκεψη 29 Ιαν. 2015

11

κεφάλαιο 2 θεωρητικό πλαίσιο

Εικ.2

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

2.1 Η έμπνευση από τη φύση ανά το χρόνο

Η αρχιτεκτονική αντλούσε ανέκαθεν έμπνευση από τη φύση, από τα βιομορφικά στοιχεία των αρχαίων ρυθμών ως σήμερα. Η επιθυμία να κατανοηθούν και να ακολουθηθούν οι βαθύτερες μορφές της φύσης σε αναζήτηση της αρμονίας συναντάται στα γραπτά του Βιτρουβίου ή στις μορφολογικές μελέτες του Γκαίτε. Όμως, ήταν η έκρηξη της βιολογίας στις αρχές του 19ου αιώνα αυτό που άλλαξε την προσέγγιση μας προς το φυσικό κόσμο. Η εκτενής μορφολογική εξέταση και η χρήση φυσικών μοτίβων που εμφανίζεται στο στυλ Art Nouveau στα πολιτιστικά κέντρα της Ευρώπης συμπίπτει με τις ενδελεχείς έρευνες πρωτοπόρων βιολόγων και φυσιοδιφών. Χαρακτηριστικό είναι το παράδειγμα του Ernst Haeckel, Γερμανού βιολόγου και ζωολόγου, ισχυρού υποστηρικτή του Δαρβινισμού, ο οποίος ανακάλυψε, περιέγραψε και ονόμασε χιλιάδες νέα είδη ζώων ενώ πρότεινε νέες αντιλήψεις πάνω στην εξελικτική θεωρία του ανθρώπινου είδους2. Το 1917 ο D’ Arcy Wentworth Thompson στο έργο του On Growth and Form, ανέλυσε την ανάπτυξη και δομή των φυσικών οργανισμών με μαθηματικούς και φυσικούς όρους3. Παράλληλα με αυτά, έχουμε την άνοδο της βιομηχανικής παραγωγής ως το κυρίαρχο χαρακτηριστικό της ζωής σε οικονομικό, Εικ. 3 Ανάλυση των κόκαλων της λεκάνης αρχαίων πτηνών από το έργο του D’ Arcy Thompson 2 Encyclopædia Britannica Online, s. v. “Ernst Haeckel”, τελευταία επίσκεψη Νοέμβριος 18, 2014, http://www.britannica.com/EBchecked/ topic/251305/Ernst-Haeckel.

3 Encyclopædia Britannica Online, s. v. “Sir D’Arcy Wentworth Thompson”, τελευταία επίσκεψη Νοέμβριος 18, 2014, http://www.britannica. com/EBchecked/topic/592951/Sir-DArcy-Wentworth-Thompson

14

Θεωρητικο Πλαισιο

αισθητικό και πολιτικό επίπεδο4. Στο πρώτο μισό του 20ου αιώνα, η σχέση αρχιτεκτονικής και φύσης παραμένει σταθερή πλην όμως δευτερεύουσας σημασίας και εμφανίζεται κυρίως στα έργα αρχιτεκτόνων όπως ο Frank Lloyd Wright ή ο Alvar Aalto5. Η σχέση αυτή εκφράζεται κυρίως με τη χρήση φυσικών υλικών και οργανικών στοιχείων, τη ροηκότητα μεταξύ του εσωτερικού και εξωτερικού χώρου ή τη σχέση του κτιρίου με το περιβάλλον του. Ο φονξιναλισμός, αντίθετα, απορρίπτει τη χρήση οργανικών μορφών. «Για κάποιο καιρό, ακόμα και η μοντέρνα αρχιτεκτονική ήταν πεπεισμένη ότι μπορούσε να μετατρέψει απλές συντηρητικές λειτουργίες στον ακρογωνιαίο λίθο της ύπαρξης και θεωρούσε οποιαδήποτε άλλη ανάγκη της ζωής ως πολυτέλεια, σαν κάτι το επιφανειακό»6. Η οργανική αρχιτεκτονική επιστρέφει στη δεκαετία του 1950, μετά τις δυνατότητες που έδωσε η χρήση των μπετονένιων κατασκευών κατά τη διάρκεια του πολέμου. Αυτό εκφράζεται έντονα στο έργο αρχιτεκτόνων όπως ο Pier Luigi Nervi, ο Gio Ponti και ο Oscar Niemeyer. Παράλληλα, η ομάδα του Frei Otto, ακολουθεί μια πειραματική προσέγγιση στην προσπάθεια να κατανοήσει τις φυσικές δομές και διαδικασίες, και τελικά κάνει χρήση των φυσικών νόμων για το σχεδιασμό νέων κατασκευών όπως για παράδειγμα, η μελέτη επιφανειών σαπουνόφουσκας σε τάση, που οδήγησε στην ανάπτυξη κατασκευών από μεμβράνες. Αυτή η πειραματική αναζήτηση της μορφής δεν εμφανίζεται για πρώτη φορά. Είναι μια στρατηγική που προέρχεται από τον Antoni Gaudi, ο οποίος πολύ νωρίτερα χρησιμοποιούσε κρεμαστά μοντέλα εργασίας από διαφορετικά υλικά, για να κατασκευάσει τα εντυπωσιακά κελύφη του7. Κατά τη δεκαετία του 1960, στη μεταπολεμική Ιαπωνία, αναπτύσσεται για πρώτη φορά η ιδέα της εφαρμογής αρχών της βιολογικής ανάπτυξης στην αρχιτεκτονική σε μεγάλη κλίμακα. Οι κτισμένες ή θεωρητικές μεγα-κατασκευές του μεταβολισμού επικεντρώνονταν στην έννοια της παροδικότητας. Όπως η φύση υπόκειΕικ.4 Πειραματικό μοντέλο του Frei Otto 4 Myers W.(επιμ.), Beyond Biomimicry, στο Bio Design: Nature + Science + Creativity, Εκδ. The Museum of Modern Art, New York 2014 5 Ο.π.

6 Gruber P., Biomimetics in Architecture: Architecture of Life and Buildings, Springer Vienna Architecture 2010, σελ. 52, αρχικά σε Kuhlmann, D.: Metamorphosen des Organizismus, 1998 7 Gruber P., Biomimetics in Architecture , 2010, σελ. 52

15

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

ται σε μετασχηματισμούς, έτσι και τα κτίρια και οι πόλεις συνεχώς μεταβάλλονται σχηματίζοντας κύκλους μεταβολισμού8. Η ιδέα του κτισμένου χώρου ως σύστημα που επηρεάζει το περιβάλλον του ωρίμασε με την άνοδο του περιβαλλοντικού κινήματος και της ενεργειακής κρίσης στις δεκαετίες του 1960 και 1970. Σε πιο πρόσφατα παραδείγματα, βλέπουμε το έργο των ντεκονστρουκτιβιστών, όπως αυτό των Coop Himmelb(l)au, οι οποίοι επιχειρούν να ξεπεράσουν τις παραδοσιακές θεωρήσεις περί τάξης και βαρύτητας. Ακόμα, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν μέθοδοι σχεδιασμού με την είσοδο μορφογενετικών και εξελικτικών αρχών, κάτι που συμβαίνει στο έργο αρχιτεκτόνων όπως οι Foreign Office Architects ή o Greg Lynn9. Η έμπνευση από τη φύση μπορεί να βρεθεί με πολλές διαφορετικές εκφράσεις στην αρχιτεκτονική του σήμερα. Καθώς η ραγδαία ανάπτυξη των επιστημών έχει αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο μελετάται η φύση, αντίστοιχα μεταβάλλονται οι αναφορές της αρχιτεκτονικής σε αυτή. Η έμπνευση πια δεν παραμένει εξωτερική και συμβολική, αλλά εμβαθύνει στην κατανόηση της εσωτερικής λογικής των συστημάτων της.

Εικ. 5 Nakagin Capsule Tower του Kisho Kurokawa, χαρακτηριστικό δείγμα του κινήματος του μεταβολισμού, 1972

Η βιολογία άνοιξε ένα νέο επίπεδο θεώρησης μέσα από την ανάλυση και μαθηματικοποίηση των δομών της φύσης. Όπως αναφέρει ο Michael Hensel στην εισαγωγή του άρθρου Computing Self-Organisation: Environmentally Sensitive Growth Modelling10, η απεικόνιση του φυσικού περιβάλλοντος οδήγησε στην κατανόηση και ευαισθητοποίηση απέναντι σ’ αυτό. Αυτή η κατανόηση αφορά όλες τις κλίμακες. Η φωτογράφηση από δορυφόρους μας παρέχει γνώσεις για τις «κλιματικές και τεκτονικές δυνάμεις» ενώ η μικροφωτογραφία δίνει λεπτομέρειες για τη λειτουργία και τη συμπεριφορά ακόμα και μικροοργανισμών. Για τον D’Arcy Thompson 11 «η 8 Myers W., 2014 9 Gruber P., Biomimetics in Architecture , 2010 σελ., 53 10 Hensel Μ., Computing Self-Organisation: Environmentally Sensitive Growth Modelling, Techniques and Technologies in Morphogenetic Design, AD/vol76/March/ April 2006, Michael Hensel/ Achim Menges/ Michael Weinstock (επιμ.), εκδ. Wiley, London 2006, σελ. 12-17 11 Thompson, D’Arcy Wentworth, ‘On the Theory of Transformations, or the Comparison of Related Forms’, On Growth and Form, Cambridge University Press , 1992

16

Εικ. 6 Το Embyrological House του Greg Lynn εμπνέεται από την εξελικτική βιολογία και τα φαινόμενα στροβιλισμού

Θεωρητικο Πλαισιο

επιστήμη του βιολόγου είναι πιο ακριβής στις απαιτήσεις της από αυτή του φυσικού», καθώς η δεύτερη αρκείται στη γενική ή ιδανική μορφή των πραγμάτων, ενώ η πρώτη αναζητά το ακριβές. Το 1969 ο Charles Jencks είχε προβλέψει ότι η βιολογία θα γίνει η κυρίαρχη μεταφορά για τη δεκαετία του 90 και η πηγή του πιο σημαντικού αρχιτεκτονικού κινήματος του αιώνα12 , μια άποψη που επαναλαμβάνεται συχνά σήμερα, με την έκφραση ότι «διανύουμε τον αιώνα της βιολογίας» να ακούγεται διεπιστημονικά13 . Στις μέρες μας, οι προηγμένες τεχνολογίες, τα μέσα παραγωγής, αλλά ακόμα και τα οικονομικά ή περιβαλλοντικά ζητήματα, μας ωθούν προς μια κατεύθυνση στην οποία η φύση δεν αποτελεί πια την αφηρημένη έμπνευση για μορφολογικές αναζητήσεις, αλλά το μοντέλο προς ανάλυση από το οποίο αντλούμε τους μηχανισμούς για την επίλυση των προβλημάτων που προκύπτουν στον τεχνητό κόσμο.

12 Jencks C., Architecture 2000: Predictions and Methods, Studio Vista, Λονδίνο,1971 13 Venter J. Craig και Cohen Daniel, ‘The Century of Biology’, τελευταία επίσκεψη Ιούνιος 11,2014 http://www.digitalnpq.org/archive/2014_winter/07_ ventercohen.html

17

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική Εικ. 7 Διατομές των στελεχών δύο πλατάνων Acer pseudoplatanus σε μικρή ηλικία

2.2 Βιομιμητική Ι Όροι και ορισμοί

Τόσο για την αρχιτεκτονική, όσο και για τις άλλες επιστήμες, η σημασία της μελέτης της φύσης έγκειται στο γεγονός ότι κάθε φυσικό σύστημα είναι αποδοτικό. Η βιομιμητική είναι η επιστήμη που ασχολείται ακριβώς με αυτό, δηλαδή είναι η μίμηση των μοντέλων, των συστημάτων, και των στοιχείων της φύσης με σκοπό την επίλυση σύνθετων ανθρώπινων προβλημάτων14. Παρ’ ότι προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις βιο + μίμησις, δεν πρόκειται για την καθεαυτό μίμηση της φύσης, αλλά για τη μελέτη και τη διαδικασία αφαίρεσης των συστημάτων τα οποία μας δίνουν λύσεις.

Σύμφωνα με τον Michael Pawlyn, αν και αυτό δεν μπορεί να αποδειχθεί, οι πρώτοι ανθρώπινοι θόλοι ήταν εμπνευσμένοι από τη μορφή των αυγών15. Από τα πρώτα παραδείγματα βιομίμησης είναι οι ιπτάμενες μηχανές του Leonardo Da Vinci μετά από έρευνα στην ανατομία των πουλιών, ή το πρώτο αεροσκάφος των αδερφών Wright. Ωστόσο η βιομιμητική (biomimetics) επινοήθηκε από τo βιοφυσικό Otto Schmitt κατά τη δεκαετία του 1950, ο οποίος επικέντρωσε την έρευνα του σε συσκευές που μιμούνται φυσικά συστήματα. Ο συνώνυμος όρος βιονική(bionics) χρησιμοποιήθηκε πρώτη φορά από τον Jack Steel της πολεμικής αεροπορίας των ΗΠΑ το 1960 σε μια συνεδρίαση στη βάση της πολεμικής αεροπορίας Wright-Patterson στο Daiton του Ohio. Ο όρος βιομίμηση (biomimicry) εισήχθη σχετικά πρόσφατα, το 1997 όταν η επιστήμων και συγγραφέας Janine Benyus εξέδωσε το βιβλίο Biomimicry: Innovation Inspired by Nature.

Κατά τις έρευνες που έχουν γίνει στο θέμα την τελευταία δεκαπενταετία οι όροι «βιομίμηση», «βιομιμητική», «βιονική» , «βιογνωσία» καθώς και περιφράσεις αυτών έχουν την ίδια σημασία16. Ο πρώτος ορισμός της έννοιας που δόθηκε από τον Otto Schmitt στο λεξικό Webster’s το 1974 είναι ο εξής:

Η μελέτη του σχηματισμού, της δομής, της λειτουργίας των βιολογικώς παραγόμενων ουσιών και υλικών (όπως τα ένζυμα ή το μετάξι) και βιολογικών μηχανισμών και διεργασιών ( όπως η σύνθεση πρωτεΐνης ή η φωτοσύνθεση) ειδικά με σκοπό τη σύνθεση παρόμοιων προϊόντων από τεχνητούς μηχανισμούς που μιμούνται φυσικούς.17

14 Πηγή: http://en.wikipedia.org/wiki/Biomimetics τελευταία επίσκεψη 19 Ιουν. 2014 15 Pawlyn M. , ‘Introduction, Origins of biomimicry’, Biomimicry in Architecture, RIBA Publishing, London,2011, σελ. 5 16 Vincent Julian F. V. , Bogatyreva Olga A., Bogatyrev Nikolaj R., Bowyer Adrian, Pahl Anja-Karina, Biomimetics: its practice and theory, J.R. Soc. Interface, 2006, σελ. 1 Πηγή: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1664643/ τελευταία επίσκεψη 23 Αυγ 2014 17 Πηγή: http://www.merriam-webster.com/dictionary/biomimetics τελευταία επίσκεψη 23 Αυγ.2014

18

Θεωρητικο Πλαισιο

19

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

Για τον καθηγητή βιομιμητικής Julian Vincent ορίζεται ως «η αφαίρεση του καλού σχεδιασμού από τη φύση»18. Η Janine Benyus μιλά για τη «συνειδητή εξομοίωση της ευφυΐας της φύσης»19, έναν ορισμό τον οποίο επιλέγει προσεκτικά, θέλοντας να τονίσει μέσω των λέξεων συνειδητή εξομοίωση (conscious emulation) ότι η μίμηση είναι μια κριτική συσσωμάτωση των αρχών της φύσης και όχι μια ρηχή αντιγραφή, ενώ αναφερόμενη στην ευφυΐα της φύσης, απευθύνεται στις τεχνολογίες που κατανοούν και αποκρίνονται στις αρχές που διέπουν τη ζωή, εμβαθύνοντας σε ανώτερα στάδια βιομίμησης.

2.3 Τα τρία στάδια βιομίμησης

Στα πλαίσια αυτής της διαφοροποίησης στο βαθμό βιομίμησης η Benyus αναγνωρίζει τα εξής τρία στάδια βιομίμησης20: Το πρώτο στάδιο είναι η μίμηση της φυσικής μορφής. Ως παράδειγμα η συγγραφέας χρησιμοποιεί τη μίμηση της δομής των φτερών της κουκουβάγιας για την κατασκευή ενός υφάσματος που ανοίγει οπουδήποτε στην επιφάνειά του. Μια τέτοιου είδους μεταφορά είναι μόνο η αρχή της βιομίμησης, καθώς δε μπορούμε να προβλέψουμε τη βιωσιμότητα του αποτελέσματος. Το επόμενο στάδιο είναι η μίμηση της φυσικής διαδικασίας, ή του πως φτιάχτηκε. Τα φτερά της κουκουβάγιας αυτό-συναρμολογούνται στη θερμοκρασία σώματος, χωρίς τοξίνες ή υψηλή πίεση. Με αυτού του είδους το μηχανισμό ασχολείται ο αναπτυσσόμενος κλάδος της πράσινης χημείας. Το τρίτο στάδιο βιομίμησης αφορά τη μίμηση των φυσικών οικοσυστημάτων. Το φτερό της κουκουβάγιας αποτελεί μέρος της κουκουβάγιας, η οποία αποτελεί μέρος του δάσους, που είναι μέρος ενός μέγα-οικοσυστήματος, που αποτελεί μέρος μιας βιόσφαιρας. Για τη συγγραφέα, το παραγόμενο προϊόν της βιομίμησης – στην προκειμένη περίπτωση το ύφασμα- πρέπει να είναι μέρος μιας μεγαλύτερης οικονομίας η οποία δουλεύει για την προστασία του φυσικού κόσμου και όχι εναντίον του.

18 Όπως αναφέρεται στο βιβλίο του Michael Pawlyn , Introduction, What do we mean by biomimicry?, στο Biomimicry in Architecture, RIBA Publishing, London,2011, σελ. 2 19 Benyus, J. A biomimicry Primer, Πηγή: http://biomimicry.net/about/biomimicry/a-biomimicry-primer/ τελευταία επίσκεψη 26 Αυγ. 2014 20 Ο.π.

20

Θεωρητικο Πλαισιο

2.4 Τι δεν είναι βιομίμηση Ι διαχωρισμός από άλλες βιο-προσεγγίσεις

«Ο βιομορφικός σχεδιασμός ίσως αποκτούσε μια νέα σημασία αν , αντί να αντιγράφουμε εν αγνοία τις μορφές φυτών και ζώων , αναγνωρίζαμε ότι η βιομίμηση μας διδάσκει ότι η μορφή είναι η πιο σημαντική παράμετρος από όλες» Julian Vincent , ‘Biomimetic Patterns in Architectural Design’21 Οι έρευνες των τελευταίων ετών επικεντρώνουν την προσοχή τους σε πρακτικές που συχνά συγχέονται με τη βιομίμηση αλλά αποτελούν διαφορετικές προσεγγίσεις της φύσης. Η Jeanin Benyus22 επισημαίνει δύο διαφορετικές έννοιες, αυτή της βιο-αξιοποίησης (bio-utilisation) και των βιο-υποβοηθούμενων τεχνολογιών (bio-assisted technologies). Η πρώτη έννοια πρόκειται για την απ’ ευθείας χρήση στοιχείων της φύσης για παραγωγικούς ή ευεργετικούς σκοπούς, π.χ. η κοπή ξυλείας για την κατασκευή πατώματος ή η καλλιέργεια φαρμακευτικών βοτάνων. Η δεύτερη έννοια αφορά την εκμετάλλευση ή εξημέρωση οργανισμών για την τέλεση μιας λειτουργίας π.χ. η χρήση βακτηρίων για τον καθαρισμό νερού ή η εκτροφή αγελάδων για την παραγωγή γάλακτος. Για τον Michael Pawlyn23 είναι ακόμα σημαντικό να ξεχωρίσουμε τη σημασία της έννοιας βιοφιλία (biophilia), μια υπόθεση του βιολόγου E.O. Wilson ότι τα ανθρώπινα όντα διατηρούν έναν ενστικτώδη δεσμό με τους άλλους ζωντανούς οργανισμούς24. Ένας ακόμα διαχωρισμός κρίνεται απαραίτητος να γίνει μεταξύ των ορισμών βιομίμηση και βιοτεχνολογία. Η βιοτεχνολογία ασχολείται με τη μικροβιολογία, τη μοριακή βιολογία καθώς και τα βιοχημικά προϊόντα. Μέσω αυτής, οι οργανισμοί τροποποιούνται γενετικά παράγοντας τις επιθυμητές ουσίες ή αποβάλλουν τις ανεπιθύμητες. Στις περισσότερες έρευνες, είναι ευκόλως διακριτό το αν πρόκειται για βιομίμηση ή για βιοτεχνολογία, ωστόσο σε κάποια εγχειρήματα – όπως είναι η παραγωγή τεχνητών υλικών με χαρακτηριστικά φυσικών- τα

21 Vincent J., ‘Biomimetic Patterns in Architectural Design’, Special Issue: Patterns of Architecture, AD/vol79/November/December 2009, Mark Garcia (επιμ.), εκδ. Wiley, London 2006, σελ. 74-81 22 Benyus, J. A biomimicry Primer 23 Pawlyn M., ‘Introduction, What do we mean by biomimicry?’, Biomimicry in Architecture, RIBA Publishing, London,2011, σελ. 2 24 Πηγή: http://en.wikipedia.org/wiki/Biophilia_hypothesis τελευταία επίσκεψη 05 Σεπτ. 2014

21

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

όρια μεταξύ των δύο εξαφανίζονται25. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα συνθετικής βιολογίας που λειτουργεί με βιομιμητική λογική είναι η παραγωγή βιολογικού τσιμέντου, γνωστού ως bioconcrete, από τους ερευνητές του πανεπιστημίου του Delft, το οποίο έχει την ιδιότητα να αυτό-επιδιορθώνεται στα σημεία τα οποία εμφανίζει ρωγμές, μέσω της χρήσης μιας ειδικής ομάδας βακτηρίων τα οποία όχι μόνο επιβιώνουν σε αντίξοες συνθήκες, αλλά επιπλέον παράγουν ασβεστόλιθο φυσικά26. Στον τομέα της αρχιτεκτονικής κρίνεται σκόπιμο να διαχωρίσουμε τις ιδιότητες μεταξύ των εννοιών «βιομιμητική» και «βιομορφισμός». Ο βιομορφισμός τρέφεται από τη φύση σε επίπεδο μορφής και συμβολισμού. Η ιστορία της αρχιτεκτονικής έχει να επιδείξει πληθώρα υψηλών παραδειγμάτων βιομορφισμού, όπως είναι ο τερματικός σταθμός TWA του Eero Saarinen στο αεροδρόμιο John F Kennedy της Νέας Υόρκης, έργο στο οποίο ο αρχιτέκτονας αιχμαλωτίζει το «πνεύμα της πτήσης»27 με τα τσιμεντένια φτερά της μορφής του. Άλλο ένα διάσημο παράδειγμα είναι οι κολώνες που θυμίζουν νούφαρα του Frank Lloyd Wright στο κτίριο Johnson Wax, μια οργανική μεταφορά της μορφής και μόνον των νούφαρων.

Εικ. 8 Το bioconcrete, αποτέλεσμα έρευνας του TU Delft, έχει την ιδιότητα να αυτο-επιδιορθώνεται

Ο λόγος που θεωρείται σύμφωνα με τον Pawlyn υψίστης σημασίας ο διαχωρισμός μεταξύ των δύο πρακτικών, είναι διότι η βιομιμητική επιφέρει μια λειτουργική επανάσταση την ώρα που ο βιομορφισμός αφορά μια καθαρά μορφολογική προσέγγιση του σχεδιασμού. Παρ’ όλα αυτά εμφανίζονται γκρίζες περιοχές ανάμεσα στις δύο έννοιες, μέσα σε έργα που έχουν μελετήσει ενδελεχώς τη μορφολογία της φύσης και παρουσιάζουν μια βαθειά κατανόησή της. Όπως αναφέρει ο συγγραφέας, ένας αποτελεσματικός τρόπος διαχωρισμού τους είναι διερωτώμενοι αν ο σχεδιασμός εμπλέκεται με τη λειτουργία που πραγματοποιεί η εκάστοτε φυσική μεταφορά. Αν η απάντηση είναι ναι, τότε πρόκειται για βιομίμηση, αν είναι όχι, τότε πρόκειται για βιομορφισμό.

25 Speck O., Speck T., ‘Process sequences in biomimetic research’, στο Design and Nature IV, WIT Transactions on Ecology and the Environment, Vol 114, 2008 WIT Press 26 Myers W., 2014, σελ. 80-81 27 Perez, Adelyn, ‘AD Classics: TWA Terminal / Eero Saarinen’ , 02 Jul 2010. ArchDaily. Τελευταία επίσκεψη 06 Σεπτ. 2014. Πηγή: <http://www. archdaily.com/?p=66828>

22

Εικ. 9 Ο τερματικός σταθμός TWA στο αεροδρόμιο JFK, από τον Eero Saarinen, χαρακτηριστικό παράδειγμα βιομορφισμού

Θεωρητικο Πλαισιο

Επιστρέφοντας στη μελέτη της Jeanine Benyus, συναντάμε τη διευκρίνιση της διαφοράς ανάμεσα στη σημασία του «μαθαίνοντας από τη φύση» αντί για «μαθαίνοντας για τη φύση» , καθώς το πρώτο απαιτεί μια θεμελιωδώς διαφορετική επιστημονική προσέγγιση, εμπεριέχοντας την έρευνα πάνω σε έναν οργανισμό, τη μετέπειτα προσπάθεια μίμησης και συχνά την επιστροφή στον οργανισμό με μια νέα σειρά ερωτημάτων, μια διαδικασία που ονομάζεται «μια σε βάθος συνομιλία με τον οργανισμό» από τον γενετιστή φυτών Wes Jackson. Το να μάθουμε από τη φύση συνεπάγεται τις εξής ερωτήσεις: τι θα έκανε η φύση εδώ (η φύση ως μοντέλο), τι δε θα έκανε εδώ ( η φύση ως μέτρο) και γιατί; Γιατί όχι; (η φύση ως μέντορας).

23

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

24

Θεωρητικο Πλαισιο Εικ. 10 Μικροφωτογραφία της τεχνικής του velcro

2.5 Εφαρμογές της βιομιμητικής

2.5.1 Εφαρμογές στις διάφορες επιστήμες

Ίσως το πλέον χαρακτηριστικό παράδειγμα βιομίμησης να είναι η ανακάλυψη της τεχνικής του Velcro το 1948 μετά από μελέτη του βότανου «κολλιτσίδα». Τεχνικές βιομίμησης χρησιμοποιούνται σε μια πληθώρα από τομείς και έχουν ταχύτατη ανάπτυξη κυρίως στο βιομηχανικό σχεδιασμό και τη φαρμακευτική. Η παρακάτω λίστα περιέχει κάποια χαρακτηριστικά παραδείγματα βιομιμητικής πρακτικής στη σύγχρονη τεχνολογία, όπως αναφέρονται στις μελέτες του Julian Vincent και της Janine Benyus:  Η ιδιότητα των φύλλων του λωτού να παραμένουν συνεχώς καθαρά λόγω της υπερυδροφοβίας (superhydrophobicity) που παρουσιάζουν, παρ’ ότι ζουν σε στάσιμα και λασπώδη νερά, οδήγησε στην παραγωγή μιας μπογιάς με το όνομα Lotusan που κάνει τις επιφάνειες αυτό-καθαριζόμενες. Αντίστοιχες τεχνικές αναπτύσσονται για τη δημιουργία επιφανειών που διώχνουν τη βρωμιά π.χ. ένα κουτάλι για μέλι που μπορεί να στεγνώσει πλήρως.  Οι αντι-ανακλαστικές επιφάνειες που έχουν παρατηρηθεί στα μάτια και αυτιά των εντόμων, στα φύλλα των φυτών σε τροπικά δάση ενέπνευσαν την κατασκευή ενός φύλλου πολυαιθυλενίου που προσαρτάται στη γυάλινη επιφάνεια των ηλιακών πάνελ και αυξάνει την συλλογή φωτός κατά 10%. Εικ. 11 Το φαινόμενο της υπερυδροφοβίας (superhydrophobicity) που παρουσιάζουν τα φύλλα του λωτού

25

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

 Η εταιρία Mercedes-Benz σχεδίασε το σκελετό του μοντέλου αυτοκινήτου της γνωστό ως Bionic Car, με βάση το σχήμα του ψαριού – κουτί (boxfish ή Ostracion Meleagris), καθώς παρατηρήθηκε ότι το αεροδυναμικό του σχήμα μειώνει το συντελεστή αντίστασης του αέρα στο ελάχιστο, παρά το μεγάλο του μέγεθος.  Το ιαπωνικό τρένο shinkansen, είναι το γρηγορότερο αυτή τη στιγμή στον κόσμο με ταχύτητα ως και 300 km/h. Όμως το αρχικό σχέδιο παρουσίαζε ένα πρόβλημα: σε κάθε έξοδο του τρένου από τούνελ, ακουγόταν ένας δυνατός κρότος ως αποτέλεσμα της αλλαγής πίεσης. Η λύση βρέθηκε μελετώντας τον τρόπο που το πτηνό αλκυόνη (kingfisher) βουτάει από τον αέρα στο νερό για να πιάσει ψάρια με τον ελάχιστο δυνατό ήχο. Έτσι, το μπροστινό μέρος του τρένου μιμείται το ράμφος της αλκυόνης, αποδίδοντας όχι μόνο μείωση του ήχου, αλλά και 15% λιγότερη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας και 10% υψηλότερες ταχύτητες28. Εικ. 12-15 Από το ψάρι-κουτί στο bionic car της Mercedes-Benz

 Τα ρομποτικά συστήματα ελέγχου εμπνέονται από φυσικά νευρικά κυκλώματα, ιδιαίτερα αυτά των εντόμων29  Βιομιμητικές τεχνικές αναπτύχθηκαν για το καμουφλάζ για στρατιωτικούς σκοπούς, ιδιαίτερα κατά τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο. Πιο πρόσφατα, αναπτύχθηκε το καμουφλάζ σε κίνηση, προσομοιάζοντας τον τρόπο με τον οποίο επιτίθενται ιπτάμενα ζώα όπως είναι η λιβελούλη στα θύματά τους, τα οποία καθώς πλησιάζουν το θύμα διατηρούν την ίδια γωνία στο οπτικό πεδίο του, συνεπώς το μόνο που αλλάζει είναι το μέγεθός τους30.  Οι ρυτίδες στο δέρμα του καρχαρία δημιουργούν δίνες νερού μειώνοντας δραματικά τις απώλειες λόγω τριβής. Αυτό το σύστημα χρησιμοποιείται στους σκελετούς πλοίων και στην εσωτερική επιφάνεια σωληνώσεων που μεταφέρουν υγρά. Η ίδια τεχνική έχει αναπτυχθεί στις ατράκτους αεροπλάνων, μειώνοντας τις τριβές 5-10%, ενώ με την ίδια λογική έχουν σχεδιαστεί μαγιό επαγγελματιών κολυμβητών, τα

Εικ. 16-17 Το ιαπωνικό shinkansen εμπνέεται από το ράμφος της αλκυόνης

26

28 29 30

Benyus, J. A biomimicry Primer Vincent et al. Biomimetics: its practice and theory, 2006 Ο.π.

Θεωρητικο Πλαισιο

οποία όμως δεν έχουν αντίστοιχα σημαντική απόδοση  Ο σκαραβαίος της ερήμου της Ναμίμπια ζει σε ένα από τα πιο ξηρά κλίματα του κόσμου και επιβιώνει λόγω του σχήματος της ράχης του, που αποτελείται από μικροσκοπικά εξογκώματα, υδροφιλικά στις άκρες και υδροφοβικά στα πλάγια, αποθηκεύοντας νερό βροχής ή το συμπυκνωμένο νερό της ομίχλης. Ολόκληρο το σώμα του είναι καλυμμένο με μια επιφάνεια λείου κεριού, ώστε το νερό να οδηγείται στο στόμα του σκαραβαίου. Οι ερευνητές του MIT έχουν αναπτύξει σύμφωνα με τη λογική του σκαραβαίου ένα υλικό που απορροφά το νερό πολύ πιο αποδοτικά από τα υπάρχοντα συστήματα όπως είναι το δίκτυ αιχμαλώτισης της ομίχλης.

Εικ.18 Μικροφωτογραφία δέρματος καρχαρία

27

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

28

Θεωρητικο Πλαισιο

2.5.2 Εφαρμογές στην αρχιτεκτονική

Στην αρχιτεκτονική, η βιομίμηση είναι ένας τομέας που έχει απασχολήσει την πρακτική τα τελευταία χρόνια. Παρακάτω θα αναφέρω μερικά από τα χαρακτηριστικότερα και πιο ολοκληρωμένα παραδείγματα βιομιμητικής αρχιτεκτονικής.  Το Eden Project των Grimshaw Architects στην Κορνουάλλη, ένα συγκρότημα που στεγάζει ένα μεγάλο θερμοκήπιο με μια σημαντική συλλογή φυτών, ενώ λειτουργεί ταυτόχρονα ως χώρος καλλιτεχνικών συγκεντρώσεων, προβολής και επαφής με τη φύση, διεξαγωγής κοινοτικών, εθελοντικών και φιλανθρωπικών project κ.α.31 Το πρώτο πρόβλημα που κλήθηκαν να αντιμετωπίσουν οι αρχιτέκτονες ήταν το οικόπεδο. Κι αυτό διότι, πέρα απ’ το ότι τους ζητήθηκε να κατασκευάσουν το μεγαλύτερο θερμοκήπιο του κόσμου, το οικόπεδο ήταν ένα τεράστιο λατομείο πηλού με 90 μέτρα βάθος, με ασταθές έδαφος σε πολλά σημεία καθώς και ακόμα υπό χρήση, πράγμα που σημαίνει ότι το ακριβές σχήμα του δεν μπορούσε να ορισθεί. Για την επίλυση των προβλημάτων που εμφανίστηκαν, ένα από τα μέλη της ομάδας πρότεινε τη μορφή των σαπουνόφουσκων σε σειρά, η διάμετρος των οποίων θα διέφερε ανάλογα με τις υψομετρικές ανάγκες κάθε μέρους του κτιρίου και οι οποίες θα ενώνονταν από μια γραμμή σαν περιδέραιο που θα ρυθμιζόταν για να ενταχθεί στην τοπολογία του οικοπέδου. Διάφορες παραλλαγές αυτής της αλυσίδας από φούσκες αποτυπώθηκαν τρισδιάστατα για να βρεθεί η τελική μορφή, αφαιρώντας όποιο μέρος τους ήταν κάτω από την επιφάνεια του εδάφους. Επιδιώκοντας να αναπτύξουν την ελαφρύτερη δυνατή κατασκευή, οι αρχιτέκτονες μελέτησαν μια σειρά από φυσικά παρα31

Pawlyn M., 2011, σελ.18-19

Εικ. 19 (αριστερά) Το εσωτερικό του θερμοκηπίου στο Eden Project Εικ. 20 (κάτω) Eden Project, τομή στην οποία φαίνεται η μορφή του κτιρίου ως σαπουνόφουσκες σε παράταξη

29

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

δείγματα, από μόρια άνθρακα και μονοκύτταρους οργανισμούς ως και κόκκους γύρης, και κατέληξαν στη γεωδαιτική δομή από πεντάγωνα και εξάγωνα που πρώτος χρησιμοποίησε ο Buckminster Fuller. Στοχεύοντας στο μεγαλύτερο δυνατό ηλιασμό, οι αρχιτέκτονες μεγιστοποίησαν το μέγεθος των εξαγώνων ενώ επέλεξαν να αντικαταστήσουν το γυαλί με το πολυμερές αιθυλένιο τετραφθοροαιθυλένιο (ETFE) χαρακτηριστικό για την αντοχή και για το γεγονός ότι ζυγίζει 1% το βάρος του γυαλιού. Έτσι, το τελικό αποτέλεσμα της υπερκατασκευής είχε μικρότερο βάρος από αυτό του αέρα μέσα στους θόλους.

 Το εθνικό κέντρο υγρού στίβου Water Cube για τους Ολυμπιακούς αγώνες της Κίνας των PTW Architects. Το ενδιαφέρον εδώ εμφανίζεται στο σχεδιασμό της πρόσοψης του σταδίου από τους Arup, εμπνευσμένοι από το φυσικό σχηματισμό της σαπουνόφουσκας. Οι αρχιτέκτονες, προσπαθώντας να δώσουν την αίσθηση του υγρού στοιχείου κατέληξαν σε αυτή την κατασκευή αφού μελέτησαν μια σειρά από φυσικές δομές, από ζωντανά κύτταρα ως ορυκτά κρύσταλλα. Η δομή της φούσκας, παρ’ ότι δίνει την αίσθηση της τυχαιότητας, είναι εξαιρετικά επαναληπτική και οικοδομήσιμη. Η μορφή βρέθηκε παράγοντας μια άπειρη παράταξη ψηφιακού αφρού και αφαιρώντας τους όγκους του κτιρίου απ’ αυτό. Υπολογιστικές διαδικασίες οδήγησαν στη γεωμετρία του κτιρίου και στην κατασκευαστική βελτιστοποίηση32. Και εδώ χρησιμοποιήθηκε αιθυλένιο τετραφθοροαιθυλένιο (ETFE). Το κτίριο έχει υψηλή απόδοση, καθώς το 20% της ηλιακής ενέργειας αποθηκεύεται και χρησιμοποιείται για θέρμανση, ενώ λόγω της διαφάνειας, το ηλιακό φως που εισέρχεται βοηθά στην εξοικονόμηση του 55% της απαιτούμενης ενέργειας για το φωτισμό των αιθουσών33. Παρ’ ότι το Water Cube είναι ένα κτίριο που επιτυγχάνει ένα ιδιαίτερο οπτικό αποτέλεσμα και συμπεριφορά ως μια κυτταρική δομή μεγάλης κλίμακας, δεν επιχειρείται η εμβάθυνση στην κυτταρική δομή ώστε να επιτευχθεί προσαρμοστικότητα ως προς τις περιβαλλοντικές συνθήκες ή άλλες παραμέτρους.

32 Roudavski, Stanislav ‘Towards Morphogenesis in Architecture’, International Journal of Architectural Computing, 7, 3, Melbourne, 2009, σελ. 345–374 33 National Aquatics Center (Water Cube) | Arup | A global firm of consulting engineers, designers, planners and project managers , Τελευταία επίσκεψη 04 Νοεμ. 2014. Πηγή: http://www.arup.com/projects/chinese_national_aquatics_center.aspx

30

Θεωρητικο Πλαισιο

Εικ.21 Μοντέλο του ολυμπιακού κέντρου υγρού στίβου Water Cube

Εικ.22 Water Cube, η δομή της σαπουνόφουσκας

Εικ. 23 Water Cube, η πρόσοψη του σταδίου εμπνέεται από το σχηματισμό της σαπουνόφουσκας

31

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

 Το καλοκαίρι του 2011 στα πλαίσια του ετήσιου ερευνητικού περιπτέρου που πραγματοποιείται από το Institute for Computational Design (ICD) και το Institute of Building Structures and Structural Design (ITKE), μαζί με φοιτητές του πανεπιστημίου της Στουτγάρδης, κατασκευάστηκε ένα βιονικό pavilion που εξερευνά την αρχιτεκτονική μεταφορά των βιολογικών αρχών του σκελετού ενός είδους θαλάσσιου αχινού, γνωστού ως Clypeasteroida ή Sand Dollar34 . Η έρευνα επιχειρεί να ενσωματώσει τις δυνατότητες βιολογικών δομών στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό, εστιάζοντας στην ανάπτυξη ενός συστήματος που παρουσιάζει μεγάλο βαθμό προσαρμοστικότητας και συμπεριφοράς, εξαιτίας της πλακοειδούς μορφής του sand dollar. Όπως ο αχινός αποτελείται από πολυγωνικές πλάκες που ενώνονται μεταξύ τους στις άκρες μέσω προεξοχών, έτσι δομείται και το περίπτερο, επιτυγχάνοντας υψηλή φέρουσα ικανότητα. Μερικά ακόμα από τα βιολογικά χαρακτηριστικά που παρουσιάζει το περίπτερο είναι η ετερογένεια – καθώς το μέγεθος των κυττάρων δεν είναι σταθερό αλλά μεταβάλλεται ανάλογα με την τοπική καμπυλότητα – η ανισοτροπία – καθώς τα κύτταρα προσανατολίζονται ανάλογα με τις μηχανικές πιέσεις – και η ιεραρχία – αφού δομούνται σε δύο επίπεδα, πρώτα ως αυτόνομα κύτταρα και έπειτα ως ένωση κυττάρων.

Εικ. 24 ICD/ITKE Research Pavilion 2011, Ψηφιακό μοντέλο ανάλυσης δυνάμεων

34

32

Εικ. 25 ICD/ITKE Research Pavilion 2011 , λεπτομέρεια

‘ICD/ITKE Research Pavilion 2011’, τελευταία επίσκεψη 29 Ιαν. 2015 http://icd.uni-stuttgart.de/?p=6553

Θεωρητικο Πλαισιο

Εικ. 26 ICD/ITKE Research Pavilion 2011

33

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

2.6 Η οικολογική προσέγγιση

Έως τώρα, οι προσπάθειες για περιβαλλοντικό σχεδιασμό, με την ονομασία βιώσιμος σχεδιασμός, αφορούν μια μεταγενέστερη επεξεργασία και βελτιστοποίηση και δεν αποτελούν μέρος της παραγωγικής διαδικασίας. Οι Michael Hensel και Achim Menges στο άρθρο Differantiation & Performance : Multi-Performance Architectures and Modulated Environments35 εξηγούν την ανάγκη για μια οικολογική νόηση της αρχιτεκτονικής που προάγει τη διαφοροποίηση των περιβαλλοντικών συνθηκών μέσα από μια «μορφολογική νοημοσύνη», αποδίδοντας έτσι όχι μόνο ένα νέο χωρικό παράδειγμα αρχιτεκτονικού σχεδιασμού, αλλά και πολύ πιο βιώσιμο

Η ανάλυση ξεκινά με μια αναφορά στο έργο του Reyner Banham, The Architecture of the Well-Tempered Environment36, ο οποίος αναφέρει ότι «οι κοινωνίες που δεν κτίζουν ουσιώδεις κατασκευές κατοικούν σε ένα χώρο του οποίου τα εξωτερικά όρια είναι ασαφή, μεταβλητά και σπανίως ομαλά». Ένα τέτοιο είδος χώρου είναι η φωτιά σε μια κατασκήνωση, η οποία παρέχει διαφοροποίηση της θερμοκρασίας και του φωτός, ενώ ταυτόχρονα δέχεται δυναμικές επιρροές από εξωγενείς παράγοντες, όπως η ροή του αέρα. Αυτοί οι δυναμικά διαφοροποιήσιμοι χώροι δέχονται τις προσωπικές προτιμήσεις των χρηστών. Έτσι η διαφοροποίηση εκφράζεται μέσω ενός σταδιακού ορίου και όχι από ένα σκληρό διαχωρισμό μεταξύ του μέσα-έξω ή του κρύου-ζεστού.

Η μοντερνιστική αντίληψη θέλει έναν καθολικό χώρο να λειτουργεί ως το κλειδί για την επίτευξη του δημοκρατικού χώρου. Ο καθολικός χώρος γίνεται πράξη μέσα από την τμηματοποίηση των στοιχείων και συστημάτων του κτιρίου. Κάθε τμήμα ειδικεύεται σε μια λειτουργία και βελτιστοποιείται σε αυτή, μια λογική που στηρίζεται στην ιδέα της αποδοτικότητας ως απόρροια της χρήσης ελάχιστου υλικού και ενέργειας για την τέλεση ενός μόνο στόχου. Σε ετούτο το πεδίο σκέψης γεννιέται η αντίληψη της ελαφριάς κατασκευής που προσφέρει τη βέλτιστη οικοδομική απόδοση με τη χρήση του ελάχιστου υλικού. Ο πλεονασμός σε υλικό είναι κάτι το ανεπιθύμητο, αναγκαίο μόνο για να προσφέρει επιπλέον ασφάλεια στην κατασκευή. Οι δύο συγγραφείς έρχονται να αμφισβητήσουν την παραπάνω επικρατούσα αντίληψη, διερωτώμενοι τι θα σήμαινε αν είχαν μια διαφορετική αντιμετώπιση στα θέματα της βελτιστοποίησης, της αποδοτικότητας και του πλεονασμού.

Τις τελευταίες δεκαετίες η αρχιτεκτονική έχει μεταφερθεί από τον ομογενοποιημένο καθολικό χώρο προς τον ετερογενή και διασπασμένο. Αυτό αφορά είτε την διαφοροποίηση του χώρου με βάση της ανάγκες των ενοίκων, είτε την αναζήτηση μιας «εξωτικής μορφής», διαφοροποιημένης σε έκφραση και χωρικότητα. Παρ’ ότι οδηγούμαστε σε μια διαφορετική οργάνωση χώρου, καμία από τις παραπάνω σύγχρονες προσεγγίσεις δεν τείνει να επαναπροσδιορίσει τα υλικά και οικοδομικά συστήματα όπως και τις ανάγκες του εσωτερικού κλίματος, στοιχεία τα οποία έχουν διατηρήσει τις εγκαθιδρυμένες αρχές της εποχής του Neufert. Ως παράδειγμα χρησιμοποιείται το open-plan, μια 35 Hensel M., Menges A., Differantiation & Performance : Multi-Performance Architectures and Modulated Environments, Techniques and Technologies in Morphogenetic Design, 2006, σελ. 60-63 36 Banham Reyner, The Architecture of the Well-Tempered Environment, University of Chicago Press, Chicago, IL, 1973

34

Θεωρητικο Πλαισιο

οργάνωση εσωτερικού χώρου κτιρίων γραφείων που έφτασε στο απόγειο της στα τέλη της δεκαετίας του 1950, αλλά κατέληξε μέσα από την ομογενοποίηση να είναι η κυρίαρχη διάταξη πολλών ακόμα τύπων κτιρίων, δημόσιων και ιδιωτικών. Αυτή η τυποποίηση και η καθολική χρήση μονο-λειτουργικών συστημάτων κάθε άλλο παρά εξυπηρετεί τις ανάγκες των χρηστών. Ταυτόχρονα, αυτού του είδους οι τυποποιημένοι χώροι χρειάζονται μια πληθώρα από συστήματα θέρμανσης, ψύξης, εξαερισμού, φωτός και συντήρησης. Καταλήγουμε, λοιπόν, στο εξής φαινόμενο: ενώ η ενέργεια που απαιτείται για την κατασκευή του κτιρίου – μέσα από τα υλικά και τις διαδικασίες οικοδόμησης – διατηρείται σχετικά χαμηλή, η ενέργεια που δαπανάται για τη λειτουργία του κτιρίου είναι εξαιρετικά υψηλή. Είναι επίσης κατανοητό ότι οι μέχρι τώρα προσπάθειες για βιώσιμη αρχιτεκτονική ακολουθούν μια αδιέξοδη πορεία, καθώς δεν συμπορεύονται με το σχεδιασμό, αλλά αποτελούν μια μεταγενέστερη διαδικασία που έρχεται να δράσει αναδρομικά, επιδιορθώνοντας και βελτιστοποιώντας τα ήδη σχεδιασμένα μη αποδοτικά συστήματα. Οι Hensel και Menges προτείνουν σε αυτό μια οικολογική προσέγγιση της αρχιτεκτονικής, που να εμπεριέχει δυναμικές σχέσεις και επαναδιαμόρφωση των υλικών συστημάτων, των συνθηκών του μάκρο- και μίκρο-περιβάλλοντος καθώς και της ατομικής ή συλλογικής κατοίκησης. Η εν λόγω πρόταση βασίζεται στη μελετημένη διαφοροποίηση των υλικών συστημάτων και στοιχείων του κτιρίου, πέρα από τα τυποποιημένα. Η ανάπτυξη ενός εύρους συστημάτων μπορεί να προσδώσει νέες χωρικές διαμορφώσεις και κλιματικές εντάσεις ανάλογες με τις ανάγκες της χρήσης, αλλά και τις ιδιότητες και τη συμπεριφορά των ίδιων των στοιχείων που απαρτίζουν το κτίριο. Σε αυτή την προσέγγιση η αποδοτικότητα αποτελεί ένα δυναμικό χαρακτηριστικό, που στηρίζεται στη χρήση του πλεονασμού ως μια λανθάνουσα ιδιότητα για την πραγματοποίηση πολλαπλών στόχων και όχι ως μέτρο ασφαλείας. Ο χειρισμός αυτών των πολύ-λειτουργικών συστημάτων πρέπει να γίνει με γνώμονα τη συμπεριφορά και τις ιδιότητες ανάλογα με το σκοπό που υπηρετούν τοπικά αλλά και ως μέρος μεγαλύτερων συστημάτων. Ο βιώσιμος σχεδιασμός στις μέρες μας οργανώνεται με βάση την ενεργειακή κατανάλωση, τον κύκλο ζωής των υλικών και τη διαχείριση αποβλήτων. Ωστόσο, μια οργανική προσέγγιση της διαμόρφωσης χώρου απαιτεί μια επανεξέταση των αναλυτικών και παραγωγικών μεθόδων και τεχνικών και της μεταξύ τους σχέσης κατά τη σχεδιαστική διαδικασία. Σύμφωνα με τους συγγραφείς, μια τέτοιου είδους προσέγγιση είναι δυνατόν να επωφεληθεί από τη μελέτη της φύσης, κυρίως από το γεγονός ότι τα περισσότερα βιολογικά συστήματα αρθρώνονται μέσα από μια υψηλού επιπέδου πολύ-λειτουργική ενσωμάτωση σε τουλάχιστον οκτώ κλίμακες μεγέθους. Η αρχιτεκτονική μπορεί να λάβει μαθήματα από τη φύση σε πολλά επίπεδα, αφ’ ενός στην ιεράρχηση σε κλίμακες και αφ’ ετέρου στις σταδιακές συνδέσεις και μεταβάσεις μεταξύ υλικών. Αν μελετήσουμε τους μηχανισμούς της φύσης, όπως για παράδειγμα τη σύνδεση μεταξύ κόκκαλου και τένοντα στον άνθρωπο, θα δούμε πόσο απέχουν λειτουργικά οι ανθρώπινες κατασκευές, οι οποίες παρουσιάζουν ως επί το πλείστον ασυνέχειες ανάμεσα στα διαφορετικά στοιχεία τους, αντιμετωπίζοντας τα σαν διαχωριστικές συναρμογές παρά σαν μέρη ενός όλου. Μια τέτοια αντιμετώπιση της αρχιτεκτονικής απαιτεί κυρίως ισχυρά εργαλεία και μεθόδους ανάλυσης τόσο της συνολικής συμπεριφοράς των συστημάτων, όσο και των τοπικών χαρακτηριστικών τους, όπου με μηχανισμούς ανάδρασης θα επανατροφοδοτούν το σχεδιασμό. Μια αρχιτεκτονική που βασίζεται στην ανάλυση είναι ικανή να αποδώσει ένα συνδυασμό μιας οργανωμένης δομής με έναν εφήμερο χώρο που παρουσιάζει πολύπλοκες ιδιότητες και συμπεριφορά.

35

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

2.7 Μορφογένεση Ι από τη βοτανική στην αρχιτεκτονική

Η ιδέα της μορφογένεσης χρησιμοποιείται σε ένα φάσμα επιστημών, όπως βιολογία, γεωλογία, μηχανική, τέχνη, αστικό σχεδιασμό και αρχιτεκτονική και κατανοείται ποικιλοτρόπως σε κάθε επιστήμη, από αυστηρώς τυπικά έως ποιητικά.37

Για τα βιολογία, μορφογένεση είναι η διαμόρφωση ενός οργανισμού μέσω εμβρυολογικών διαδικασιών διαφοροποίησης των κυττάρων, ιστών και οργάνων για την ανάπτυξη των συστημάτων οργάνων σύμφωνα με το γενετικό σχέδιο του πιθανού οργανισμού και τις περιβαλλοντικές συνθήκες38. Αποτελεί μια από τις βασικές διαδικασίες στις οποίες υποβάλλονται οι ζωντανοί οργανισμοί, όπως επίσης είναι η ανάπτυξη, η επιδιόρθωση, η προσαρμογή και η γήρανση.

Όπως αναλύεται διεξοδικά στην έρευνα του Stanislav Roudavski39 του University of Melbourne, η μορφογένεση των φυτών πρόκειται για μια ιδιαίτερα πολύπλοκη διαδικασία που εμπεριέχει πολλούς τύπους μηχανισμού ελέγχου. Η μελέτη μέσα από απ’ ευθείας πειραματισμό θα ήταν πολύ δύσκολη και χρονοβόρα, έτσι οι βιολόγοι χρησιμοποιούν υπολογιστικά και μαθηματικά μοντέλα ώστε μέσα από την προσομοίωση να κατανοούν και να προβλέπουν τους μηχανισμούς ανάπτυξης. . Αυτού του είδους οι διαδικασίες μοντε37 Roudavski, Stanislav, 2009, σελ. 345–374 38 Πηγή: ‘morphogenesis’, Encyclopedia Britannica, http://www. britannica.com/EBchecked/topic/392779/morphogenesis, τελευταία επίσκεψη 10 Σεπτ 2014 39 Roudavski, Stanislav, 2009, σελ. 345–374

36

Εικ. 27 Μικροφωτογραφία φύλλου ντομάτας

Θεωρητικο Πλαισιο

λοποίησης μπορούν να λειτουργήσουν ως ο συνδετικός κρίκος μεταξύ βιολογίας και αρχιτεκτονικής. Οι υποθέσεις στις οποίες καταλήγουν, επαληθεύονται μέσω της παρατήρησης και του πειραματισμού. Έχουμε , λοιπόν, ένα συνδυασμό μοντέλου και πειράματος.

Η εν λόγω έρευνα μας παρουσιάζει μια σειρά από χαρακτηριστικά της βιολογικής μορφογένεσης των φυτών που μπορούν να λειτουργήσουν ως επιρροές ή περιορισμοί κατά τη μίμηση βιολογικών συστημάτων στην αρχιτεκτονική πρακτική: Ιεραρχία πολλαπλής κλίμακας

Τα φυτά οργανώνονται σε διάφορους τύπους και μεγέθη, όπως κύτταρα, ιστοί, όργανα, με αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους. Οι σχέσεις μεταξύ τους μπορούν να οριστούν με ένα βαθμό ιεραρχίας, όπως στην έρευνα της ομάδας του Lionel Dupuy40, από την οποία έχουμε το βαθμό κλίμακας 1 για την περιγραφή των τοιχωμάτων των κυττάρων, βαθμό 2 για τα κύτταρα, βαθμό 3 για τους ιστούς κ.ο.κ. Οι οντότητες κάθε επιπέδου αλληλεπιδρούν με τα υπόλοιπα συστατικά: ένα κύτταρο συσχετίζεται με τα γειτονικά κύτταρα οριζοντίως, ανήκει σε ένα όργανο με μία κάθετη σχέση με φορά προς τα πάνω και στους τοίχους που απαρτίζουν τα όριά του με μία κάθετη σχέση με φορά προς τα κάτω.

Αυτή η οργανωτική ιεράρχιση με την οποία λειτουργεί η φύση, μπορεί να μας φανεί χρήσιμη εκφράζοντας τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των στοιχείων πολύπλοκων δομών ως ένα σύστημα κάθετων και οριζόντιων σχέσεων.

Δυναμική δομή

Η οργάνωση των φυτών χαρακτηρίζεται ως εξαιρετικά δυναμική τόσο ως προς τη χημική μεταφορά μεταξύ των κυττάρων όσο και στην αρχιτεκτονική δυναμική της κυτταρικής εξέλιξης, της ανάπτυξης και του πολλαπλασιασμού. Ακόμα, δυναμικές θεωρούνται οι δομικές αλλαγές στο σύστημα μέσα από διαδικασίες δημιουργίας ή εξάλειψης, όπως αυτές που συμβαίνουν όταν τα κύτταρα χωρίζονται ή πεθαίνουν.

Διαδικαστική συνέχεια

Η βιολογική μορφογένεση είναι συνεχόμενη. Οι διαδικασίες της συμβαίνουν σε ποικίλες ταχύτητες αλλά ποτέ δεν παύουν ολοκληρωτικά. Μόλις ο οργανισμός ενηλικιωθεί, οι αλλαγές συνεχίζονται στο φαινότυπό του, δηλαδή τα παρατηρήσιμα χαρακτηριστικά ενός ατόμου που απορρέουν από την αλληλεπίδραση του γενοτύπου του με το περιβάλλον. Όταν και αυτή η διαδικασία ολοκληρωθεί, μεταβολές όπως αναγέννηση, επιδιόρθωση και πιθανή περαιτέρω ανάπτυξη συνεχίζουν να συμβαίνουν στο γονιδίωμα. Αυτή η συνέχεια δίνει στο φυτό ιδιαίτερη προσαρμοστικότητα.

40 Dupuy, L., Mackenzie, J.P., Rudge,T. and Haseloff, J.P., ‘A System for Modelling Cell- Cell Interactions during Plant Morphogenesis’, Annals of Botany, vol 101/issue 8, Oxford University Press, 2008, σελ. 1255-1265.

37

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

38

Θεωρητικο Πλαισιο Εικ. 28 (αριστερά) Το φυτό Ramalina Reticulata

ΒΙΟΛΟΓΙΑ

2.7.1 Μορφογένεση στην αρχιτεκτονική

Για την αρχιτεκτονική, η μορφογένεση – ως ψηφιακή μορφογένεση ή υπολογιστική μορφογένεση – νοείται ως ένα σύνολο μεθόδων που χρησιμοποιούν τα ψηφιακά μέσα ως παραγωγικά εργαλεία για την εύρεση της μορφής και των μετασχηματισμών της. Η σημασία της μορφογένεσης στην αρχιτεκτονική διατηρεί μια ανάλογη ή μεταφορική σχέση με αυτή των διαδικασιών μορφογένεσης της φύσης, καθώς εξαρτάται από τη σταδιακή ανάπτυξη αλλά η ψηφιακή μορφοποίηση δεν αναφέρεται απαραίτητα στους μηχανισμούς ανάπτυξης και προσαρμογής που απαντώνται στη φύση. Η βιομίμηση, συγκεκριμένα, είναι μια μορφή μορφογένεσης η οποία επιχειρεί να μελετήσει και να αποσπάσει τις αρχές με τις οποίες λειτουργούν οι φυσικοί μηχανισμοί, προσπαθεί δηλαδή να επιτύχει αυτή τη μύηση στην εσωτερική λογική των συστημάτων.

ΜΗΧΑΝΙΚΗ

Ιεραρχική Δομή

Κυρίως μονολιθική δομή

Οι διεπαφές επιτρέπουν

Λιγοστές διεπαφές, συνε-

τον

πώς ανεπαρκής έλεγχος

ξεχωριστό

έλεγχο

ακαμψίας και θραύσης

θραύσης

Ανάπτυξη μέσω προσαρ-

Κατασκευή μέσω κονιο-

μοστικής επαύξησης

ποίησης, τήξης, διάλυσης

Αυτο-οργάνωση

που

επηρρεάζεται από το πε-

Εξωτερικά επιβαλλόμενη μορφή

Οι σύγχρονες διαδικασίες μορφογένεσης συνδέονται με μια σειρά από έννοιες που απαντώνται στη φύση και κρίνεται σκόπιμο να επεξηγήσουμε, αφού επηρεάζουν μεθοδολογικά τη διαδικασία σχεδιασμού.

ριβάλλον Ανταποκριτική στο περι-

Πολύ μικρή περιβαλλο-

Στα φυσικά συστήματα ισχύει ο νόμος ότι το όλον είναι περισσότερο από το άθροισμα των μερών του, ή αλλιώς οι ιδιότητες ενός συστήματος δεν μπορούν να εξαχθούν από τις συνιστώσες του41. Αυτός είναι και ο γενικός ορισμός της ανάδυσης (emergence), μιας έννοιας που έχει απασχολήσει ιδιαίτερα την πρακτική σήμερα. Στη

βάλλον

ντική ανταπόκριση

Ικανότητα ανάπτυξης και

Αχρήστευση

41 Weinstock Michael, ‘Morphogenesis and the Mathematics of Emergence’, Emergence: Morphogenetic Design Strategies, AD/vol74/March/ May 2004, Michael Hensel/ Achim Menges/ Michael Weinstock (επιμ.), εκδ. Wiley, London 2004, σελ. 11-17

επιδιόρθωσης

Πίνακας που συνοψίζει τα σημεία διαφοροποίησης βιολογίας και αρχιτεκτονικής, από το έργο των Stephen Vogel και Julian Vincent, αρχικά σε Pawlyn M., 2011, σελ. 42

39

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

φύση, η ανάδυση σχετίζεται με την παραγωγή μορφής και συμπεριφοράς συστημάτων με υψηλό και αναλλοίωτο βαθμό πολυπλοκότητας. Για τον ανθρωπογενή κόσμο, η ανάδυση απαιτεί την αναγνώριση των κτιρίων όχι ως μοναδικά και πάγια σώματα, αλλά ως πολύπλοκα συστήματα ενέργειας και υλικών που έχουν μια διάρκεια ζωής, και ενυπάρχουν σε ένα περιβάλλον πολλών κτιρίων, και σαν μια επανάληψη μιας σειράς από διαδικασίες ανάπτυξης και εξέλιξης προς τη δημιουργία ενός έξυπνου οικοσυστήματος42.

Ακόμα, τα βιολογικά συστήματα αυτό-οργανώνονται. Σύμφωνα με τον Michael Hensel43 αυτό-οργάνωση είναι «μια διαδικασία κατά την οποία η εσωτερική οργάνωση ενός συστήματος προσαρμόζεται στο περιβάλλον ώστε να εκτελέσει μια συγκεκριμένη λειτουργία χωρίς να καθοδηγείται ή ελέγχεται εξωτερικά». Η μορφογένεση ουσιαστικά ανήκει στα φαινόμενα που παρουσιάζουν αυτό-οργάνωση44, τα οποία μεταξύ άλλων είναι η δημιουργία σχηματισμών «pattern», η ομοιοστασία45, η συμπεριφορά σμήνους σε πουλιά ή ψάρια, η κατασκευή δομών από «κοινωνικά» ζώα όπως μέλισσες.

Για τον Michael Weinstock46, τα κρίσιμα χαρακτηριστικά της βιολογικής αυτό-οργάνωσης είναι τα εξής: «μικρά, απλά μέρη συναρμολογημένα σε τρισδιάστατους σχηματισμούς, που δημιουργούν μεγαλύτερους οργανισμούς οι οποίοι με τη σειρά τους αυτό-συναρμολογούνται σε πολυπλοκότερες δομές που παρουσιάζουν ιδιότητες ανάδυσης.» Τα βιολογικά συστήματα παρουσιάζουν υψηλή αποδοτικότητα και μεγάλη προσαρμοστικότητα καθώς χρησιμοποιούν τη στρατηγική του πλεονασμού(redundancy)47, δηλαδή διατηρούν περισσότερα κύτταρα στο εκάστοτε σύστημα από όσα χρειάζονται για την τέλεση μιας εργασίας. Έτσι, καταφέρνουν να μεταβάλλονται ανάλογα με τις μεταβολές του περιβάλλοντός τους και να αυτό-επιδιορθώνονται όποτε χρειαστεί. Στη μακρά πορεία της εξέλιξης των ειδών, οι οργανισμοί που έχουν ταιριάξει απόλυτα με τις εκάστοτε περιβαλλοντικές συνθήκες, δεν επιβιώνουν όταν παρουσιάζονται διαταραχές, ενώ αντίθετα, οι οργανισμοί που διατηρούν περισσευούμενες ιδιότητες, προσαρμόζονται στις αλλαγές. Η σημαντικότερη αρχή της προσαρμοστικότητας, είναι μια μικρή τυχαία μετάλλαξη που επαναλαμβάνεται με το χρόνο. Καθώς

42 Hensel M., Menges A., Weinstock M., ‘Emergence in Architecture’, Emergence: Morphogenetic Design Strategies, 2004, σελ. 6-9 43 Hensel M., ‘Computing Self-Organisation: Environmentally Sensitive Growth Modelling’, Techniques and Technologies in Morphogenetic Design, 2006, σελ. 12-17 44 Πηγή: ‘self-organization’, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Self-organization#Self-organization_in_biology, τελευταία επίσκεψη 12 Ιουν 2014 45 Ομοιοστασία είναι ρύθμιση του εσωτερικού περιβάλλοντος ενός συστήματος σε σταθερή κατάσταση, από το κύτταρο ως τον οργανισμό, πηγή ο.π.

46 Weinstock M, Self-Organisation and the Structural Dynamics of Plants, Techniques and Technologies in Morphogenetic Design, 2006, σελ. 26-33 47 Ο.π.

40

Θεωρητικο Πλαισιο

οι μηχανισμοί της φύσης λειτουργούν στοχαστικά48, δε θα εμφανίσουν ποτέ ένα πανομοιότυπο αποτέλεσμα. Είναι αυτές οι τυχαίες μεταλλάξεις μετά από πολλές επαναλήψεις, που συνθέτουν την εξέλιξη στη φύση και για πολλούς και στην αρχιτεκτονική. Στο σχεδιασμό, καθώς τα υπολογιστικά συστήματα που διαθέτουμε σήμερα διαχειρίζονται δεδομένα μεγάλου όγκου και εξίσου στοχαστικά με τα φυσικά συστήματα, μπορούμε να επωφεληθούμε από αυτά στην αναζήτηση της μορφής και της συμπεριφοράς.

48 Στη θεωρία των πιθανοτήτων ένα καθαρά στοχαστικό σύστημα είναι εκείνο του οποίου η κατάσταση είναι μη ντετερμινιστική (δηλ. τυχαία) έτσι ώστε η μετέπειτα κατάστασή του συστήματος καθορίζεται πιθανολογικά. Πηγή: http://en.wikipedia.org/wiki/Stochastic#Computer_science. Τελευταία επίσκεψη 07 Σεπτ 2014

41

κεφάλαιο 3 Μαθαίνοντας από τα συστήματα των φυτών

Εικ.29

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

44

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

3.1 Εισαγωγή

Για τον George Jeronimidis αν θέλει κανείς να εξετάσει τη σχέση βιολογίας και αρχιτεκτονικής, ο πιο σημαντικός ζωντανός οργανισμός που θα έπρεπε να μελετήσει είναι τα φυτά, καθώς τα φυτά μοιράζονται πολλά κοινά με τα κτίρια, από την οπτική ότι τα φυτά όπως και τα κτίρια δεν μπορούν να μετακινηθούν μακριά από τους κινδύνους ή τις μεταβολές του περιβάλλοντος. Ενώ τα ζώα, τα ψάρια, ο άνθρωπος μπορούν να αποφύγουν τον κίνδυνο περπατώντας, πετώντας ή κολυμπώντας μακριά, τα φυτά και τα κτίρια είναι ριζωμένα στο ίδιο μέρος και καλούνται να αναπτύξουν άλλου είδους μηχανισμούς για να ανταπεξέλθουν στις εξωγενείς πιέσεις.49 Στα παρακάτω κεφάλαια επιλέγω να αναλύσω περαιτέρω τη βιομιμητική μελέτη που έχει γίνει πάνω στα συστήματα του φυτικού κόσμου, σε με στόχο την εμβάθυνση στις μεθόδους οι οποίες ακολουθούνται.

49

Jeronimidis George - IaaC Lecture Series 2013-14, Video Recording, IaaC, Barcelona, 2013

45

3.2 Μεταβολισμός και μορφολογία

Εικ.30

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

Εικ.31

48

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

3.2.1 Η σχέση μεταβολισμού και μορφολογίας

Για τους φυσικούς οργανισμούς, η πρόσληψη, παραγωγή, μεταφορά και απελευθέρωση ενέργειας μέσω των διεργασιών του μεταβολισμού είναι αυτό που τους συγκρατεί στη ζωή. Ο Michael Weinstock στο άρθρο Metabolism and Morphology50 κάνοντας μια εκτενή ανάλυση πάνω στο μεταβολισμό των φυτικών και ζωικών οργανισμών, εξηγεί την αμφίδρομη σχέση του με τη μορφή και την κλίμακα. Χαρακτηριστικά αναφέρει την ύπαρξη μιας «χορογραφίας» μεταξύ της ενέργειας και των υλικών, η οποία καθορίζει τη μορφολογία των ζωντανών οργανισμών, τη σχέση ανάμεσά τους και η οποία εν τέλει οδηγεί στην αυτό-οργάνωση των πληθυσμών και στα οικολογικά συστήματα. Ο D’ Arcy Thompson στο On Growth and Form51 σημειώνει πως υπάρχει μια «δυναμική πλευρά» στη μορφολογία των έμβιων οργανισμών, η οποία επηρεάζει την αντίδραση στις λειτουργίες διαχείρισης της ενέργειας. Οι ζωντανοί οργανισμοί μπορούν να αναπτυχθούν και να αυτοσυντηρηθούν ανταλλάσσοντας ενέργεια και υλικά μέσω των επιφανειών τους και μέσα απ’ αυτό εκλύουν διαφοροποιημένα υλικά και ενέργεια πίσω στο περιβάλλον. Παρατηρείται λοιπόν μια άρρηκτη σχέση μεταξύ μορφολογίας και μεταβολισμού, μέσω της επεξεργασίας υλικού και ενέργειας. Αυτή η σύμπραξη μεταβολισμού και μορφολογίας που διέπει το φυσικό κόσμο, δεν είχε ως τώρα απασχολήσει τον τεχνητό. Στην αρχιτεκτονική, η μορφολογία διαχωρίζεται και προηγείται του μεταβολισμού. Συστήματα που αφορούν τη μεταφορά θερμότητας, αέρα ή φωτεινής ενέργειας δεν εμφανίζονται παρά μέσω μηχανισμών που τοποθετούνται σε ήδη σχεδιασμένες μορφές. Ωστόσο, η σύγχρονη αρχιτεκτονική δείχνει να αντιμετωπίζει τη ζωή των κτιρίων με μια «νέα ευαισθησία». Η οργάνωση και η μορφολογία των φυσικών ενεργειακών συστημάτων αποτελούν τα μοντέλα αυτού που κατά τον Weinstock θα συντάξουν τις νέες «μεταβολικές μορφολογίες» των μελλοντικών κτιρίων και κατ’ επέκταση των πόλεων. Οι πόλεις θεωρούνται ως ένα ανάλογο έμβιων οργανισμών καθώς αποτελούν δυναμικές, χωρικές και υλικές παρατάξεις κτιρίων που χτίζονται, επιδιορθώνονται και επανακτίζονται μέσα στο χρόνο, καθώς φθείρονται, καταρρέουν και επεκτείνονται σε ακανόνιστα επεισόδια ανάπτυξης και ενσωμάτωσης52. Στις πόλεις, η λειτουργία του μεταβολισμού συμβαίνει μέσω των αστικών επιφανειών και των αστικών δικτύων. Στη φύση, ο μεταβολισμός καθορίζει τις σχέσεις μεταξύ των ατόμων καθώς και των πληθυσμών με το τοπικό τους περιβάλλον, ενώ 50 Weinstock M., ‘Metabolism and Morphology’, Versatility and Vicissitude, AD, Volume 78/ Issue 2/ March/April 2008, Michael Hensel/ Achim Menges(επιμ.) εκδ. Wiley, London 2008, σελ. 26–33 51 Thompson D’Arcy Wentworth, ‘Introduction’, On Growth and Form, Cambridge University Press , 1992 52 Weinstock M., ‘The Metabolism of the City: The Mathematics of Networks and Urban Surfaces’ , Mathematics of Space, AD, Volume 81/ Issue 4/ July/ August 2011, George L Legendre (επιμ.) εκδ. Wiley, London 2011, σελ. 102-107

49

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

ανώτερα επίπεδα βιολογικής οργάνωσης αναδύονται μέσα από τις μεταβολικές διαδικασίες. Η ροή της ενέργειας μεταξύ των έμβιων όντων περιγράφεται συχνά ως τροφική αλυσίδα, αν και σύμφωνα με τον Weinstock ο πιο ακριβής όρος θα ήταν «δίκτυο». Κι αυτό διότι η ενέργεια μεταφέρεται σε πολλά επίπεδα – από τη φωτοσύνθεση των φυτών παράγονται βιολογικά υλικά που μπορούν να οδηγήσουν σε εκ νέου παραγωγή ενέργειας και τα οποία τρέφουν μια σειρά από άλλους οργανισμούς: τα φυτοφάγα τρέφονται με φυτά παράγοντας θερμική ενέργεια και με τη σειρά τους τα σαρκοφάγα τρέφονται με φυτοφάγα ή με άλλα σαρκοφάγα, οι άνθρωποι τρέφονται με όλα τα παραπάνω είδη, ενώ η νεκρή οργανική ύλη μετατρέπεται από τους αποικοδομητές σε ανόργανη. Σε κάθε επίπεδο μεταβολικών δραστηριοτήτων η ύλη ανακυκλώνεται, η ενέργεια όμως καταναλώνεται και μόνο ένα μικρό ποσοστό της μεταφέρεται στο επόμενο επίπεδο. Ταυτόχρονα, οι οργανισμοί έχουν τη δυνατότητα να αποθηκεύουν ενέργεια ώστε να επιβιώσουν σε ενδεχόμενες διακυμάνσεις παροχής ενέργειας. Εκτός όμως από την πρόσληψη και αποθήκευση ενέργειας, τα έμβια όντα πρέπει και να τη μεταφέρουν. Εδώ ο συγγραφέας κάνει μια συσχέτιση μεταξύ της ενέργειας, της διάρκειας ζωής και της μάζας σώματος. Δηλαδή, οι μικρότεροι οργανισμοί είναι περισσότερο «μεταβολικά ενεργοί» , δηλαδή όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα, τόσο πιο αργός ο μεταβολισμός. Οι μεγαλύτεροι οργανισμοί ζουν περισσότερο. Ακόμα, το ποσοστό κατανάλωσης ενέργειας ανά μονάδα μάζας σώματος μειώνεται όσο αυξάνεται το μέγεθος σώματος.

a. Φωτοσυνθετικός μεταβολισμός και μορφολογία φυτών

Το άρθρο συνεχίζει εμβαθύνοντας στη μελέτη της χωρικής και υλικής οργάνωσης του μεταβολισμού των έμβιων όντων. Επιλέγω να παραθέσω την ανάλυση της αρχιτεκτονικής του μεταβολισμού στους φυτικούς οργανισμούς. Τα φυτά, ως αυτότροφοι οργανισμοί, παρασκευάζουν οι ίδιοι τα υλικά για να τραφούν εκμεταλλευόμενα τις ακτίνες του ηλίου, νερό, διοξείδιο του άνθρακα και με κάποια μέταλλα του εδάφους, μέσω μιας σειράς από χημικές διεργασίες, γνωστής ως φωτοσύνθεση. Το αξιοσημείωτο που παρατηρείται είναι η προσαρμοστικότητα της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης. Τα ανθεκτικά σε ζεστά κλίματα φυτά έχουν τη δυνατότητα να επιταχύνουν τη διαδικασία, έτσι τα στόματα53 ανοίγουν λιγότερες ώρες την ημέρα προσλαμβάνοντας την ίδια ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα άλλα μειώνοντας την απώλεια σε νερό. Σε άλλα φυτά , όπως τα κακτοειδή, τα στόματα ανοίγουν μόνο τη νύχτα, ενώ σε συνθήκες μεγάλης ξηρασίας τα στόματα μπορούν να παραμείνουν εντελώς κλειστά. Μόλις οι συνθήκες υγρασίας επανέλθουν, αυτά έχουν τη δυνατότητα να επανακτούν ταχύτατα τα επίπεδα νερού.

b. Παράταξη Φύλλων Το εξωτερικό περίγραμμα του όγκου των φύλλων σε ένα δέντρο εξαρτάται από το σχήμα και το μέγεθος της γεωμετρίας των φύλλων του και κατά πόσο τα φύλλα σκιάζουν το ένα το άλλο. Σε περιβάλλοντα με μεγαλύτερη ηλιοφάνεια, αυξάνονται και τα στρώματα φυλλώματος, σε σημείο που το κατώτατο μπορεί και να σκιάζεται πλήρως. Αντιστρόφως, σε περιβάλλον με λιγότερο φως, αναπτύσσονται μονοστρωματικά φυλλώματα στο όριο του όγκου των φύλλων, ενώ εμφανίζονται και ενδιάμεσες καταστάσεις που δεν ανήκουν σε καμία απ’ τις δυο κατηγορίες.

53 Στόματα ονομάζονται τα μικροσκοπικά ανοίγματα που διακόπτουν την πυκνή διάταξη των κυττάρων της επιδερμίδας ενός φυτού, με τη βοήθεια των οποίων το φυτό επικοινωνεί με το περιβάλλον. Πηγή: http://goo.gl/56LYLF , τελευταία επίσκεψη 4 Ιουλ. 2014

50

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

Η σκίαση είναι και αυτό που παίζει το σημαντικότερο ρόλο κατά τη φυλλοταξία. Τα φύλλα φύονται από το κλαδί ή το μίσχο υπό την ίδια γωνία αλλά στη συνέχεια περιστρέφονται έτσι ώστε να διατηρούν σταθερή απόσταση μεταξύ τους. Το πηλίκο της γωνίας περιστροφής προς την περιφέρεια του κλαδιού εμφανίζει τους αριθμούς της ακολουθίας Fibonacci, οι οποίοι εμφανίζονται επίσης σε ποικίλες κλίμακες και σε πολλά διαφορετικά μέρη όπως τα πέταλα και ο κώνος. Τυχόν επικαλύψεις φύλλων που προκύπτουν κατά τη φυλλοταξία, διορθώνονται μέσω της αλλαγής προσανατολισμού. Η διαπνοή54 των φυτών γίνεται μέσω των στομάτων. Ο σχηματισμός (pattern) των αρτηριών για τη διακίνηση υγρών διαφέρει ανά είδος, όμως ο βαθμός της ροής του νερού εξαρτάται από τη διάταξη των φύλλων. Η ροή τόσο του νερού όσο και των αερίων είναι απόλυτα δυναμική και διαφέρει ανάλογα με την ώρα της ημέρας, την ηλικία του φύλλου, τη θερμοκρασία και την παροχή νερού από τις ρίζες. Συνεπάγεται ότι ο φωτοσυνθετικός μεταβολισμός σε ένα δέντρο είναι αποτέλεσμα της επιφάνειας, της μάζας, της διάταξης και της διάρκειας ζωής των φύλλων κι ότι τα παραπάνω διατηρούν μια πολύπλοκη μαθηματική σχέση με το δίκτυο μεταφοράς υγρών και ολόκληρη τη μορφολογία του φυτού

c. Δίκτυα διακλάδωσης Τα κλαδιά ενός δέντρου διατηρούν κομβικό ρόλο στην άρθρωση , καθώς στηρίζουν κατασκευαστικά τα φύλλα και καθορίζουν την περιοχή ανάπτυξης τους ενώ περιορίζουν αναλόγως τη συνολική μορφολογία του φυτού. Ο αριθμός και η θέση ενός κλαδιού στην ιεραρχία των κλαδιών καθώς και το μήκος του κάθε κλαδιού διατηρούν μια λογαριθμική σχέση. Ο αγωγός ιστός του φυτού χωρίζεται σε δύο συστήματα. Το ξύλωμα, το οποίο μεταφέρει νερό από τις ρίζες προς τα φύλλα, και Εικ. 32 Θεωρητικά βέλτιστες αναλογίες του μήκους διακλάδωσης παράγουν την πιο ισομερή κατανομή των συστάδων φύλλων σε υπολογισμένα συστήματα διακλάδωσης, και είναι παρόμοιες με τις αναλογίες που παρατηρούνται σε αληθινά δέντρα

54 Διαπνοή είναι φυσιολογική διεργασία των φυτών. Αποτελεί τμήμα του κύκλου του νερού και συνίσταται στην αποβολή νερού υπό μορφή υδρατμών από τμήματα των φυτών. Πηγή: http://goo.gl/fqiNem ,τελευταία επίσκεψη 4 Ιουλ. 2014

51

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

52

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

το φλοίωμα, το οποίο μεταφέρει υδατάνθρακες από τα φύλλα προς τα υπόλοιπα ενεργά μέρη του δέντρου. Η μετακίνηση του κρύου νερού από το έδαφος πάνω προς τα φύλλα ρυθμίζει την εσωτερική θερμοκρασία του φυτού.

d. Συμπεράσματα

Μετά από μια ανάλυση των μηχανισμών του μεταβολισμού, μπορούμε να διακρίνουμε μια αναλογία στις ανάγκες των έμβιων συστημάτων με αυτές των τεχνητών. Για παράδειγμα, τα φυτά όπως και τα κτίρια έχουν ανάγκη τη μέγιστη δυνατή κάλυψη της επιφάνειάς τους από τον ήλιο, μια ανάγκη που περιορίζεται από αυτή της σταθερής κατασκευής, επαρκούς να αντέξει τα υπάρχοντα φορτία αλλά και αυτά που μπορεί να προκύψουν. Ο Weinstock κλείνει το κείμενό του δηλώνοντας ότι «η αρχιτεκτονική βρίσκεται στον ορίζοντα μιας συστημικής αλλαγής». Παρ’ όλα αυτά και ο ίδιος παραδέχεται ότι αυτή η αλλαγή βρίσκεται σε ένα πολύ αρχικό στάδιο, σχεδόν πειραματικό. Οι συνθήκες όμως είναι αυτές που την κάνουν επιτακτική. Είναι οι συνεχείς κλιματικές αλλαγές και μοιραία η ανάπτυξη μιας κουλτούρας της οικολογίας. Ταυτόχρονα, η αρχιτεκτονική βρίσκεται σ’ ένα σημείο όπου αναζητά μια ρευστότητα, μεγαλύτερη ενότητα και επικοινωνία με το περιβάλλον της και μια απομάκρυνση από τα άκαμπτα συστήματα, στην προσπάθεια να ανταποκρίνεται στις ανάγκες του χρήστη. Μελετώντας το μεταβολισμό στο φυσικό κόσμο, κατανοούμε μια σειρά από συστήματα τα οποία λειτουργούν άρτια σε κανονικές συνθήκες ενώ προσαρμόζονται για να επιβιώσουν σε συνθήκες έκτακτης ανάγκης. Η εμβάθυνση στα συστήματα αυτά μπορεί να μας δώσει απαντήσεις σε προβλήματα των ανθρώπινων κατασκευών, αλλά και να επιφέρει μια καθολική αλλαγή στην λογική με την οποία προσεγγίζονται τα κτίρια. Έχοντας τη φύση σαν οδηγό μπορούμε να βρούμε μεταβολικές μορφολογίες, τρόπους οργάνωσης, και υλικά που θα οδηγήσουν σε κτίρια ζωντανά, προσαρμοζόμενα, τα οποία παράγουν και διαχειρίζονται την ενέργεια που καταναλώνουν. Η αρχιτεκτονική ωθείται στην ανάπτυξη μοντέλων και στην προσομοίωση, ανακαλύπτοντας νέα μορφολογικά εδάφη. Στο άρθρο του Weinstock, πολλά είναι τα σημεία στα οποία η συμπεριφορά των ζωντανών οργανισμών θα ήταν η δυνητικά άρτια συμπεριφορά των κτιρίων απέναντι στα φαινόμενα. Έτσι μας δίνει μια εικόνα της οργάνωσης των δραστηριοτήτων μεταβολισμού, δείχνοντας μας τις προοπτικές που έχει η περαιτέρω στοχευμένη μελέτη αυτών.

Εικ. 33 (αριστερά) Στόματα φύλλου φυτού ρυζιού σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο

53

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

3.2.2 Παραδείγματα

a. Κέλυφος για κτήριο στον Πειραιά, Ioannis Douridas

H έρευνα που θα αναλύσω παρακάτω είναι η μεταπτυχιακή διατριβή του Ioannis Douridas που έγινε στα πλαίσια του προγράμματος Emergent Technologies and Design (EmTech)55 της AA. Η μελέτη επικεντρώθηκε στην κατασκευή ενός νέου περιβλήματος για ένα κλιματολογικά μη αποδοτικό κτίριο γραφείων της δεκαετίας του 1970 στην Αθήνα, το οποίο περιβάλλεται από υαλοπέτασμα, με σκοπό τον κλιματισμό του χωρίς τη χρήση ηλεκτρικών και μηχανικών μέσων56. Το θέμα επιλύθηκε με μια bottom-up λογική και με τη χρήση αλγορίθμων αναρρίχησης λόφων (hill-climbing)57, έχοντας ως βάση την έκθεση στον ήλιο και το φυσικό αερισμό. Η πορεία της εργασίας είχε επτά στάδια, ξεκινώντας από [i] την ανάλυση της υφιστάμενης κατάστασης του κτιρίου και της περιοχής και συνεχίζοντας [ii] με περιβαλλοντική ανάλυση του κτιρίου και [iii] μελέτη της μορφολογίας ενός φυτού που παρουσιάζει επιδόσεις ανάλογες των κριτηρίων που τέθηκαν, ως τα στάδια [iv] της bottom-up αλγοριθμικής σχεδιαστικής διαδικασίας,[v] της ανάπτυξης των διάφορων σχεδίων και ανάλυσης- αποτίμησης των περιβαλλοντικών επιδόσεών τους της αξιολόγησης και της επιλογής του περιβλήματος. Έπειτα, [vi] έγινε η ανατροφοδότηση των ευρημάτων στο νέο κύκλο αλγοριθμικής διαδικασίας, έως το τελικό στάδιο [vii] κατά το οποίο επιλέχθηκε το κέλυφος με τις επιθυμητές περιβαλλοντικές επιδόσεις. Ελλείψει μόνωσης, το κτίριο υποφέρει από έντονη υπερθέρμανση στο εσωτερικό τους θερινούς μήνες και το αντίστροφο κατά τους χειμερινούς, ως αποτέλεσμα το κόστος θέρμανσης και ψύξης να είναι μεγάλο. Η βιομιμητική έρευνα που έγινε για την επίλυση του προβλήματος, επικεντρώθηκε στην περιβαλλοντική απόδοση ενός είδους κάκτου (Echinocactus grusonii). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα μορφολογικά χαρακτηριστικά του κάκτου, δηλαδή η ύπαρξη υδροστατικού κορμού με ραβδώσεις, βοηθούν στη μείωση της πρόσληψης 55 Πρόκειται για το μεταπτυχιακό πρόγρα`μμα Emergent Technologies and Design της Αrchitectural Αssociation, με διευθυντές τους Michael Weinstock και George Jeronimidis. Περισσότερες πληροφορίες: http://emtech.aaschool.ac.uk/ 56 Hensel M., Material systems and environmental dynamics feedback, στο Emergent Technologies and Design: Towards a Biological Paradigm for Architecture, Hensel, M., Menges, A. and Weinstock, M. (επιμ.), Routledge, 2010., σελ. 64-82 57 Οι διαδικασίες αναρρίχησης λόφων(hill-climbing) είναι τεχνικές μαθηματικής βελτιστοποίησης που χρησιμοποιούνται για την επίλυση προβλημάτων που έχουν πολλαπλές λύσεις, ξεκινώντας με μια απλή λύση και πραγματοποιώντας μικρές αλλαγές έως ότου επιτευχθεί ένα πιο περίπλοκο στάδιο. Η διαδικασία τερματίζει όταν καμία άλλη βελτίωση δε διαφαίνεται, χωρίς αυτό να σημαίνει ότι καταλήγει στην βέλτιστη λύση.

54

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

ανάλυση φυτού - έρευνα κάκτου έρευνα για το κτίριο

τύπος κτιρίου

επιδόσεις κτιρίου

σχεδιαστική έρευνα

αποτίμηση σχεδίου

επιδόσεις γεωμετρίας αλλαγή ολικού σχεδίου

αξιολόγιση επιδόσεων επιδόσεις συνιστωσών

υπάρχον κέλυφος κτιρίου

τοποθεσία κτιρίου

αλλαγή επιφάνειας

1:5:200 επιδόσεις επιφάνειας

χρήση κτιρίου

εκτίμηση κύκλου ζωής

μερικές προσθήκες επιδόσεις υλικών

περιβαλλοντικοί παράγοντες αποτίμηση υπάρχοντος σχεδίου αποτίμηση επιδόσεων

Διάγραμμα που δείχνει την επαναληπτική διαδικασία ανάπτυξης του κελύφους για το κτήριο γραφείων στον Πειραιά, Msc Dissertation of Ioannis Douridas, Οκτώβριος 2005, αρχικά σε Emergent Technologies and Design, 2010, σελ. 65

55

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

συνδυασμός μεταξύ κλιμάκων

πως το περιβάλλον επηρεάζει το κτίριο

πως οι συνιστώσες διαπλέκονται μεταξύ τους

καθολική κλίμακα

περιφερειακή κλίμακα

αναζήτηση της μορφής

γενετική διαδικασία ανατροφοδότησης

καθολικός σκιασμός

επίπεδα διακύμανσης μεταβολισμού

έλεγχος του αέρα

ανάλυση της πορείας του αέρα

κατασκευαστικές επιδόσεις

κατασκευαστική ανάλυση FEA ανάλυση της ακτινοβολίας

φυσικός φωτισμός

τοπική κλίμακα

αποτίμηση γεωμετρικών χαρακτηριστικών

αναλογία επιφάνειας προς όγκο

συνιστώντα μέρη

γενότυπος

περιβάλλον

φαινότυπος

αρχικό σχέδιο

αλγόριθμος αναρρίχησης λόφων

x αριθμός επαναλήψεων

bottom-up διαδικασία

56

δίκτυο συνιστωσών

ανάλυση της πορείας του αέρα

φυσικός εξαερισμός πως τα συστήματα υλικών επηρεάζουν τις μικροκλιματικές συνθήκες

καθολική μορφή

Διάγραμμα που δείχνει τη σχέση μεταξύ της υπολογιστικής μεθόδου σχεδιασμού που στηρίζεται στον αλγόριθμο hill-climbing και τις παραμέτρους που αφορούν τις διαφορετικές κλίμακες του κελύφους, Msc Dissertation of Ioannis Douridas, Οκτώβριος 2005, αρχικά σε Emergent Technologies and Design, 2010, σελ. 65

σχεδιασμός ανάδυσης

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

θερμότητας μέσα από το συνδυασμό αυτό-σκίασης και χρήσης της ροής του αέρα. Στο επόμενο στάδιο, εγκαταστάθηκε μια αρχική επιφάνεια ως η βάση μιας bottom-up επεξεργασίας. Η γεωμετρία του αρχικού αυτού μέρους αναλύθηκε και μεταβλήθηκε ανάλογα με τις δυνατότητες αυτό-σκίασης και τη διείσδυση φωτός στο εσωτερικό, οδηγώντας σε μια σειρά από στοιχεία τα οποία αφορούν διαφορετικά μέρη του περιβλήματος του κτιρίου ανάλογα με τον προσανατολισμό ως προς την πορεία του ήλιου. Έπειτα, με μία αντίστοιχη διαδικασία προστέθηκαν οπές εξαρτώμενες από την ανάλυση της ροής του αέρα, με στοιχεία όπως είναι η επιτάχυνση/επιβράδυνση της ταχύτητας του αέρα καθώς και η διανομή της ζώνης πίεσης. Στη βόρεια πλευρά του κτιρίου, τα στοιχεία εξυπηρετούν μόνο σκοπούς εξαερισμού, ενώ στις υπόλοιπες υπάρχει συνδυασμός της λειτουργίας της αυτό-σκίασης και του εξαερισμού. Σε αυτό το σημείο γίνεται ένας διαχωρισμός σε τρία επίπεδα κλίμακας: την καθολική, την περιφερειακή και την τοπική. Σε κάθε κλίμακα, τίθεται τα κριτήρια των αεροδυναμικών επιδόσεων, της αυτοσκίασης και της διείσδυσης του φωτός, ενώ ολόκληρο το σύστημα ικανοποιεί επιδόσεις σχετικές με αυτά τα τρία κριτήρια. Η μέθοδος με την οποία εξελίσσεται το σύστημα ορίζεται από τον αλγόριθμο αναρρίχησης λόφων, ο οποίος συνήθως χρησιμοποιείται σε εφαρμογές τεχνητής νοημοσύνης που εξελίσσονται από μια αρχική θέση προς μια αρθρωτή κατάσταση μέσω μιας μη γραμμικής αλγοριθμικής διαδικασίας. Η μεταβολική μορφολογία που παρουσιάζει η συγκεκριμένη έρευνα επικεντρώνεται στην αυτό-σκίαση, στη διείσδυση του φωτός και στην αεροδυναμική απόδοση. Αποτελεί μια εργασία ανοικτή προς περαιτέρω ανάλυση σε κατευθύνσεις όπως το είδος του υλικού και η περιβαλλοντική του απόδοση. Ωστόσο πρόκειται για ένα ενδεικτικό παράδειγμα αλληλεπίδρασης του κτιρίου με το περιβάλλον του και χρήσης φυσικών τεχνικών για την κάλυψη ενεργειακών αναγκών.

Εικ. 34 Το κέλυφος είναι αποτέλεσμα μιας επαναληπτικής αλγοριθμικής διαδικασίας που βασίζεται στην ηλιακή έκθεση και στο φυσικό εξαερισμό.

57

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

Εικ. 35 Πολλαπλές «γενιές» του κτιρίου αναπτύχθηκαν και αναλύθηκαν υπολογιστικά σε σχέση με κριτήρια περιβαλλοντικής απόδοσης ωστε να εξερευνηθεί η δυνατότητα αυτο-σκίασης σε όλες τις κλίμακες, Ioannis Douridas, 2005

58

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

59

3.3 Συστήματα Διακλάδωσης

Εικ.36

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

62

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

3.3.1 Εισαγωγή

Σχηματισμοί σε διακλαδώσεις απαντώνται στη φύση σε ποικίλα συστήματα, από τη μορφολογία των φυτών ως τις διακλαδώσεις στους βρόγχους των ανθρώπινων πνευμόνων ή στους σχηματισμούς των αστραπών.

Σύμφωνα με τον Benoit Mandelbrot58, οι σχηματισμοί (patterns) διακλάδωσης είναι αυτο-όμοιοι, με την έννοια ότι «κάθε κομμάτι είναι γεωμετρικά όμοιο με το όλον»59. Ωστόσο είναι εύκολο να παρατηρήσουμε ότι παρουσιάζουν και διαφορές οι οποίες εξαρτώνται από το βαθμό διακλάδωσης. Σύμφωνα με τον επιστημονικό συγγραφέα Philip Ball60, οι επιστήμονες τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτύξει ένα μαθηματικό τρόπο αξιολόγησης των διαφορετικών σχηματισμών διακλάδωσης ώστε οι διαφορετικοί τύποι να είναι αναγνωρίσιμοι. Από τέτοια μοντέλα μπορούμε να κατανοήσουμε πως οι διακλαδωτές μορφές αναπτύσσονται. Κατά τον Ball, η μορφή των συστημάτων διακλάδωσης είναι αδύνατο να περιγραφεί με παραδοσιακά μέσα παραγωγής μοντέλου, έτσι ουσιαστικά έχουμε ένα σύστημα αλγορίθμων που παράγουν τα χαρακτηριστικά διακλάδωσης.

Εικ. 37 Αλγόριθμος διακλάδωσης με τροποποίηση στην κατεύθυνση ανάπτυξης μέσω ελκυστή, Yukio Minobe, 2009

3.3.2 Lindenmayer-systems (L-systems)

58 Γαλλοαμερικανός μαθηματικός, γνωστός ως ο «πατέρας» της γεωμετρίας των φράκταλ. Πηγή: http://goo.gl/vzdWoH , τελευταία επίσκεψη 7 Ιουλ. 2014 59 Branches, Hensel, M., Menges, A. and Weinstock, M. Emergent Technologies and Design Routledge, 2010., σελ. 155-175 60 Ο.π.

63

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

To 1968, ο Ούγγρος βιολόγος Aristid Lindenmayer, σε συνεργασία με τον καθηγητή Przemyslaw Prusinkiewicz, μελετά τους σχηματισμούς με τους οποίους αναπτύσσονται απλοί πολυκύτταροι οργανισμοί και καταλήγει σε μια αφηρημένη μαθηματική δομή για την περιγραφή της ανάπτυξης τέτοιων οργανισμών. Αυτός ο αλγόριθμος έχει ιδιαίτερη σημασία για την παραγωγή μοντέλων που αφορούν την ανάπτυξη γεωμετριών διακλάδωσης.

Σύμφωνα με τον καθηγητή Prusinkiewicz, η χρήση υπολογιστικών μοντέλων μπορεί να επιφέρει αφ’ ενός ποσοτική κι αφ’ ετέρου «συνθετική» κατανόηση των αναπτυξιακών μηχανισμών, με την έννοια ότι προσφέρει στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό καλύτερη κατανόηση της συνέργειας μεταξύ συστημάτων και περιβαλλόντων, ως προς τα χαρακτηριστικά της συμπεριφοράς τους.61 Όπως διευκρινίζει, είναι δυνατόν τα L-systems να δώσουν το έναυσμα για μια σειρά από γλώσσες προγραμματισμού που αφορούν την προσομοίωση ενός μεγάλου εύρους φυτών. Η ενσωμάτωση της εκβιομηχανικής στην ανάπτυξη των φυτών, επιτρέπει την εισαγωγή εξωτερικών φυσικών, βιολογικών και περιβαλλοντικών πληροφοριών στην μοντελοποίηση. Τέτοιες πληροφορίες είναι οι επιπτώσεις της βαρύτητας, του τροπισμού κ.α. Αντίστοιχα χρήσιμες μπορούν να αποδειχθούν τέτοιες πληροφορίες στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό, με ολόκληρα κτίρια ή περιβλήματα που ενημερώνονται για πολλά διαφορετικά στοιχεία και βελτιστοποιούνται ώστε να επιτυγχάνεται απόδοση σε ποικίλα επιπεδα62. Για παράδειγμα, σε ένα κτίριο το δομικό σύστημα μπορεί να λαμβάνει ενημέρωση περί της βαρύτητας και των δυνάμεων που ασκούνται, και να προσλαμβάνει την πιθανώς επιπλέον ενέργεια που χρειάζεται ενεργοποιώντας την εισαγωγή πληροφοριών περιβάλλοντος, και κατά συνέπεια συλλέγοντας ενέργεια από τον ήλιο ή από το νερό της βροχής.

61 62

64

Hensel Μ., ‘Computing Self-Organisation: Environmentally Sensitive Growth Modelling’, Techniques and Technologies, 2006, σελ. 12-17 Ο.π.

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

3.3.3 Παραδείγματα

a. Διακλαδωτό συστημα εξαερισμού, Yukio Minobe

Επιστρέφοντας στις μελέτες του EmTech θα παρουσιάσω το παράδειγμα δύο μεταπτυχιακών διατριβών που αφορούν διακλαδωτές δομές.

Εικ. 38 Συστήματα διακλάδωσης στις φωλιές τερμιτών

Μέσο ζενίθ (=γεωγραφικό πλάτος)

Κεντρική Καμινάδα Επιφανειακοί αγωγοί Έξοδος Πλευρικοί σύνδεσμοι

Έξοδος Επιφανειακοί αγωγοί Πλευρικοί σύνδεσμοι Κεντρική Καμινάδα

Εικ. 39 Διαγράμματα τομής και κάτοψης της φωλιάς τερμιτών που επικεντρώνεται στο δίκτυο αγωγών και στην κλίση προς το μέσο ζενίθ, Yukio Minobe

Το πρώτο παράδειγμα είναι η έρευνα του Yukio Minobe (2007-2008)63, ο οποίος αναπτύσσει ένα διακλαδωτό σύστημα εξαερισμού ανάμεσα στο εσωτερικό και το εξωτερικό ενός χυτού κελύφους με μορφή θόλου. Για να το επιτύχει αυτό, μελετά τη συμπεριφορά και τη μορφολογία σε φωλιές από τερμίτες, οι οποίες δομούνται σε αναχώματα και αναπτύσσουν ένα πολύπλοκο σύστημα εξαερισμού μέσω δικτύων διακλάδωσης. Το σύστημα αυτό περιλαμβάνει: [i] ρεύματα αέρα με ανοδική πορεία, εξαιτίας του φαινομένου της άνωσης, [ii] πλευρική διανομή του αέρα από την καμινάδα του αναχώματος μέσω πλάγιων συνδέσμων προς τους επιφανειακούς αγωγούς, [iii] ρεύματα αέρα προς τη ζώνη αρνητικής πίεσης του αναχώματος, εξαιτίας διαφοροποιήσεων της πίεσης, [iv] αναρρόφηση του αέρα από τη ζώνη αρνητικής πίεσης του αναχώματος64.

Η τοπική κλίμακα του εγχειρήματος ορίζεται από τον τύπο των διακλαδωτών συνδέσμων μέσα στο σύστημα εξαερισμού, καθώς και από την τραχύτητα της εσωτερικής επιφάνειας. Μετά από 63 Αναλυτική περιγραφή και φωτογραφίες θα βρείτε στο: http:// issuu.com/architecturalecologies/docs/branching_respiration_skin_atelier_ yukio_minobe_ 64 Hensel M., Emergent Technologies and Design, 2010, σελ. 64-82

65

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

ομάδα 1

υπο-ομάδα 1 κέντρο βάρους της ομάδας 1

καταληκτικά σημεία

υπο-ομάδα 2

ένα κέντρο βάρους της υπο-ομάδας 1

ένα κέντρο βάρους της υπο-ομάδας 2

ένα σημείο αρχής αντιστοίχηση καταληκτικών σημείων

αρχική κατάσταση

ένα κέντρο βάρους του ζευγαριού 2 ένα κέντρο βάρους του ζευγαριού 1

1η γενιά διακλαδωτής ανάπτυξης

2η γενιά διακλαδωτής ανάπτυξης

4η γενιά διακλαδωτής ανάπτυξης

τελική κατάσταση

ένα κέντρο βάρους του ζευγαριού 3 ένα κέντρο βάρους του ζευγαριού 4

3η γενιά διακλαδωτής ανάπτυξης

Εικ. 40 Διάγραμμα που δείχνει τον τρόπο με τον οποίο ο αλγόριθμος κεντροβαρούς διακλάδωσης (centroid branching algorithm) αναπτύσσει τις επόμενες γενιές, μέσα από τον υπολογισμό του κέντρου βάρους σε κάθε ομάδα μιας γενιάς ανάπτυξης και θέτοντας αυτό ως ελκυστή για την επόμενη, Yukio Minobe, 2009

66

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

εκτενή υδροδυναμική ανάλυση ανάμεσα σε τρία είδη διακλαδωτών συνδέσμων – κλαδί επίπεδης τομής, σε κλίση και σε μερική κλίση – κατέληξε ότι η διακλάδωση με τομή μερικής κλίσης είναι η πιο αποδοτική, καθώς προκαλεί τις ελάχιστες δυνατές αναταράξεις της ροής αέρα. Για να αρθρωθεί το σύστημα εξαερισμού, χρησιμοποιήθηκε ο αλγόριθμος κεντροβαρούς διακλάδωσης (centroid branching algorithm). Ο σπουδαστής εκκινεί τη διαδικασία άρθρωσης θεωρώντας ως δεδομένα τα σημεία αρχής και τέλους του συστήματος διακλάδωσης στο εσωτερικό και εξωτερικό της επιφάνειας. Τα καταληκτικά σημεία του συστήματος λειτουργούν ως ελκυστές (attractors), έλκοντας την άκρη ενός νέου κλαδιού. Σε επόμενο στάδιο, υπολογίζεται το κέντρο βάρους μεταξύ δύο κλαδιών, το οποίο λειτουργεί ως ελκυστής για το επόμενο επίπεδο κλαδιών. Υπολογίζοντας το κέντρο βάρους όλων των κέντρων βάρους και ορίζοντας το αποτέλεσμα ως ελκυστή σε αυτό το βήμα ανάπτυξης, βρίσκουμε την κατεύθυνση με την οποία αναπτύσσεται το σύστημα. Όσο αναφορά το μήκος κλαδιού, αυτό είναι ευμετάβλητο και εξαρτάται από την επίτευξη των στόχων εξαερισμού. Με αυτό τον τρόπο δημιουργείται ένα είδος «θάμνου» από αγωγούς με διαφορετικές γενιές. Για την εύρεση του εξωτερικού περιβλήματος χρησιμοποιείται ένας ακόμα αλγόριθμος που αφορά τον τροπισμό σε σχέση με το φως και τον αέρα (wind-sun tropic growth Algorithm). Όταν ένα αντικείμενο συναντά ένα ρευστό (στην προκειμένη ο αέρας), αναδύεται μια συγκεκριμένη κατευθυντική τάση, η οποία μπορεί να θεωρηθεί ως η ανάδυση ενός συγκεκριμένου αριθμού οριακών σημείων στου αντικειμένου. Σε αυτό το σημείο επιλέγεται ένα συγκεκριμένο οικόπεδο, ώστε να λάβουμε στοιχεία σχετικά με την κατεύθυνση του ηλίου ή του αέρα. Σύμφωνα με τις αρχές της κοινωνίας τερμιτών, το γεωγραφικό πλάτος του οικοπέδου που μας αφορά τίθεται για να καθορίσουμε τη θέση του ήλιου «ελκυστή» ως το μέσο ζενίθ, ενώ η κατεύθυνση του αέρα ορίζεται ως η επικρατούσα σε μια συγκεκρι-

Κανονικό διάνυσμα αντίδρασης προς τον ήλιο και τον αέρα

Γραμμές περιβλήματος, βάσεις για τους αγωγούς διακλάδωσης

Εξωτερικό περίβλημα

Εικ. 41 - 42 Διαγράμματα εξωτερικών μορφολογιών σχετικών με τις κατευθύνσεις του ανέμου και του ήλιου για το επιλεχθέν οικόπεδο, Yukio Minobe, 2009

67

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

1

Ορισμός μιας εξωτερικής μορφής από την ανάπτυξη σχετική με τον αέρα-ήλιο

2

Εξέταση της διανομής πίεσης στο περίβλημα

3

4

5

6

Διανομή των κέντρων Ορισμός των Επιλογή των τρυπών Ορισμός των των τρυπών ανάλογα με ακτινών των τρυπών ανάλογα με μια μορφή αρχικών σημείων για τη διανομή της πίεσης και ανάλογα με μία μορφή συγκεκριμένης ροής την ανάπτυξη των τη θερμική αγωγιμότητα συγκεκριμένης ροής αγωγών διακλάδωσης

7

Ανάπτυξη των αγωγών διακλάδωσης

Εικ. 43 Διάγραμμα που δείχνει τη διαδικασία ανάπτυξης του διακλαδωτού συστήματος εξαερισμού, Yukio Minobe, 2009

68

8

Γένεση του διακλαδωτού συστήματος εξαερισμού

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

μένη εποχή. Έτσι καταλήγουμε σε μια σειρά από γεωμετρίες οι οποίες συνδέονται με την τοποθεσία του συστήματος, οι οποίες έπειτα αναλύονται σε σχέση με τη ροή του αέρα, χρησιμοποιώντας διαφορετικούς διακλαδωτούς σχηματισμούς εξαερισμού, με διαφορετικά σημεία εισαγωγής και εξαγωγής εξαερισμού. Για το άνοιγμα των τρυπών στο κέλυφος γίνεται εκμετάλλευση των διαφορών πίεσης σαν φορέας φυσικού εξαερισμού, σύμφωνα με την αρχή της υδροδυναμικής του Μπερνούλι, κατά τον οποίο η στατική πίεση του εξωτερικου περιβλήματος ενός αντικειμένου εκτεθειμένου στον αέρα γίνεται η μέγιστη θετική στην πτέρυγα την οποία χτυπά ο αέρας, και μέγιστη αρνητική στη ζώνη παράλληλη της κατεύθυνσης του αέρα. Έτσι, όταν έχουμε δύο τρύπες που ανήκουν στην ίδια διαδρομή του αέρα και η μία έχει τη μέγιστη θετική πίεση, ενώ η άλλη τη μέγιστη αρνητική, τότε έχουμε τη μέγιστη δυνατή ροή του αέρα.

Εικ. 44 Υδροδυναμική ανάλυση και προσομοίωση, Yukio Minobe, 2009

69

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

Εικ. 45 Ψηφιακό μοντέλο της διακλαδωτής μορφολογίας του συστήματος εξαερισμού, Yukio Minobe, 2009

70

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

b. Έρευνα σε διακλαδωτές μορφές, Pavel Hladik

Η επομενη μεταπτυχιακή έρευνα την οποία θα αναλύσω, είναι του σπουδαστή Pavel Hladik (2006), ο οποίος ασχολήθηκε με την ψηφιακή παραγωγή μορφής και με τις διαδικασίες μορφογένεσης που αφορούν συστήματα διακλάδωσης τα οποία συσχετίζονται με δομικά και περιβαλλοντικά κριτήρια, καθώς και με περιορισμούς σε θέματα υλικών και κατασκευής65. Η έρευνα ξεκίνησε χρησιμοποιώντας την τεχνική του Frei Otto και της ομάδας του, ώστε να συλλέξει εμπειρικά δεδομένα. Κατά τα πειράματα αυτά, μάλλινες κλωστές βυθίζονται σε νερό και λόγω της επιφανειακής τάσης αποκτούν μορφή διακλαδωτών σχηματισμών με συγκεκριμένη δομική συμπεριφορά και ικανότητα. Από τα δεδομένα που δίνουν τα φυσικά μοντέλα ως προς τη γεωμετρική λογική, ο Hladik περνά σε ψηφιακή προσομοίωση μέσω του προγράμματος Generative Components66, το οποίο επιτρέπει την εισαγωγή διαδικασιών αυτό-οργάνωσης στο μοντέλο, καθώς και την εύκολη τροποποίησή του. Κατά το 3D σχεδιασμό, το μήκος των κλαδιών είναι ορισμένο και κατά συνέπεια και η πυκνότητα του συνολικού pattern διακλάδωσης. Καθοριστική σημασία για την ανάπτυξη του μοντέλου παίζει ο διαμοιρασμός των σημείων αρχής της διακλάδωσης, όπως και η επιλογή του υλικού, που στην περίπτωσή μας είναι λυγισμένο ξύλο. Τα καθορισμένα σημεία αρχής, μέσης και τέλους της διακλάδωσης λειτουργούν ως τη «σκαλωσιά» για τη διανομή των στοιχείων. Παράλληλα με τη διαδικασία προσομοίωσης σε

Εικ. 46 Η μέθοδος αναζήτησης της μορφής για συστήματα διακλάδωσης που αναπτύχθηκε από τον Frei Otto και την ομάδα του, από μάλλινες κλωστές βυθισμένες σε νερό, Pavel Hladik, 2006

65 Hensel, M., Menges, A. and Weinstock, M. Emergent Technologies and Design, Routledge, 2010., σελ. 155-173 66 Παραμετρικό CAD πρόγραμμα, της εταιρίας Bentley Systems. Πηγή http://en.wikipedia.org/wiki/GenerativeComponents, τελευταία επίσκεψη 10 Ιουλ. 2014

71

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

3D, κατασκευάζονταν και φυσικά μοντέλα από πολύστρωτα φύλλα ξύλου (κόντρα-πλακέ). Με τα παραπάνω δεδομένα, ο σπουδαστής έκανε τα ακόλουθα πειράματα. Η καμπυλότητα των λυγισμένων στοιχείων υπολογίστηκε μέσω τρισδιάστατου μοντέλου, στο οποίο οι καμπύλες ελέγχονται από την περιστροφή των σημείων επαφής και τη σχέση μεταξύ των στοιχείων που πάρθηκαν από τα φυσικά μοντέλα. Η πρώτη σειρά πειραμάτων αφορά τις περιοχές στις οποίες στοιχεία από διαφορετικές διακλαδωτές δομές συμπίπτουν με μια συγκεκριμένη πυκνότητα σε μια επιφάνεια, έτσι ώστε η τελική συμπεριφορά του δομικού συστήματος τείνει από διανυσματική να γίνεται επιφανειακή, στη λογική του δικτυώματος. Η δεύτερη σειρά πειραμάτων εξέτασε τη δομική αλληλεπίδραση συγκλινόντων στοιχείων διακλάδωσης διαφορετικών pattern διακλάδωσης. Η Τρίτη σειρά πειραμάτων ερεύνησε τη συνολική δομική απόδοση των συνεργαζόμενων συστημάτων διακλάδωσης. Τα πειράματα ακολούθησε μια μελέτη για κατασκευή σε συγκεκριμένη τοποθεσία, κάτι που έθεσε νέες παραμέτρους όπως ο διαθέσιμος χώρος κατασκευής, η δομική συμπεριφορά του συγκεκριμένου συστήματος ή περιβαλλοντικά κριτήρια. Πολλές από τις πτυχές που ερευνήθηκαν , όπως είναι η συμπεριφορά των συστημάτων διακλάδωσης ως δικτύωμα, ήταν απροσδόκητα ενδεχόμενα. Η προσομοίωση των L- systems σε υπολογιστή αποτέλεσε ένα τέλειο δοκιμαστικό σωλήνα για τη μελέτη διαφορετικών λογικών και παραμετρικών παραλλαγών. Ωστόσο, το συγκεκριμένο θέμα παραμένει ανοικτό για μια πιο συστηματική και ολοκληρωμένη έρευνα πάνω στη μορφογένεση και την απόδοση των συστημάτων διακλάδωσης.

72

Εικ. 48 Μεταφορά από ένα σύστημα διανυσμάτων σε σύστημα επιφανειών μέσω της προσομοίωσης στο Generative Components, Pavel Hladik, 2006

Εικ. 47 Επαναδιατύπωση του L-system αλγορίθμου σε περιβάλλον συλλογικού σχεδιασμού Generative Components, Pavel Hladik, 2006

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

Εικ. 49 Το σύστημα εξετάζεται σε συγκεκριμένη τοποθεσία, με κριτήρια τη διείσδυση των ακτίνων του ηλίου και την αυτό-σκίαση, Pavel Hladik, 2006

73

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

Εικ. 50 Παραδείγματα ψηφιακών μοντέλων που παράχθηκαν με μορφογενετικές διαδικασίες με τη χρήση του Genr8

c. Genr8

Μια ακόμα μελέτη που αφορά στη χρήση των φυσικών διαδικασιών ως εργαλεία μέσα από τον συνδυασμό των αλγορίθμων εξέλιξης και ανάπτυξης, είναι το πρόγραμμα Genr8, που αναπτύχθηκε από την ομάδα έρευνας του MIT, αποτελούμενη από τους Una-May O’Reilly, Martin Hemberg και Achim Menges67. Το Genr8 λειτουργεί ως plug-in στο 3D πρόγραμμα Maya και επιτρέπει την προσομοίωση εξελικτικών και περιβαλλοντικών δομών και γεωμετρικών επιφανειών. Στόχος της έρευνας είναι η ανάπτυξη ενός οργάνου που παράγει πολύπλοκες και προσαρμόσιμες αρχιτεκτονικές μορφές μέσα από την εργαλειοποίηση των φυσικών διαδικασιών της εξέλιξης και ανάπτυξης και τη μοντελοποίηση βασικών χαρακτηριστικών της ανάδυσης. Το συγκεκριμένο υπολογιστικό εργαλείο δίνει τη δυνατότητα διερεύνησης και ανάπτυξης τρισδιάστατων γεωμετριών σε εικονικές συνθήκες περιβάλλοντος. Με τη χρήση εξελικτικού αλγορίθμου εξερευνάται η εξέλιξη που παράγει πληθυσμούς επιφανειών σε πολλές γενιές. Η ανάπτυξη αυτή ελέγχεται από έναν αλγόριθμο που μιμείται την οργανική ανάπτυξη. Έτσι, ενώ αρχικά κάθε επιφάνεια είναι ένα ισόπλευρο πολύγωνο, έπειτα από κάποιες γενιές μεγαλώνει και γίνεται ένα πολύπλοκο σχήμα που ορίζεται κάθε φορά από μια σειρά από κανόνες ανάπτυξης. Αυτοί οι κανόνες εμπνέονται από τα Lindenmayer systems (L-systems) που επιτυγχάνουν τη μορφοποίηση εκμεταλλευόμενοι τη διάδραση δύο μερών του σχήματος, θέτοντας τους κανόνες που ορίζουν το πως αλλάζουν στοιχεία της μορφής και με μια γραφική διαδικασία που επαναλαμβανόμενα ερμηνεύει 67 Dr Una-May O’Reilly, Martin Hemberg and Achim Menges, Evolutionary Computation and Artificial Life in Architecture: Exploring the Potential of Generative and Genetic Algorithms as Operative Design Tools, Emergence: Morphogenetic Design Strategies,2 004, σελ. 49-53

74

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

τους κανόνες που αναφέρονται στην τρέχουσα μορφή. Το συγκεκριμένο μοντέλο ανάπτυξης που εφαρμόζεται εδώ, επεκτείνει την εφαρμογή των L-systems στον τρισδιάστατο χώρο μέσω της παραγωγής επιφανειών, ενώ διαχειρίζεται πιο πολύπλοκη γραμματική και την προσομοίωση του φυσικού περιβάλλοντος. Η σύνθεση επιφάνειας είναι μια bottom-up διαδικασία κατά την οποία όλα τα μέρη απαντούν στις τοπικές αλληλεπιδράσεις και στο περιβάλλον. Η όλη διαδικασία δίνει ένα αποτέλεσμα που χαρακτηρίζεται ως ανοιχτό (open-ended) και απρόβλεπτο.

Tο ενδιαφέρον που παρουσιάζει το Genr8 είναι ότι συνδυάζει το γενετικό με τον εξελικτικό αλγόριθμο. Η εξελικτική θεωρία έχει αφορέσει τις υπολογιστικές επιστήμες εδώ και αρκετά χρόνια, ωστόσο στην περίπτωσή μας ο εξελικτικός αλγόριθμος χρησιμοποιείται σαν μια προσαρμοστική διαδικασία. Στο Genr8 ένας πληθυσμός από μοναδικά σχέδια παράγεται και ελέγχεται προς αναζήτηση του πιο αποδοτικού (fittest) αυτών, τα οποία έπειτα επανασυνδυάζονται και τροποποιούνται για να παράγουν τα βελτιωμένα σχέδια «απογόνους» που ενσωματώνουν τα προτιμώμενα χαρακτηριστικά των «προγόνων» σε μια μη γραμμική διαμόρφωση68. Ο σχεδιαστής μπορεί να διακόψει την εξελικτική διαδικασία σε οποιαδήποτε στιγμή, να εξάγει ένα σχέδιο ή και ολόκληρο πληθυσμό, να μεταβάλλει τις παραμέτρους και έπειτα να συνεχίσει τη διαδικασία. Διάφορα πειράματα έγιναν με τη χρήση του Genr8, που αποδεικνύουν τις δυνατότητές του ως εργαλείο εξελικτικών υπολογιστικών διαδικασιών και ισχυρής ψηφιακής μοντελοποίησης ταυτόχρονα. Ένα από τα πειράματα ήταν ένα strawberry bar από συμπιεσμένο αέρα 68

Ο.π.

Εικ. 51 Κατασκευή ενός strawberry Bar για εκδήλωση της Architectural Association με τη χρήση του Genr8

75

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

76

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

που θα χρησιμοποιούνταν στην ετήσια εκδήλωση της Architectural Association. Η παραγωγική διαδικασία ξεκίνησε από δύο τραπεζοειδείς επιφάνειες που αποτελούν το φουσκωτό στοιχείο, οι οποίες καθορίζονται από το υπόδειγμα κοπής τους, τα οποία αποτέλεσαν τα δεδομένα για την εκκίνηση της εξελικτικής διαδικασίας και την παραγωγή των επόμενων υποπληθυσμών. Αφού το Genr8 εκτελέστηκε σε πάνω από 600 γενιές, 144 είδη προσδιορίστηκαν και επιλέχθηκε το σχέδιο της τελευταίας και πιο ανεπτυγμένης γενιάς που κάλυπτε τα κριτήρια σχετικής απόδοσης (fitness).

Εικ. 52 (αριστερά) Με τη χρήση του Genr8 και μέσα από την προσαρμογή των κριτηρίων σχετικής απόδοσης (fitness) και τη γεωμετρική άρθρωση της μορφογενετικής διαδικασίας, παράγεται ένα σύστημα διαρκώς αυξανόμενης πολυπλοκότητας

77

3.4 Συστήματα Υλικών

Εικ.53

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

80

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

3.4.1 Εισαγωγή

Οι φυσικοί οργανισμοί έχουν αναπτύξει μέσα στο χρόνο εξαιρετικά προσαρμόσιμα συστήματα υλικών. Χαρακτηριστικό είναι το παράδειγμα της σύγκρισης ως προς την αντοχή του μεταξιού που παράγει η αράχνη με το ύφασμα Kevlar69, η πιο ισχυρή συνθετική ίνα που έχει κατασκευαστεί τεχνητά ως της μέρες μας. Φυσικά, το να επιχειρήσουμε να συγκρίνουμε τα βιολογικά με τα τεχνητά υλικά είναι άστοχο καθώς αποτελούν δύο διαφορετικά συστήματα, ωστόσο μπορούμε να εξετάσουμε τις επί μέρους ιδιότητες ή επιδόσεις και μέσω αυτού να κατασκευάσουμε μοντέλα προς χρήση για την παραγωγή υλικών. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, το μετάξι της αράχνης έχει αποδειχθεί ισχυρότερο. Δηλαδή, απαιτούνται μεγάλες ποσότητες θειικού οξέος σε εξαιρετικά υψηλές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, με την έκλυση μεγάλων ποσοτήτων τοξικών αποβλήτων για την κατασκευή ενός υλικού που είναι πιο αδύναμο από το φυσικό μετάξι που παράγεται σε συνθήκες περιβάλλοντος με τη χρήση ακατέργαστων υλικών. Η μεθοδολογία κατασκευής στην οποία βασίζεται ο άνθρωπος απέχει παρασάγγας από αυτή της φύσης, ακολουθώντας μια λογική την οποία η Jeanine Benyus70 απέδωσε ως «θέρμανε-χτύπα-μεταχειρίσου (heat, beat and treat)», με άλλα λόγια μια λογική κατανάλωσης υπερβολικής ενέργειας για ένα γραμμικό, σπάταλο και ρυπογόνο χειρισμό των πόρων, σε αντίθεση με τους κύκλους ζωής της φύσης. Συγκρίνοντας την οικονομία στη χρήση χημικών στοιχείων του περιοδικού πίνακα71, βλέπουμε ότι περίπου το 96% όλης της ζωντανής ύλης είναι φτιαγμένη από τέσσερα στοιχεία: άνθρακα, οξυγόνο, υδρογόνο και άζωτο, ενώ επτά ακόμα στοιχεία απαρτίζουν το υπόλοιπο ποσοστό. Αντίθετα, τα τεχνητά συστήματα υλικών χρησιμοποιών σχεδόν κάθε στοιχείο που υπάρχει. Ένα ακόμα χαρακτηριστικό που μας δείχνει ότι έχουμε πολλά να μάθουμε από τη φύση είναι ότι τα βιολογικά συστήματα υλικών μπορούν να μεταβάλλονται και να προσαρμόζονται ανάλογα με τις συνθήκες, καθώς και να αυτό- επιδιορθώνονται, όταν τα τεχνητά παραμένουν αδρανή. Για παράδειγμα, ο οστικός ιστός γίνεται πιο πυκνός, άρα και πιο ανθεκτικός μετά από επανειλημμένα φορτία σε αθλητικές δραστηριότητες, όπως η άρση βαρών. Ο Michael Weinstock, αναλύοντας την αυτό-οργάνωση των φυτών72 τονίζει δύο χαρακτηριστικά των φυσικών συστημάτων, την πολυπλοκότητα και την προσαρμοστικότητά τους. Εκεί έγκειται και μια ακόμα σημαντική διαφορά τους από τα τεχνητά συστήματα. Τα βιολογικά συστήματα χρησιμοποιούν αδύναμα υλικά για να κατασκευάσουν ανθεκτικές δομές, μέσα από την οργάνωση σε διαδοχικές ιεραρχίες. Οι ιδιότητες των υλικών έχουν την ικανότητα να αλλάζουν ανάλογα με τις πιέσεις που δέχονται. Αυτό επιτυγχάνεται με τον πλεονασμό (redundancy), δηλαδή ένα σύστημα όχι μόνο έχει περισσότερα κύτταρα σε κάθε ιστό απ’ όσα μια λειτουργία θα χρειαζόταν, αλλά επίσης η 69 70 71 72

Pawlyn M. , “How will we manufacture materials?”, Biomimicry in Architecture, RIBA Publishing, London,2011, σελ. 34-51 Benyus J., Biomimicry: Innovation Inspired by Nature, Harper Collins, New York, 1998, p. 97 Pawlyn M. , “How will we manufacture materials?”, Biomimicry in Architecture, RIBA Publishing, London,2011, σελ. 34-51 Weinstock M., Self-Organisation and the Structural Dynamics of Plants, Techniques and Technologies ,2006, σελ. 26-33

81

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

82

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

ιεραρχική οργάνωση των κυττάρων δομείται έτσι ώστε ο ιστός να έχει υπερβολική ποσότητα για να προσαρμοστεί στις περιβαλλοντικές πιέσεις. Έτσι, σε αντίθεση με τις τεχνητές δομές που λειτουργούν με τη στρατηγική των ελάχιστων υλικών, οι φυσικές δομές διατηρούν περισσότερα κύτταρα απ’ όσα χρειάζονται, επιτυγχάνοντας ευρωστία και τη δυνατότητα να επιβιώσουν όταν γίνονται αλλαγές στο περιβάλλον κάνοντας τις απαραίτητες προσαρμογές. Τα τελευταία έτη έχουν γίνει εκτενείς μελέτες για την παραγωγή νέων τεχνητών υλικών βασισμένες σε βιολογικά μοντέλα. Αυτό που καλούνται να αφομοιώσουν οι ερευνητές αυτών των καινοτόμων μεθόδων είναι ότι τα βιολογικά συστήματα αναπτύσσουν τη μορφή τους με διαδικασίες που δε διαφοροποιούνται από αυτές της δομής και της υλικότητας. Το τρίπτυχο μορφή-δομή-υλικά λειτουργεί συνεκτικά και αλληλεπιδρά, συνεπώς η συμπεριφορά του ενός δεν μπορεί να προβλεφθεί ή αναλυθεί ξεχωριστά73.

3.4.2 Γεωμετρία των φυτών και δομική δυναμική

Στα βιολογικά συστήματα υλικών, η προσαρμοστικότητα αναπτύσσεται σε επίπεδο ειδών με τους πολύ αργούς ρυθμούς της εξελικτικής διαδικασίας, σαν απάντηση σε εισερχόμενες επιδράσεις στον οργανισμό74. Τέτοιες επιδράσεις είναι φορτία ή περιβαλλοντικές πιέσεις που αλληλεπιδρούν με το γενετικό υλικό. Προσαρμογές που γίνονται σε μικρότερα διαστήματα, και άρα είναι ευκολότερο να παρατηρηθούν, αφορούν τις αλλαγές στο σχήμα, τη δομή και τις ιδιότητες των υλικών και παράγονται απαντώντας στις μεταβολές των περιβαλλοντικών συνθηκών, μια διαδικασία που ονομάζεται θιγμομορφογένεση (thigmomorphogenesis). Το πρόγραμμα Emergent Technologies and Design με την καθοδήγηση των George Jeronimidis και Nikolaos Stathopoulos προέβη σε μια εις βάθος εξέταση τω βιολογικών συστημάτων των φυτών75, σε αναζήτηση συστημάτων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε κτίρια. Η έρευνα ξεκίνησε από την ανάλυση των συστημάτων bamboo και των φοινίκων. Η μοντελοποίηση έγινε και εδώ με το πρόγραμμα GenerativeComponents, ένα πρόγραμμα συνειρμικής μοντελοποίησης (associative modelling), το οποίο επέτρεψε τη σύνδεση του μοντέλου με τις ιδιότητες ανάδυσης που προκύπτουν από την ιεραρχία στη δομή του φυτού. Έπειτα έγιναν αναλύσεις με μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων76 μέσω της τεχνικής FEA(finite analysis elements), μια μέθοδο αριθμητικής ανάλυσης κατασκευών.

73 Weinsock M., “Self-Organisation and Material Constructions”, Techniques and Technologies, 2006, σελ. 34-41 74 Jeronimidis George, “Biodynamics”, Emergence: Morphogenetic Design Strategies, 2004, σελ. 49-53 75 Weinsock M., “Self-Organisation and Material Constructions”, Techniques and Technologies, 2006, σελ. 34-41 76 Η μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων είναι μια αριθμητική μέθοδος (δηλ. μέθοδος υπολογισμού με χρήση Η/Υ) για τον υπολογισμό προσεγγιστικών λύσεων μερικών διαφορικών εξισώσεων. Πηγή: http://goo.gl/h5r2S3, τελευταία επίσκεψη 09 Σεπτ. 2014 Εικ. 54 Η παραγωγή του μεταξιού της αράχνης σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο

83

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

a. Bamboo

Το bamboo εμφανίζεται σε φυσικά συστήματα σε ποικίλα ύψη και διαμέτρους κορμών. Οι συνθήκες ανάπτυξής του και η ηλικία δε δείχνουν να έχουν κάποιο ουσιαστικό αντίκτυπο στην ανατομία ή στην υλική σύσταση του κορμού. Κατά την έρευνα, το ψηφιακό μοντέλο που κατασκευάστηκε, συνδέθηκε με την καθολική μορφολογία του φυτού – τη γενική μορφή του- και την ανατομία του – την εσωτερική δομή. Δημιουργήθηκαν έτσι σχέσεις μεταξύ των διάφορων συνιστωσών του φυτού, που ελέγχονταν από μια καθολική μεταβλητή του ψηφιακού μοντέλου. Έτσι, μελετήθηκε γεωμετρικά και δομικά. Σε αντίθεση με τα δέντρα, η ανάπτυξή τους είναι κυρίως καθ’ ύψος και παρουσιάζουν αναλογικά μικρή ακτινική ανάπτυξη. Ο κορμός αποτελείται από: 50% μακριά κυλινδρικά κύτταρα, 40% ίνες και 10% ξύλωμα. Όλα τα bamboo παρουσιάζουν διαφοροποίηση στη διανομή κυττάρων, τόσο οριζόντια όσο και κάθετα. Το ποσοστό ινών είναι πολύ μεγαλύτερο στο εξωτερικό εν τρίτο του τοιχώματος απ’ ότι στο εσωτερικό, όπως και στο ανώτερο τμήμα του κορμού σε σύγκριση με το κατώτερο. Η διαφοροποίηση αυτή εξαρτάται από το ύψος και την ισχνότητα του φυτού, έτσι υπάρχουν πάντα περισσότερα αγγειακά κύτταρα και ίνες, έτσι ώστε να εξασφαλισθεί ότι όσο αυξάνεται η ισχνότητα, τόσο το υλικό θα αυξήσει την αντοχή του στις αυξημένες πιέσεις του αέρα και του νερού στα υψηλότερα σημεία του bamboo. Αυτή η κυτταρική και ινώδης διαφοροποίηση προσφέρει ένα ενδιαφέρον μοντέλο για την παραγωγή υλικών από συνθετικές ίνες.

Εικ.55

84

Το ύψος του bamboo είναι δυνατόν να φτάσει τα 30 μέτρα, και παρά τη λεπτή τομή του, δεν κάμπτεται καθώς ταλαντεύεται από τον άνεμο. Η προσομοίωση και ανάλυση έδειξαν ότι πρόκειται για ένα φυτό που διαχειρίζεται τις δυνάμεις που δέχεται πολύ πιο αποδοτικά από τις ανθρώπινες κατασκευές με το ελάχιστο υλικό: έχει διπλή συμπιεστική δύναμη από το τσιμέντο και την ίδια αναλογία αντοχής ως προς το βάρος με το ατσάλι σε τάση. Ακόμα, η διαμόρφωση του κυλίνδρου με κενό στο κέντρο του δίνει αντοχή 1.9 φορές μεγαλύτερη από του αντίστοιχου στερεού όταν χρησιμοποιείται ως δοκός, καθώς σε μία δοκό μόνο η κορυφή και το κάτω μέρος είναι χρήσιμα – το υλικό στο κέντρο δεν προσφέρει κάτι και μόνο προ-

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

Εικ.56-57 Τρισδιάστατα μοντέλα της καθολικής μορφολογίας του μίσχου του bamboo - που δείχνουν τη μορφή του κορμού γύρω από τα διαφράγματα- καθώς και της εσωτερικής σύνθεσης - που δείχνουν τη διαφοροποίηση στην πυκνότητα των ινών

85

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

Εικ.58-59 Μελέτη της δομικής απόδοσης του πτυχωτού φύλλου φοίνικα

86

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

σθέτει βάρος. Ένα ακόμα χαρακτηριστικό είναι ότι το bamboo έχει εσωτερικά διαφράγματα που παρεμβάλλονται και μειώνουν το ενεργό μήκος του φυτού σε σχέση με την τομή, έτσι κάθε ενότητα στο διάστημα μεταξύ δύο διαφραγμάτων χαρακτηρίζεται από ακαμψία – καθώς έχει τοπικό μήκος μικρό σε σχέση με τη διάμετρο – ενώ η ολική γεωμετρία χαρακτηρίζεται από ελαστικότητα – μεγάλο μήκος του μίσχου σε σχέση με τη διάμετρο. Η διαφοροποίηση των διαστάσεων των διαστημάτων κατά μήκος του κορμού παράγει μια την αντοχή στα δυναμικά φορτία που δέχεται το φυτό.

b. Φοίνικας

Η στρατηγική που αναπτύσσει ο φοίνικας ως προς την πυκνότητα, τη διανομή του υλικού στον κορμό και την ανατομία του ομοιάζει με αυτή του bamboo, παρουσιάζοντας μεγάλη εσωτερική διαφοροποίηση. Η πυκνότητα των ινωδών δεσμών είναι μεγαλύτερη στο εξωτερικό του κορμού και μικρότερη προς το κέντρο του. Η διαφοροποίηση του υλικού καθώς και η μεταβολή στη διάμετρο του κορμού (αλλοτροπία) δίνουν στο φοίνικα την αντοχή σε υψηλά δυναμικά φορτία. Η αλλοτροπία του κορμού, προσδίδει στο φυτό ανισοτροπικές ιδιότητες και μια διαβάθμιση ανάμεσα στη ακαμψία και στην ελαστικότητα, ενισχύοντας την ανθεκτικότητα του, ενώ όλοι οι κορμοί ενώνονται κοντά στη βάση του φοίνικα, κι αυτή η ομαδοποίηση δρα ως μια δέσμη που προσθέτει στη σταθερότητα όλου του φυτού. Παράλληλα, η πτυχωτή γεωμετρία του φύλλου, αυξάνει τα ποσοστά συλλογής ύδατος και φωτός και συνεισφέρουν στην αντοχή του φύλλου. Σε αυτό που επικεντρώθηκαν οι μελέτες είναι η ένωση μεταξύ κορμού και φύλλου. Αντίθετα με τις ανθρώπινες κατασκευές, τα βιολογικά συστήματα δεν εμφανίζουν κανένα όριο στο οποίο το ένα μέλος να αρχίζει και το άλλο να τελειώνει. Στο φοίνικα και στα φυτά γενικότερα, δεν υπάρχει κανενός είδους άρθρωση, έτσι η ζώνη στην οποία το φύλλο ενώνεται με τον κορμό ορίζεται περισσότερο σαν μορφολογική αλλαγή παρά σαν μηχανική.

c. Μη γραμμικές δυναμικές

Οι προκαταρκτικές έρευνες στην δομή και ανατομία των φυτών επικεντρώθηκαν στις γραμμικές δυναμικές τους, παρ’ ότι τα περισσότερα υλικά παρουσιάζουν μη γραμμική αντίδραση. Αυτό τους δίνει και τη σημαντική αντοχή σε μεγάλα φορτία και να δεχθούν υψηλή παραμόρφωση, επιστρέφοντας στην προηγούμενη κατάσταση. Χαρακτηριστικά, θεωρείται πιο πιθανό σε συνθήκες ισχυρών ανέμων φυτά όπως ο φοίνικας ή το bamboo να ξεριζωθεί παρά να σπάσει ο κορμός τους.

Οι μη γραμμικές ιδιότητες των φυτών μπορούν να μας φανούν χρήσιμες στον έλεγχο των δονήσεων και των ταλαντώσεων που εμφανίζονται κυρίως σε ψηλά κτίρια ή γέφυρες. Κάθε κατασκευή έχει μια μοναδική συχνότητα ταλάντωσης, την ιδιοσυχνότητα. Όταν η δόνηση που προκαλείται στην κατασκευή από εξωτερικές δυνάμεις ταυτιστεί με την ιδιοσυχνότητά της, τότε έχουμε το φαινόμενο του συντονισμού77, κατά το οποίο η ταλάντωση γίνεται με μέγιστο πλάτος. Υπάρχουν πολλά παραδείγματα γεφυρών που έχουν υποστεί ζημιές ή καταστραφεί εξαιτίας του συντονισμού, με πιο πρόσφατο αυτό της Millennium Bridge των Arup και Foster and Partners στο Λονδίνο, στην 77

Πηγή: ‘συντονισμός’ Wikipedia http://goo.gl/zCD9xr , τελευταία επίσκεψη 22 Σεπτ 14

87

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

οποία ο συγχρονισμός των βηματισμών των πεζών προκάλεσε το εν λόγω φαινόμενο, κάτι που δεν είχε προβλεφθεί κατά την υπολογιστική ανάλυση, και αντιμετωπίστηκε με την προσθήκη αποσβεστήρων. Αυτό λοιπόν που κάνει τα φυτά ανθεκτικά στο συντονισμό, είναι η μεταβλητή ακαμψία τους, καθώς μετατρέπουν την ενέργεια που τους ασκείται σε στροφική.

3.4.3 Παραδείγματα

a. Σύνθετο υλικό ενισχυμένο με ίνες γυαλιού

Το πρώτο παράδειγμα πειραματισμού με τεχνητά υλικά που εμπνέονται από τα φυσικά είναι η ευρεσιτεχνία των Chaplin, Gordon και Jeronimidis από το 1983, ένα σύνθετο οικοδομικό πανέλο υψηλής αντοχής και δύναμης78.

Ο Jeronimidis, μελετώντας την ιεραρχική δομή του ξύλου ελάτης, παρατήρησε ότι οι μικροΐνες του προσανατολίζονται ελικοειδώς συνήθως σε γωνία 0 ως 30ο, ως προς το διαμήκη άξονα. Όταν το ξύλο δέχεται τάση παράλληλη στο διαμήκη άξονα, το ξύλο παρουσιάζει πολύ διαφορετική συμπεριφορά στη θραύση, ανάλογη με την κλίση των ινών.

Έτσι, η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε ένα πλαστικό ενισχυμένο με ίνες γυαλιού (GFRP – glass-fiber reinforced plastic) με ινώδεις σωλήνες που παρουσιάζει ιδιότητες θραύσης όμοιες με αυτές του ξύλου ελάτης. Οι ίνες αρθρώνονται ελικοειδώς με βέλτιστη γωνία 15ο.

Οι πιθανοί τομείς εφαρμογής του υλικού είναι ποικίλοι, αλλά αφορά κυρίως τη βιομηχανία αυτοκινήτων και αεροσκαφών. Σε νεότερα μοντέλα αεροσκαφών σύνθετα υλικά απαρτίζουν το 20-22% του συνολικού τους βάρους, και χρησιμοποιούνται κυρίως στα φτερά, στην άτρακτο, στην ουρά και στις πόρτες79.

78 79

88

Masselter T., Speck T., ‘Biomimetic Fiber-Reinforce Compound Materials’, Advances in Biomimetics, Anne George(επιμ), Intech, April 2011, σελ 185-210 Ο.π.

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

b. Τεχνητός μίσχος φυτού

Μια ομάδα βιολόγων από τα πανεπιστήμια του Freiburg και του Tuebingen και μηχανικοί του Institute of Textile Technology and Process Engineering του Denkendorf (ITV), κατασκεύασαν ένα τεχνητό μίσχο φυτού, συνοψίζοντας προηγούμενες βιομιμητικές έρευνες που αφορούν την απόσβεση κραδασμών, το ελαφρύ βάρος, την υψηλή ακαμψία κ.α80. Για την ανάπτυξη του υλικού αντλήθηκαν πρότυπα από πέντε διαφορετικά μοντέλα φυτών. Από το φυτό Equisetum Hyemale, γνωστό και ως «τραχιά αλογοουρά» μελετήθηκε η εξαιρετικά ελαφριά κατασκευή με τον κούφιο του μίσχο με δομή διπλού δακτυλιδιού σε τομή, με δύο στρώσης ενισχυτικών ιστών. Το επόμενο πρότυπο ήταν το καλάμι με την ονομασία Arundo Donax, με ύψος 6 m. και εξωτερική διάμετρο βάσης 2 cm. Το συγκεκριμένο φυτό παρουσιάζει εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες σε συνθήκες στατικού και δυναμικού φορτίου. Όταν οι πυκνές συστάδες δέχονται δυναμικά φορτία αέρα, η λεπτή βάση απαντά με δονήσεις κάμψης και απόσβεση του φορτίου. Ένα ακόμα βιομιμητικό μοντέλο ήταν οι δομικές ιδιότητες του ξύλου, με το ελικοειδές στρώμα ινών που σχετίζεται με το προηγούμενο παράδειγμα που αναλύσαμε81.

Εικ.60-61 Τεχνητός μίσχος φυτού με διαφορετικές διατομές

Έπειτα από ποσοτική ανάλυση, κατανόηση και αφαίρεση των βιομιμητικών τεχνικών αναπτύχθηκε ο τεχνητός μίσχος φυτού – «technical plant stem» - με τις εξής αρχές: βελτιστοποιημένος προσανατολισμός των ινών, σταδιακή ένωση των ινών με το υπόλοιπο σύστημα, σύμπλεξη των ιστών, ελαφριά κατασκευή και ενίσχυση με ελικοειδή τοιχώματα82. Πιθανές εφαρμογές του τεχνητού μίσχου αφορούν την αυτοκινητοβιομηχανία, την αρχιτεκτονική, καθώς και ειδικές τεχνικές κατασκευές όπως είναι η προσθετική ιατρική.

80 Ο.π.

81 Milwich M., Speck T., Speck O., Stegmaier T., Planck H., ‘Biomimetics and Technical Textiles: Solving Engineering Problems with the Help of Nature’s Wisdom’, PubMed, 2006 82 Masselter T., Speck T., ‘Biomimetic-Fiber Reinforced’, 2011

89

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

3.4.3 Κίνητικοί μηχανισμοί

Είναι γνωστό ότι τα φυτά κινούνται. Όπως αναλύει ο George Jeronimidis83, η κίνηση στα φυτά παράγεται μέσα από την αλληλεπίδραση υλικών, δομών, ενέργειας και αισθητήρων. Οι κινήσεις αυτές μπορεί να είναι είτε τόσο αργές που να μην είναι εμφανείς – όπως είναι το άνοιγμα και κλείσιμο τον πετάλων των λουλουδιών, η στροφή του ηλιοτροπίου προς τον ήλιο, ή οι περιελίξεις των περικοκλάδων και των ριζών γύρω από εμπόδια – είτε αρκετά γρήγορες ώστε να γίνονται εμφανείς – όπως είναι το κλείσιμο και η φθίση των φύλλων του φυτού μιμόζα αισχυντηλή (mimosa pudica) με το άγγιγμα – είτε υπερβολικά γρήγορες για να τις δούμε – όπως είναι το κλείσιμο των φύλλων του σαρκοφάγου φυτού διωναία (Venus flytrap). Ένα άλλο είδος κινητικού μηχανισμού, και μάλιστα ενεργητικού, είναι η πτώση των φύλλων από τα δέντρα το φθινόπωρο. Οι αναστρέψιμες κινήσεις στα φυτά παράγονται από αλλαγές πίεσης μέσα σε ειδικά κύτταρα τα οποία είναι ευέλικτα κατά την κάμψη αλλά δύσκαμπτα κατά την τάση. Έτσι, όταν το κύτταρο δέχεται νερό, η πίεση που ασκείται στα τοιχώματα αυξάνεται και λόγω της ελαστικότητάς τους, το μέγεθος του κυττάρου αυξάνεται. Εφόσον η πίεση και των γειτονικών κυττάρων αυξάνεται ομοίως, η τάση που προκύπτει οδηγεί σε παραμόρφωση του ιστού και κατ’ επέκταση σε τοπική κίνηση ενός μέρους του φυτού. Η διεύθυνση της κίνησης καθορίζεται από τη διευθέτηση και τον προσανατολισμό των κυττάρων. Βλέπουμε πως τα συγκεκριμένα συστήματα υλικών λειτουργούν σαν δίκτυα μικρών υδραυλικών μηχανισμών84 από σακούλες με υγρό που μπορούν να εξογκώνονται και να χαλαρώνουν και μέσα από την αλληλεπίδρασή τους μετατρέπουν τις τοπικές παραμορφώσεις σε καθολικές. Αντίστοιχους μηχανισμούς χρησιμοποιούν και τα φύλλα, για να ρυθμίσουν την αναπνοή τους μέσω των στομάτων. Εδώ τα κύτταρα παρουσιάζουν ασυμμετρία ως προς τη δομή και διαφορετικά πάχη μεταξύ των ενδότερων και εξώτερων τοιχωμάτων, έτσι ελέγχοντας τις διαφορές πίεσης, τα στόματα ανοίγουν το πρωί και κλείνουν το βράδυ. Στις περιπτώσεις που η κίνηση είναι μη αναστρέψιμη, τότε η πίεση που ασκείται είναι μεγαλύτερη από αυτή που αντέχει ο ιστός, κι έτσι αυτός σπάει στο πιο αδύναμο σημείο του. Αυτός ο μηχανισμός είναι σχεδιασμένος για τις κινήσεις σε μορφή καταπέλτη κάποιων φυτών, καθώς εκτοξεύουν φρούτα ή σπόρους στο έδαφος.

83 84

90

Jeronimidis George, ‘Biodynamics’, Emergence: Morphogenetic Design Strategies, 2004, σελ. 49-53 Ο.π.

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

3.4.4 Παραδείγματα

a. Hygroscopic / Responsive Structure Surfaces

«Το ζήτημα είναι να παραδοθούμε στο ξύλο, και έπειτα να ακολουθήσουμε όπου μας οδηγεί συνδέοντας τις λειτουργίες με μια υλικότητα, αντί να επιβάλλουμε τη μορφή στην ύλη» Gilles Deuleze και Felix Guattari, ‘A thousand plateaus’85 Ένα είδος κίνησης των φυτών που έχει απασχολήσει ιδιαίτερα τους μηχανικούς είναι η κίνηση που προκαλείται από τις μεταβολές της υγρασίας. Σε αντίθεση με άλλες κινήσεις που όπως είδαμε οφείλονται στις ενεργητικές αλλαγές πίεσης στα κύτταρα, εδώ έχουμε μία κίνηση παθητική που δεν σχετίζεται με το μεταβολισμό άρα και δεν καταναλώνει ενέργεια, αλλά αφορά την υγροσκοπική ιδιότητα του υλικού, την ικανότητά του να προσλαμβάνει υγρασία από το περιβάλλον όταν είναι άνυδρο και να αποδίδει προς τα έξω όταν είναι υγρό, διατηρώντας μια ισορροπία με τη γύρω του σχετική υγρασία. Κατά τη διαδικασία απορρόφησης και εκρόφησης το υλικό αλλάζει φυσικά, καθώς τα μόρια του νερού συνδέονται με τα μόρια Εικ. 62 Βιολογική αρχή: ο κώνος ελάτης αντιδρά στις αλλαγές της υγρασίας του περιβάλλοντός του 85 http://www.achimmenges.net/?p=5612, τελευταία επίσκεψη 13 Φεβ. 2015, αρχικά σε Deuleze G., Guattari F., A thousand Plateaus, The Continuum Publishing Company, London, 2004, σελ. 451

91

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

του υλικού86. Ένα ενδιαφέρον παράδειγμα τέτοιας συμπεριφοράς είναι αυτό του κώνου ελάτης ή αλλιώς κουκουνάρι. Η ιδιότητα κίνησης στο κουκουνάρι εντάσσεται στο σύστημα μέσω μιας δομής δύο στρώσεων. Το εξωτερικό επίπεδο αποτελείται από παράλληλα, μακριά και πυκνά κύτταρα και αντιδρά υγροσκοπικά με την αυξομείωση της υγρασίας, μέσω της διαστολής και της συστολής, ενώ το εσωτερικό επίπεδο παραμένει σταθερό. Η τελική διαφορά στις διαστάσεις των δύο επιπέδων μεταφράζεται σε κίνηση στα πτερύγια του κώνου. Σε αυτή την ιδιότητα των υγροσκοπικά ενεργοποιήσιμων συστημάτων επικεντρώθηκαν οι μελέτες του Department for Form Generation and Materialisation στο HFG Offenbach και του Institute for Computational Design (ICD) στο πανεπιστήμιο της Στουτγάρδης, με επικεφαλείς τους Achim Menges και Steffen Reichert.

Η έρευνα επικεντρώθηκε στις βιομιμητικές αρχές που αντλήθηκαν από τον κώνο ελάτης, και στη μεταφορά τους σε συστήματα υλικών που λειτουργούν με δύο στρώσεις, χρησιμοποιώντας τις υγροσκοπικές ιδιότητες του ξύλου και άλλων σύνθετων υλικών. Εκτενή πειράματα έγιναν για την εξερεύνηση των ιδιοτήτων του ξύλου σε αλλαγές της υγρασίας. Για παράδειγμα, ένα λεπτό φύλλο ξύλου όταν υπόκειται σε αλλαγή της σχετικής υγρασίας από 40 σε 70 %, αλλάζει σχήμα από ευθύ σε καμπύλο σε λίγα μόλις λεπτά. Συνδυάζοντας το ξύλο με άλλα σύνθετα υλικά και μεταβάλλοντας τις κατασκευαστικές παραμέτρους, το ξύλο μπορεί να προγραμματιστεί φυσικά ώστε να αποδώσει διαφορετικές αντιδράσεις σε διαφορετικό εύρος υγρασίας.

Εικ. 63 Τρία δείγματα πάχους 1 mm προγραμματισμένα να ανταποκρίνονται σε διαφορετικά εύρη καμπυλότητας που αυξομειώνεται ανάλογα με το επίπεδο υγρασίας, © ICD University of Stuttgart

Μελετώντας και εφαρμόζοντας την πολύπλευρη συμπεριφορά του ξύλου, η ομάδα έρευνας προτείνει ένα no-tech δυναμικό σύστημα στο οποίο η ανταπόκριση στο περιβάλλον εμπεριέχεται στο υλικό ως ιδιότητα. Έτσι, όπως και στη φύση, επιτυγχάνεται η κίνηση χωρίς τη χρήση μηχανικών μελών ή την παροχή ενέργειας.

86 Menges A., Reichert S., ‘Material Capacity: Embedded Responsiveness’, Material Computation: Higher Integration in Morphogenetic Design, AD/Vol 82/ March/April 2012, Achim Menges (επιμ), εκδ. Wiley, London 2012, σελ. 52-59

92

Εικ. 64 Μοντέλα εργασίας γύρω από τη της υγροσκοπικής συμπεριφοράς του ξύλου

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

Εικ. 65 Responsive Surface Structure II, Steffen Reichert, HfG Offenbach 2008

93

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

Η πολυετής αυτή έρευνα οδήγησε σε μια σειρά από πειραματικές εφαρμογές του συστήματος. Στην πρώτη φάση κατά τα έτη 2006-2007 της εφαρμογής αναπτύχθηκε το Responsive Surface Structure I, μια επιφάνεια που μεταβάλλει το πορώδες του κελύφους της ανταποκρινόμενη στη σχετική υγρασία, διατηρώντας ωστόσο τη συνοχή των μερών της. Καθώς αποτελείται από δύο στρώσεις, δημιουργείται ένα κενό μεταξύ του στοιχείου που καμπυλώνει κατά την αλλαγή ποσοστού υγρασίας και του υποστρώματος, μεταβάλλοντας έτσι το βαθμό του ανοίγματος του κελύφους. Μια αλλαγή απολύτως αναστρέψιμη και σχετικά γρήγορη, καθώς διαρκεί 20 δευτερόλεπτα. Προκειμένου να ληφθεί υπόψη η σχέση μεταξύ των μερών, η θέση τους μέσα σε ένα μεγαλύτερο σύστημα και οι προκύπτουσες μικροκαι μάκρο- θερμοδυναμικές διαμορφώσεις, η ανάπτυξη της συνολικής επιφάνειας βασίζεται σε ένα μαθηματικό ορισμό87.

Η δεύτερη εφαρμογή του συστήματος ήταν το Responsive Surface Structure II. Εδώ ο ανταποκριτικός μηχανισμός και η φέρουσα δομή συνυπάρχουν στο ίδιο το σύστημα υλικού. Η υπολογιστική διαδικασία σχεδίασης οδήγησε σε ένα σχετικά απλό σύστημα από πολυγωνικά στοιχεία τεσσάρων έως επτά πλευρών88.

Το 2010, το συγκεκριμένο σύστημα χρησιμοποιήθηκε ως το κέλυφος του FAZ Summer Pavilion στη Φρανκφούρτη. Σε ηλιόλουστες ή ξηρές μέρες με χαμηλή υγρασία, η επιφάνεια είναι πλήρως ανοιχτή ενώ όταν ο καιρός αλλάζει τα στοιχεία της επιφάνειας αυτόματα κλείνουν μετατρέποντάς τη σε ένα αδιάβροχο κέλυφος, συγχρονιζόμενο πλήρως με τις αλλαγές του περιβάλλοντός του89.

Σε συνέχεια αυτών, το 2012, ο Achim Menges σε συνεργασία με τον Steffen Reichert, εξέθεσαν την εγκατάσταση με τίτλο HygroScope – Meteorosensitive Morphology, στο Centre Pompidou στο Παρίσι. Το έργο χρησιμοποιεί τα αποτελέσματα αυτής της μακροχρόνιας μελέτης, αλληλεπιδρώντας με την υγρασία του αέρα, για να δημιουργήσει μια μοναδική οπτική εμπειρία, σαν μια μορφή που αναπνέει.

Εικ. 66-67 FAZ Summer Pavilion 2010

94

87 ‘Responsive Surface Structure I’, τελευταία επίσκεψη 27 Οκτ 2014, Πηγή: http://www.achimmenges.net/?p=4411 88 Menges A., Reichert S., ‘Material Capacity’, Material Comutation, 2012 89 Ο.π.

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

Ένα χρόνο αργότερα η βιομιμητική αυτή εξερεύνηση εφαρμόζεται στο HygroSkin Meteorosensitive Pavilion των Achim Menges, Oliver David Krieg και Steffen Reichert, στο ινστιτούτο FRAC της Ορλεάνης της Γαλλίας90. Το σχήμα του περιπτέρου είναι ο αρχετυπικός κύβος που όμως ορίζεται από ένα «ανορθόδοξο» κέλυφος που λειτουργεί και ως φέρουσα κατασκευή, αποτελούμενο από λεπτά φύλλα κόντρα πλακέ με πολύπλοκα ανοίγματα που αλληλεπιδρούν με τις συνθήκες του περιβάλλοντος. Η μορφή καθορίστηκε υπολογιστικά σύμφωνα με την ιδιότητα του ξύλου να κάμπτεται δημιουργώντας κωνικές επιφάνειες. Έτσι, παράχθηκαν 28 γεωμετρικώς διαφορετικά φύλλα με 1100 ανοίγματα που αντιδρούν στην υγρασία. Χρησιμοποιείται και εδώ η ιδιότητα της κίνησης του κώνου ελάτης, που εντάσσεται στο σύστημα μέσω μιας δομής δύο επιπέδων. Το 90 ‘HygroSkin-Meteorosensitive Pavilion / Achim Menges Architect + Oliver David Krieg + Steffen Reichert’ 09 Sep 2013. ArchDaily. Τελευταία επίσκεψη 07 Οκτ 2014. Πηγή: <http://www.archdaily.com/?p=424911> Εικ. 68-69 HygroScope, Meteorosensitive Morphology, Achim Menges σε συνεργασία με τον Steffen Reichert, Centre Pompidou, 2012

95

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

Εικ. 70-72 HygroSkin Meteorosensitive Pavilion, 2013 96

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

97

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

εξωτερικό επίπεδο αποτελείται από παράλληλα, μακριά και πυκνά κύτταρα και αντιδρά υγροσκοπικά με την αυξομείωση της υγρασίας, μέσω της διαστολής και της συστολής, ενώ το εσωτερικό επίπεδο παραμένει σταθερό. Η τελική διαφορά στις διαστάσεις των δύο επιπέδων μεταφράζεται σε κίνηση στα πτερύγια του κώνου. Στο περίπτερο, τα ανοίγματα αλληλεπιδρούν με τη μεταβολή της υγρασίας σε εύρος από 30% ως 90%, το οποίο αντιστοιχεί στο εύρος υγρασίας από τον ηλιόλουστο σε βροχερό καιρό σε ένα μέσο κλίμα. Αυτή η διαρκής αλληλεπίδραση με το μικροκλίμα, αλλάζει συνεχώς τα όρια, την πρόσληψη φωτός και την εξωστρέφεια του περιπτέρου. Η χωρική εμπειρία εντείνεται από αυτή τη λεπτή και σιωπηλή κίνηση του κελύφους, το οποίο μπορεί ταυτόχρονα να διαισθάνεται, να ενεργοποιείται και να αντιδρά.

Η πιο πρόσφατη εξέλιξη της συνεχιζόμενης έρευνας, το 2014, επιχειρεί ένα αριθμητικό σύστημα έλεγχου του υλικού μέσα από υπολογιστικές μεθόδους και ψηφιακή κατασκευή με 3D εκτύπωση. Τα Bio-inspired 3D Printed Hygroscopic Programmable Material Systems παράγονται με τη χρήση υπολογιστικών εργαλείων με σκοπό το σχεδιασμό της αλληλεπίδρασης μεταξύ των διαφόρων προγραμματιζόμενων και λειτουργικών παραμέτρων της δομής του υλικού91. Με αυτό τον τρόπο οι δυνατότητες να αισθάνεται, να ωθείται σε κίνηση και να αντιδρά στις κλιματικές αλλαγές εμπεριέχονται στο ίδιο το υλικό, εν αντιθέσει με τα συμβατικά μηχανικά συστήματα τα οποία λειτουργούν με μια σειρά από λειτουργικά μέρη όπως αισθητήρες ή κινητικούς μηχανισμούς. Συνεπώς, το συγκεκριμένο εγχείρημα θέτει ένα εννοιολογικό και πρακτικό πλαίσιο για πραγματικά προγραμματιζόμενα ανταποκριτικά προς το περιβάλλον αρχιτεκτονικά συστήματα.

91

98

‘Bio-inspired 3D Printed Hygroscopic Programmable Material Systems’, τελευταία επίσκεψη 14 Φεβ. 2015, Πηγή: http://icd.uni-stuttgart.de/?p=11933

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

Εικ. 73 Φωτογραφία του τρισδιάστατα εκτυπωμένου ανοίγματος που δείχνει τη λειτουργική μετάβαση από την περιμετρική περιοχή που λειτουργεί υποστηρικτικά προς την κεντρική που ανταποκρίνεται στις καιρικές συνθήκες

99

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

b. Flectofin

Το επόμενο παράδειγμα είναι ένας κινητικός μηχανισμός χωρίς συνδέσμους, με το όνομα Flectofin που αναπτύχθηκε από μια διατομεακή ομάδα από αρχιτέκτονες, μηχανικούς και βιολόγους του Institute of Building Structures and Structural Desing (ITKE) του Πανεπιστημίου της Στουτγάρδης, εμπνευσμένο από την αρχή παραμόρφωσης με την οποία κινείται το λουλούδι Πουλί του Παραδείσου (Strelitzia reginae) 92. Μάλιστα η συγκεκριμένη καινοτομία έχει βραβευθεί με το International Bionic Award 2012 και το Techtextil Innovation Prize 2011.

Σε αρχιτεκτονικές κατασκευές όπως είναι τα περσιδωτά συστήματα σκίασης, συνηθίζεται η χρήση άκαμπτων στοιχείων που ενώνονται με τεχνητούς συνδέσμους, οι οποίοι καθώς χαλάνε εύκολα χρειάζονται συχνή αντικατάσταση και ακριβή συντήρηση. Αντίθετα, η φύση διαχειρίζεται αυτή τη μηχανική πρόκληση με μια διαφορετική λογική, αφού στην περίπτωση των φυτών η κίνηση πραγματοποιείται εξαιτίας των ελαστικών ιδιοτήτων των ευέλικτων οργάνων τους.

Βιολογικό μοντέλο: Η έρευνα για το Flectofin ξεκίνησε με μια bottom-up λογική, δηλαδή το έναυσμα ήταν η ανάλυση της σχέσης μορφής – δομής – λειτουργίας του φυτού στρελίτζια, και η σύγκρισή του με τους αντίστοιχους μηχανισμούς άλλων φυτών. Το Strelitzia reginae είναι ένα Αφρικανικό πολυετές και «ορνιθόφυλο» φυτό, δηλαδή η αναπαραγωγή του γίνεται μέσω της μετακίνησης πουλιών από λουλούδι σε λουλούδι, και αυτή ακριβώς η αλληλεπί92 Lienhard J.,Schleicher .,Poppinga S.,Masselter T., Milwich M.,Speck T.,Knippers J., ‘Flectofin: a hingeless flapping mechanism inspired by nature’, στο Bioinspiration & Biomimetics, Number 4, December 2011, IOP Publishing

100

Εικ. 74 -75 Η ελαστική παραμόρφωση του Strelitzia reginae

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

δραση με το πουλί ενεργοποιεί τον κινητικό μηχανισμό. Το λουλούδι έχει ένα στέλεχος από δύο ενωμένα προεξέχοντα μπλε πέταλα, τα οποία λειτουργούν ως πλατφόρμα προσγείωσης, και μόλις το πουλί σταθεί πάνω στα πέταλα προσπαθώντας να φτάσει στο νέκταρ στη βάση του φυτού, το βάρος του κάνει το μπλε στέλεχος να καμφθεί προς τα κάτω. Ταυτόχρονα, τα υπόλοιπα πέταλα του φυτού ανοίγουν, εκθέτοντας τους ανθήρες – δηλαδή το τμήμα του στήμονα που περιέχει τη γύρη – και δίνοντας πρόσβαση στη γύρη. Όταν το πουλί πετάξει μακριά, το ανοιχτό στέλεχος δε φέρει πια βάρος και λόγω των ελαστικών ιδιοτήτων του φυτού, τα πέταλα επιστρέφουν στην προηγούμενη προστατευτική τους δομή. Συνολικά, η παραμόρφωση του λουλουδιού του στρελίτζια μπορεί να περιγραφεί ως μια κίνηση χωρίς συνδέσμους, κατά την οποία μια εξωτερική μηχανική δύναμη εκκινεί μια πολύπλοκη παραμόρφωση πολλαπλών δομικών μερών

Έχοντας αναλύσει εκτενώς το κινηματικό σύστημα του φυτού, η ομάδα έρευνας προχώρησε στο πρώτο μέρος της αφαιρετικής διαδικασίας, κατασκευάζοντας ένα φυσικό μοντέλο του μηχανισμού. Σε αυτό μια λεπτή επιφάνεια προσαρτάται ορθογώνια σε μια δοκό. Ασκώντας μονοαξονική κάμψη στη δοκό, η επιφάνεια κάμπτεται μη συμμετρικά, κάτι που οφείλεται στον στρεπτικό λυγισμό. Το φαινόμενο του στρεπτικού λυγισμού δεν είναι άγνωστο στους μηχανικούς, αποτελεί όμως μια μάλλον μη επιθυμητή αστοχία που παρατηρείται σε λεπτές δοκούς που εκτίθενται σε κάμψεις εντός επιπέδου. Όταν η κάμψη ξεπεράσει ένα σημείο, τότε υφίσταται ένα συνδυασμό κάμψεως εκτός επιπέδου και στρέψης. Ο μηχανισμός της στρελίτζια επιτυγχάνει να χρησιμοποιήσει αυτή την πιθανή αποτυχία από τη μη συμμετρική κάμψη υπέρ της, δείχνοντάς μας τη διαφορετική προσέγγιση με την οποία αντιμετωπίζει τα προβλήματα η φύση σε σχέση με την κλασσική μηχανική

Δεύτερο επίπεδο αφαιρετικής διαδικασίας: Σε δεύτερο επίπεδο, η ομάδα σχηματοποίησε το μηχανισμό σε διάφορες δομικές διαμορφώσεις όπου υφίστανται συνεχείς κάμψεις. Η κατανόηση της δομικής συμπεριφοράς του υλικού επετεύχθη μέσα από ένα μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων. Στο ψηφιακό μοντέλο δόθηκαν υλικές ιδιότητες πλαστικού ενισχυμένου με ίνες γυαλιού ή fibeglass. Έτσι, λυγίζοντας την κύρια δοκό, εκκινείται ο πλευρικός στρεπτικός λυγισμός του φύλλου ασυμμετρικά. Καθώς όμως, σε αντίθεση με τη μέθοδο του Strelitzia reginae, οι ερευνητές προσέδωσαν ακαμψία στα δύο άκρα της δοκού, δημιουργείται ένα τόξο ανάμεσα στα δύο άκρα που ενισχύει την πλευ-

Εικ. 76 Φυσικό μοντέλο παραμόρφωσης

101

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

ρική κάμψη ως και 90ο από την αρχική θέση του φύλλου. Οδηγούμαστε λοιπόν σε μία επιφάνεια διπλής καμπυλότητας, με υψηλή όμως ακαμψία σε κάθε θέση της διαδικασίας κάμψης.

Κατά την υλοποίηση του Flectofin, επιλέχθηκαν πολυμερή ενισχυμένα με ίνες γυαλιού καθώς , σε σύγκριση με άλλα ινώδη υλικά, θεωρήθηκαν λιγότερο δαπανηρά, με καλή απόδοση ημιδιαφάνειας και καλύτερη αντοχή στα καιρικά φαινόμενα. Επιδιώκοντας να βελτιστοποιήσουν την εσωτερική ακαμψία και τη γεωμετρία του πτερυγίου, οι ερευνητές επέστρεψαν στην αναζήτηση ενός βιομιμητικού μοντέλου, αυτή τη φορά μελετώντας τη αντοχή των φύλλων των φυτών στις δυναμικές ή στατικές δυνάμεις, η οποία επιτυγχάνεται με αλλαγή στο πάχος ή στον προσανατολισμό των ινών. Έτσι, με μια αύξηση στο πάχος κατά τη μετάβαση από το πτερύγιο στη δοκό, αυξάνεται η ακαμψία του πτερυγίου μειώνοντας την καταπόνηση. Ταυτόχρονα, μελετώντας και χρησιμοποιώντας τη δομή της τομής του φύλλου ευκαλύπτου, βελτιστοποίησαν περαιτέρω τη γεωμετρία του υλικού. Ο μηχανισμός με τον οποίο λειτουργεί το Flectofin είναι αρκετά ευέλικτος από χρήση σε χρήση, και μπορεί να αφορέσει από μικροσυστήματα ως μέρη κτιρίου μεγάλης κλίμακας. Μια διαδεδομένη χρήση του είναι σε συστήματα προσόψεως. Σε αυτή την περίπτωση, η κάμψη του πτερυγίου ενεργοποιείται είτε από μετακίνηση ενός στηρίγματος, είτε μέσω κάμψης ελεγχόμενης από τη θερμοκρασία. Τα πτερύγια ανοίγουν σε γωνίες από -90ο ως +90ο, κάτι που επιτρέπει τόσο την καδραρισμένη και ανεμπόδιστη θέα όσο και την ολική κάλυψη της πρόσοψης. Η μαλακή κίνηση των πτερυγίων δημιουργεί ένα έντονο οπτικό αποτέλεσμα που οδηγεί σε μια αρμονική επιφάνεια διπλής καμπυλότητας, ενώ τα πτερύγια μπορούν να ενεργοποιούνται με χρονοκαθυστέρηση ενισχύοντας την χορογραφική εντύπωση που αποδίδουν. Σε στάδια περαιτέρω ανάπτυξης του μηχανισμού, οι επιστήμονες μελέτησαν φυτά με ελαφρώς διαφορετική μηχανική συμπεριφορά από αυτή του Flectofin. Ανέλυσαν το μηχανισμό με τον οποίο το υδρόβιο σαρκοφάγου φυτό Aldrovanda vesiculosa προσελκύει τη λεία του. Το Aldrovanda αποτελείται από δύο δομικές περιοχές διαφορετικού επιπέδου ακαμψίας μεταξύ τους, την κεντρική περιοχή σε σχήμα κατόπτρου και τους δύο κινούμενους λοβούς, που ενώνονται από μια ράβδωση που λειτουργεί σαν άρθρωση. Όταν το θήρα102

Εικ. 77 Προσομοίωση της παραμόρφωσης στο πρόγραμμα Finite Elements

Εικ. 78 Πρωτότυπο της πρόσοψης Flectofin σε κλίμακα 1:1

Μαθαινοντασ Απο Τα Συστηματα Των Φυτων

μα πλησιάσει, μια σειρά από πέντε στάδια κίνησης ενεργοποιούνται και οι λοβοί κλείνουν για να το παγιδεύσουν, μια διαδικασία που διαρκεί 100 χιλιοστά του δευτερολέπτου, ενώ το άνοιγμά τους διαρκεί έως και μια ώρα. Μέσα από μια σειρά προσομοιώσεων, η ερευνητική ομάδα αφαίρεσε το μηχανισμό της Aldrovanda, αναπτύσσοντας το Double Flectofin, ένα κινηματικό σύστημα προσόψεως που μπορεί να προσαρμοστεί τόσο σε κοίλες όσο και σε κυρτές επιφάνειες, οπότε μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ελεύθερες επιφάνειες διπλής καμπυλότητας. Το σύστημα του Flectofin αρχικά δοκιμάστηκε να χρησιμοποιηθεί αφού μεγαλώσει σε κλίμακα για την πρόσοψη του Thematic Pavilion στην EXPO 2012 στην Κορέα των SOMA Architecture, αλλά παρ’ ότι ήταν τεχνικά εφικτό, το αποτέλεσμα δεν ικανοποιούσε τις αισθητικές και δομικές απαιτήσεις. Έτσι, γι’ αυτό το σκοπό αναπτύχθηκε ένα άλλο κινητικό σύστημα από τους Knippers Helbig Advanced Engineering, επίσης επηρεασμένο από τις κινήσεις των φυτών καθώς και τα βράγχια των ψαριών.

Εικ. 79 Παράδειγμα γεωμετρίας με ελεύθερης μορφής πρόσοψη διπλού Flectofin σε κλειστό και ανοιχτό σχηματισμό

Εικ. 80 Το Thematic Pavilion των SOMA Architecture για την EXPO 2012 στην Ν. Κορέα

103

κεφάλαιο 4 Η βιομιμητική διαδικασία και λογική

Εικ.81

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

106

Η Βιομιμητικη Διαδικασια Και Λογικη

4.1 Εισαγωγή

Έχοντας αναλύσει τη σημασία και τις μεθόδους αρκετών διαφορετικών βιομιμητικών αναζητήσεων στην αρχιτεκτονική, κρίνεται σκόπιμο να προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε ποιος είναι ο ουσιαστικός ρόλος της βιομιμητικής διαδικασίας. Φυσικά δεν επιδιώκουμε μια συνταγή, αλλά μέσα από ένα διαχωρισμό των διαφορετικών προσεγγίσεων, μπορούμε να κατανοήσουμε τις διαφορετικές τεχνικές, τα όρια και τα νέα θέματα που προκύπτουν σ’ ένα διαρκώς εξελισσόμενο τομέα. Σε όλη την έκταση της εργασίας, καθώς αναλύουμε τις μεθόδους με τις οποίες πραγματοποιείται η αφαίρεση των βιολογικών συστημάτων στην τεχνολογία, γεννιούνται κάποια διαρκή ερωτήματα. Γιατί χρησιμοποιούμε τη φύση ως μοντέλο, ποιές αρχές διέπουν αυτή τη διαδικασία και ποιός τελικά είναι ο ρόλος που έχει η βιομίμηση στην αρχιτεκτονική πρακτική;

4.2 Τα τρία είδη διαδικασιών βιομίμησης

Ένας από τους βασικότερους διαχωρισμούς έγινε από τους T. Speck και O. Speck93 και αφορά το χωρισμό σε bottom –up, top – down και διευρυμένη top – down διαδικασία. Καθώς πρόκειται για ένα πεδίο έρευνας πολύπλοκο που αφορά πολλές επιστήμες, ένας τέτοιος διαχωρισμός βοηθά στην εύρεση στόχων και στην κωδικοποίηση της διαδικασίας.

Bottom-up: Συγκεκριμένα, κατά την bottom – up προσέγγιση, η διαδικασία ξεκινά από τη βιολογία και καταλήγει στην τεχνική εφαρμογή του μελετημένου μοντέλου. Το πρώτο βήμα είναι η ανάλυση της δομικής και λειτουργικής μορφολογίας του βιολογικού συστήματος. Κατά το επόμενο βήμα, η ποσοτική ανάλυση οδηγεί σε μια αρχή και σε μια λεπτομερή κατανόηση των βιολογικών δομών, μορφών και λειτουργιών. Το επόμενο βήμα είναι το βήμα της αφαίρεσης, που θεωρείται συχνά το σημαντικότερο και δυσκολότερο στάδιο ενός βιομιμητικού εγχειρήματος, είναι το βήμα στο οποίο πραγματοποιείται ο διαχωρισμός των βιομιμητικών αρχών που ανακαλύφθηκαν από το βιολογικό μοντέλο. Το επόμενο στάδιο αφορά την τεχνική εφαρμογή, που αρχικά υλοποιείται σε κλίμακα εργαστηρίου και έπειτα σε κλίμακα μηχανικής. Οι μέθοδοι και τεχνικές παραγωγής που χρησιμοποιούνται κατά την εφαρμογή, είναι οι ήδη καθιερωμένες από την βιομηχανία. Ένα ακόμα βήμα της διαδικασίας ,είναι η βελτιστοποίηση του προϊόντος σύμφωνα με τις ανάγκες και το κόστος της παραγωγής, κάτι που συχνά γίνεται σε συνεργασία με τους βιομηχανικούς συνεργάτες, οι οποίοι σε επόμενο στάδιο αναλαμβάνουν τις διαδικασίες προώθησης, 93

Speck O., Speck T., ‘Process sequences’ , 2008

107

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

όπως είναι η διαφήμιση. Ένας παράγοντας που τονίζεται ιδιαίτερα κατά αυτήν την προσέγγιση είναι η ανάγκη για διαρκή συνεργασία μεταξύ των διαφόρων εμπλεκομένων από διαφορετικούς τομείς (βιολόγοι, μηχανικοί, επιστημονικοί και βιομηχανικοί συνεργάτες), και η επεξήγηση των λεπτομερειών του εκάστοτε βήματος στους επιστήμονες των άλλων ειδικοτήτων. Η διαδικασία που περιγράφηκε παραπάνω επαναλαμβάνεται πολλές φορές για να επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα.

Top-down: Από την άλλη πλευρά, η top-down προσέγγιση ξεκινά με τη δουλειά του μηχανικού. Οι βελτιώσεις και καινοτομίες που επιφέρει η βιομιμητική έρευνα γίνονται σε τεχνικά προϊόντα που έχουν ήδη παραχθεί και είναι σε τελικό στάδιο της βιομηχανικής ανάπτυξης ή βρίσκονται ήδη στην αγορά. Εδώ κρίνεται απαραίτητη η εις βάθος τεχνογνωσία όλων των ερευνητών και η μεταξύ τους συνεννόηση. Κατά το πρώτο βήμα της top – down λογικής, χρειάζεται να γίνει ο ακριβής ορισμός του προβλήματος και των επιμέρους συνθηκών. Έπειτα, ο βιολόγος αναζητά τα πιθανά βιολογικά παραδείγματα που δα αποδώσουν λύσεις και θα οδηγήσουν στο βιολογικό πρότυπο. Ένα ή δύο από αυτά θα επιλεχθούν για περαιτέρω ανάλυση και για πειραματική διερεύνηση. Το επόμενο βήμα και σε αυτή την προσέγγιση είναι η αφαιρετική διαδικασία, δηλαδή ο διαχωρισμός των λύσεων που ερευνήθηκαν από το φυσικό παράδειγμα. Στη συνέχεια, ο μηχανικός ερευνά τη δυνατότητα τεχνικής εφαρμογής στο προϊόν, και αν αυτό είναι δυνατόν, σε επόμενο στάδιο το βελτιστοποιημένο προϊόν παράγεται και ελέγχεται η απόδοσή του. Αν περάσει τον έλεγχο, τότε ακολουθείται η διαδικασία βιομηχανικής παραγωγής και προώθησής του, όμοια με αυτή της bottom – up προσέγγισης.

Διευρυμένη top-down: Στην περίπτωση της διευρυμένης (extended) top - down διαδικασίας, τα στάδια ξεκινούν όπως και αυτά της «απλής» top –down, με την αναζήτηση λύσεων από φυσικά μοντέλα για τη βελτιστοποίηση υφιστάμενων προϊόντων. Ωστόσο, ενώ η αναζήτηση βιολογικών παραδειγμάτων επιφέρει αρκετά αποδεκτά αποτελέσματα, πολλές φορές επιδεικνύει και μια σημαντική έλλειψη γνώσεων π.χ. βασικών βιολογικών δεδομένων. Έτσι, αποφασίζεται η περαιτέρω βιολογική έρευνα και συνεπώς έχουμε επανάληψη του πρώτου κύκλου ερευνών έως ότου αποκτηθούν οι γνώσεις και βρεθεί το βιολογικό πρότυπο που θα οδηγήσει σε μια ολοκληρωμένη επίλυση.

Σύγκριση των μεθόδων

Κατά τους συγγραφείς, οι θεμελιωδώς διαφορετικές μεθοδολογίες που αναπτύσσονται είναι ουσιαστικά δύο.

Η πρώτη, η bottom – up έχει ως έναυσμα την έρευνα του βιολόγου. Καθώς ξεκινά από το βιολογικό πρότυπο, θεωρείται ότι μπορεί να υποστηρίξει πολύ περισσότερες εφαρμογές. Ωστόσο, από την ανάλυση της βιολογικής λειτουργίας ως την βιομηχανική παραγωγή του προϊόντος, έχουμε μια σειρά διαδικασιών που διαρκεί χρόνια – από τρία έως επτά.

Η top – down λογική από την άλλη, ξεκινά από την αναζήτηση του μηχανικού για βελτιστοποίηση του προϊόντος και για επίλυση ενός συγκεκριμένου ζητήματος. Καθώς η έρευνα γίνεται πιο στοχευμένα, διαρκεί και λιγότερο, σε ένα εύρος από έξι ως δεκαοκτώ μήνες. Δεν θεωρείται, όμως, ότι μπορεί να απαντήσει σε περισσότερες τεχνικές εφαρμογές από αυτή πάνω στην οποία γίνεται η έρευνα. Η διευρυμένη top – down προσέγγιση, προσθέτει σε αυτό κύκλους επανάληψης των διαδικασιών με σκοπό την ολοκληρωμένη ανάλυση των βιολογικών παραδειγμάτων και την εύρεση του βέλτιστου δυνατού προτύπου, πράγμα που την καθιστά πιο χρονοβόρα από την απλή top – down λογική – από ένα έως πέντε έτη – και εξίσου περιοριστική στις εφαρμογές που μπορεί να λάβει.

Κατά την πρακτική εφαρμογή των μεθόδων, είναι πολύ συχνό φαινόμενο, λόγω της πολυπλοκότητας του προβλήματος που καλούμαστε να επιλύσουμε, οι διαφορετικές αυτές λογικές να χρησιμοποιούνται παράλληλα ή να συγχέονται, επομένως ένας ξεκάθαρος διαχωρισμός δεν είναι πάντοτε εφικτός.

108

Η Βιομιμητικη Διαδικασια Και Λογικη

4.3 Η μορφογενετική και εξελικτική εξερεύνηση

Για τον Achim Menges,η βιομιμητική αρχιτεκτονική μπορεί να είναι εφικτή μόνο αν η διαδικασία σχεδιασμού είναι η ίδια βιομιμητική94. Δηλαδή μια τέτοια διαδικασία πρέπει να είναι ανοιχτή, ακαθόριστη και διερευνητική. Αυτό είναι δυνατό λόγω της έλευσης του υπολογιστικού σχεδιασμού, ο οποίος πέρα από το ότι έχει αλλάξει ριζικά την αρχιτεκτονική πρακτική, μπορεί να δώσει νέες δυνατότητες στη βιομιμητική προσέγγιση της, μέσα από τις κοινές ιδιότητες που μοιράζεται με τη φύση.

Η διαδικασία της μορφογένεσης του ατόμου διατηρεί τέσσερα βασικά χαρακτηριστικά που είναι χρήσιμα για τη μεταφορά των βιολογικών αρχών στον υπολογιστικό σχεδιασμό. Αυτά είναι η εξάρτησή της από ιδιότητες, από περιορισμούς, από τη διαδικασία εύρεσης της μορφής και από την ανατροφοδότηση.

Πιο αναλυτικά, η μορφογένεση χαρακτηρίζεται από την αυξανόμενη εξειδίκευση και τη συνεχή διαφοροποίηση μορφολογικών ιδιοτήτων και των σχετιζόμενων λειτουργικών στοιχείων, που οδηγούν ολοκλήρωση του συστήματος. Για την φυσική μορφογένεση αυτό μεταφράζεται στην οργάνωση, διανομή και αλληλεπίδραση των κυττάρων, κάτι που αντιστοιχίζεται με τις ιδιότητες και την αλληλεπίδραση των αντικειμένων (δεδομένων και μεθόδων) που διαχειρίζεται ο αντικειμενοστραφής προγραμματισμός. Ακόμα, η μορφογένεση εξαρτάται από περιορισμούς. Για τη φύση αυτό σημαίνει φυλογενετικούς περιορισμούς – ανάλογα με την εξελικτική ιστορία του οργανισμού – και φυσικού περιορισμού – ανάλογα με τους νόμους της φύσης. Για την αρχιτεκτονική, αυτό συνδέεται με τους περιορισμούς της ύλης , την άρρηκτη σχέση μεταξύ μορφής και υλικού. Πέρα από τη σημασία της ύλης, η διαδικασία αποτελεί θεμελιώδη χαρακτηριστικό, καθώς παράγει, διαφοροποιεί και διατηρεί τη μορφολογία, σε μια σειρά από αλληλεπιδράσεις και ανταλλαγές με το περιβάλλον, που ελέγχεται από ένα σύστημα ανατροφοδότησης.

Μια τέτοια διαδικασία διαρκής ανάπτυξης και προσαρμογής οδηγεί σε ετερογενή και ιεραρχικά δομημένα συστήματα. Κατά το Menges, η προσέγγιση του σχεδιασμού πρέπει ναι επαναλαμβάνεται, να αναδρά και να επεκτείνεται, ανατροφοδοτώντας διαρκώς το σύστημα με πληροφορίες από το εξωτερικό περιβάλλον, ώστε να χαρακτηριστεί διερευνητική και οικολογική.

Παράλληλα με τη συσχέτιση αρχιτεκτονικής και φύσης ως προς τη μορφογένεση, οι αρχιτέκτονες ενδιαφέρονται για τη σχέση τους ως εξελικτικές διαδικασίες. Ο αρχιτεκτονικός σχεδιασμός, ομοίως με τη φυσική εξέλιξη, είναι διαδικασίες ανοικτού τύπου, διερευνητικές που οδηγούν σε νέες λύσεις ως το υποπροϊόν της εξελικτικής δυναμικής τους. Μια σημαντική παρατήρηση είναι ότι η εξελικτικές διαδικασίες λειτουργούν με βάση τους πληθυσμούς, δηλαδή με πολλά μοναδικά σχέδια παρά με ένα τυποποιημένο. Αυτό για τον υπολογιστικό σχεδιασμό σημαίνει το τέλος της τυποποίησης. Αυτή η αέναη μορφοποίηση και διαφοροποίηση των πληθυσμών και η προσαρμογή στις συνθήκες που χαρακτηρίζει την εξέλιξη, κάνει την τυπολογία να μοιάζει με μια στατική μέθοδο, αταίριαστη με τις διερευνητικές διαδικασίες αναζήτησης της μορφής.

94 Menges A., ‘Biomimetic design processes in architecture: morphogenetic and evolutionary computational design’, στο Bioinspiration & Biomimetics, Number 4, December 2011, IOP Publishing

109

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

Συνοψίζοντας, ο Menges βλέπει το βιομιμητικό σχεδιασμό ως μια σειρά από διαδικασίες που είναι οι ίδιες βιομιμητικές. Η σχέση που συνδέει τον υπολογιστικό σχεδιασμό και τη φύση απασχολεί τους αρχιτέκτονες εδώ και μερικές δεκαετίες. Όμως η διαφορά έγκειται στο στόχο της βιομιμητικής λογικής, που είναι μια διαδικασία εξερεύνησης παρά βελτιστοποίησης. Αυτό, κατά το συγγραφέα, δεν επιφέρει μόνο αλλαγές στη σύλληψη του αρχιτεκτονικού σχεδιασμού, αλλά και στην ίδια την αρχιτεκτονική αισθητική. Και αυτή την αισθητική οφείλουμε να αφήσουμε να εξελιχθεί, παρά να εμμένουμε σε αισθητικά συστήματα αξιών.

4.4 Η βιομιμητική είναι η λύση, αλλά ποιο είναι το πρόβλημα;

Ίσως για να απαντήσουμε στο ποιος είναι ο ρόλος της βιομίμησης στην αρχιτεκτονική, χρειάζεται να αναρωτηθούμε πρώτα γιατί η αρχιτεκτονική στρέφεται προς τα εκεί και γιατί τώρα. Η απάντηση σε αυτό έχει παραπάνω από μια διαστάσεις. Η έννοια της βιομίμησης εισήχθη στην αρχιτεκτονική στη δεκαετία του 90’ και για κάποιους είναι μια νέα προσέγγιση του σχεδιασμού ενώ για άλλους είναι μια λέξη που ήρθε να ορίσει μια πρακτική ετών. Μετά από αιώνες οργανικής αρχιτεκτονικής με τη φύση να αποτελεί πηγή έμπνευσης στις μορφολογικές αναζητήσεις των αρχιτεκτόνων, τώρα η φύση είναι το μοντέλο μέσα από την εσωτερική λογική και τις λειτουργίες της τα οποία καθορίζουν τη μορφή της. Κι αυτό γιατί θεωρείται πιο ουσιαστικό τα κτίρια να μην μοιάζουν με φυτά ή ζώα, αλλά να λειτουργούν σαν αυτά.

Ένα ακόμα δεδομένο είναι πως η αρχιτεκτονική ήταν ανέκαθεν μια επιστήμη που ερευνούσε και τροφοδοτούταν από τις σχέσεις της με άλλες επιστήμες, με πιο προφανή τα παραδείγματα των μαθηματικών ή της πληροφορικής. Τα επιτεύγματα της τεχνολογίας πάντα επηρέαζαν την κατασκευαστική τεχνική και ενέπνεαν την αρχιτεκτονική σκέψη, από την έλευση του οπλισμένου σκυροδέματος, το θαυμασμό προς το αεροπλάνο ως την είσοδο του αλγορίθμου. Εδώ και αρκετά χρόνια, αρχιτέκτονες και ερευνητές αναζητούν την πιθανή σύνδεση της αρχιτεκτονικής με τους έμβιους οργανισμούς. Ο αρχιτέκτονας εντυπωσιάζεται πλέον από τη φύση, ως προς τον τρόπο που αυτή δομείται και λειτουργεί. Ο λόγος είναι ότι η φύση έχει αποδείξει εδώ και δισεκατομμύρια χρόνια την αποδοτικότητά της και την ικανότητα της να προσαρμόζεται στο εξωγενές περιβάλλον και στο χρόνο. Οι προσαρμοστικές διαδικασίες στα φυσικά συστήματα αποτέλεσαν τα πρωταρχικά σχέδια για τους πρώτους γενετικούς αλγορίθμους που αναπτύχθηκαν από τον John Holland για το σχεδιασμό τεχνητών συστημάτων βασισμένα σε φυσικά95. Η αποδοτική διαχείριση της ενέργειας στη φύση, η αυτό-οργάνωση, η ανάπτυξη σε σχηματισμούς, η μεταβολή των ιδιοτήτων ανάλογα με τις πιέσεις του περιβάλλοντος, είναι μόνο μερικά από τα χαρακτηριστικά τα οποία μπορούν να λειτουργήσουν ως παράδειγμα για το σχεδιασμό. Για τη Neri Oxman, οι δύο σημαντικότερες ιδιότητες της φύσης είναι οι εξής : αποτελεί ένα μεγάλο μηχανικό υλικών που ξέρει να οργανώνει την ύλη και σχεδιάζει πολυλειτουργικά 96. Ένα φύλλο στηρίζει τον εαυτό του μηχανικά ενώ ταυτόχρονα μετατρέπει το φώς σε σάκχαρα μέσω της φωτοσύνθεσης. Από τη μεριά της, η αρχιτεκτονική βρίσκεται σε μια εποχή στην οποία η έρευνα εστιάζεται στο να βρεθούν νέες λύσεις ώστε να γίνει πιο βιώσιμη, διαχειριζόμενη καλύτερα την ενέργεια που δαπανά, καθώς και θέτει νέες προκλήσεις όπως είναι η προσαρμογή του κτιρίου στο περιβάλλον του και στο χρόνο. Πώς μεταβάλλεται ένα κτίριο ανάλογα με τις εξωτερικές αλλαγές, από τις μικρότερες όπως είναι η διαφορά 95 96

110

Weinstock M., ‘Morphogenesis and the Mathematics of Emergence’, Emergence: Morphogenetic Design Strategies, 2004, σελ. 11-17 Oxman Neri: On Designing Form, Video Recording , Πηγή: http://vimeo.com/7806194

Η Βιομιμητικη Διαδικασια Και Λογικη

Εικ.82

111

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

μέρας-νύκτας, ηλιοφάνειας-βροχής, ως τις πιο μακροπρόθεσμες με την πάροδο του χρόνου; Η βιομιμητική υπόσχεται να δώσει το μοντέλο σχεδιασμού, που είναι η φύση.

4.5 Έχει φτάσει η βιομίμηση στην αρχιτεκτονική;

Μπορεί όμως ένα κτίριο να είναι πραγματικά βιομιμητικό; Όταν το περιοδικό Bioispiration & Biomimicry αφιέρωσε ένα τεύχος του στη βιομίμηση στην αρχιτεκτονική με προσκεκλημένους εκδότες τους Petra Gruber και George Jeronimidis, το σημείωμα των εκδοτών τιτλοφορούταν με αυτή ακριβώς τη διερώτηση97.

Η αρχιτεκτονική έως τώρα θα λέγαμε ότι κινείται με βραδείς ρυθμούς προς τη λογική της φύσης. Οι επεμβάσεις του βιοκλιματικού σχεδιασμού προς μια ενεργειακή αυτονομία γίνονται εκ των υστέρων σε ένα κτίριο σχεδιασμένο με τα παραδοσιακά μη βιώσιμα μέσα. Με αυτή την έννοια, θα λέγαμε ότι βρισκόμαστε ακόμα μακριά από την βιομιμητική προσέγγιση, καθώς κάτι τέτοιο απαιτεί επαναπροσδιορισμό των μεθόδων και των συστημάτων που χρησιμοποιούμε.

Μέσα από αυτή τη μελέτη, και εστιάζοντας στα συστήματα των φυτών, είδαμε πολλά παραδείγματα βιομιμητικής αρχιτεκτονικής σε διάφορες κλίμακες, κάποια σε πειραματικό ή ερευνητικό επίπεδο, κάποια πραγματοποιημένα. Οι εφαρμογές της μας δείχνουν μια μέθοδο διαρκώς εξελισσόμενη και με δυναμική να επιλύσει αρκετά προβλήματα και να δώσει έναυσμα στην εξερεύνηση νέων προοπτικών. Ίσως αδυνατούμε να βρούμε το «απόλυτα βιομιμητικό παράδειγμα» ή να αναγνωρίσουμε τη βιομίμηση ως ένα εγκατεστημένο αρχιτεκτονικό «στυλ». Συμπληρωματικά σε αυτό, όπως δηλώνει η Petra Gruber , είναι δύσκολο να αναγνωρίσουμε αν ένα αρχιτεκτονικό εγχείρημα έχει βιομιμητικές προθέσεις, αφού η βιομιμητική μπορεί να επηρρεάσει την αρχιτεκτονική σε πολλαπλά συγκεκριμένα σημεία και όχι καθολικά98. Το ενδιαφέρον στοιχείο το οποίο μας εισάγει η βιομίμηση είναι η ιδέα της διατομεακότητας. Για πρώτη φορά, για την επίλυση τεχνολογικών προβλημάτων χρειάζεται η συμβολή και η συνεργασία του βιολόγου καθώς και η εμβάθυνση και των δύο επαγγελματιών στον τομέα του άλλου. Μάλιστα, συχνά προβλέπεται ότι πιθανώς οι φοιτητές αρχιτεκτονικής κάποια μέρα έχουν τη βιολογία στο πρόγραμμα σπουδών τους99.

Όταν οι Gebeshuber κ.α. ερεύνησαν τις δυνατότητες της βιομίμησης στο παρόν και δοκίμασαν να προβλέψουν το μέλλον της στο έτος 2059, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι παρόλο που σήμερα ο αριθμός των επιστημόνων που δουλεύουν για τον τομέα αυτό είναι περιορισμένος, όπως περιορισμένο είναι και το εύρος των τομέων στους οποίους η βιομίμηση χρησιμοποιείται, το μέλλον της θεωρείται εξελισσόμενο και θετικό. Κι αυτό από τη μία εξηγείται λόγω της διατομεακότητας της, η οποία την κάνει ανοιχτή σε νέους επιστημονικούς κλάδους σε μεγαλύτερη κλίμακα στο μέλλον, κι από την άλλη λόγω των αμέτρητων παραδειγμάτων που μπορεί να προσφέρει η φύση και του χρόνου που απαιτείται για να μελετηθούν, αποκρυπτογραφηθούν και εφαρμοστούν αυτά στην τεχνολογία. Καθώς άλλωστε, η ανθρώπινη γνώση διευρύνεται, αντίστοιχα θα πολλαπλασιάζονται και τα ζητήματα που καλούμαστε να επιλύσουμε.

97 Gruber P., Jeronimidis G., ‘Has biomimetics arrived in architecture?’, στο Bioinspiration & Biomimetics, Number 4, December 2011, IOP Publishing 98 Gruber P., Biomimetics in Architecture , 2010 99 Gebeshuber I. Gruber P. και Drack, M. , ‘A gaze into the crystal ball: biomimetic in the year 2059’, Proceedings of the Intitution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science 223 (12), 2009, pp. 2899-2918

112

Η Βιομιμητικη Διαδικασια Και Λογικη

4.6 Επίλογος

Σε ολόκληρη την ανάλυση που προηγήθηκε, μπορούμε να αναγνωρίσουμε μια αργή αλλά σε βάθος αλλαγή στον τρόπο σκέψης και δόμησης του σχεδιασμού. Η σύνθεση τεχνητών συστημάτων βρίσκει το ανάλογό της στη φυσική μορφογένεση, με ιδέες που ταράσσουν τα θεμέλια των εως τώρα ριζωμένων ιδεών πάνω στην πρακτική.

Το κτίριο, σαν ένας οργανισμός, έχει μια διάρκεια ζωής κάποιων δεκαετιών, και μέσα σε αυτή τη διάρκεια θα έπρεπε να εξελίσσεται, να απαντά στις ανάγκες των χρηστών και στις αλλαγές του περιβάλλοντος. Η μορφή του δεν είναι μια προκαθορισμένη ιδιότητα, αλλά ένα δυναμικό σύστημα που επηρεάζει και επηρεάζεται τόσο από τη δομή όσο και από τα υλικά του, ένα τρίπτυχο που οργανώνεται ισοδύναμα. Την ίδια στιγμή, το κτίριο δεν επιβιώνει μόνο του, αλλά ανήκει σε ένα ευρύτερο σύστημα, στο περιβάλλον του, με το οποίο αναπτύσσει σχέσεις ανταλλαγής ενέργειας.

Όλες αυτές οι ιδέες έχουν γίνει ελάχιστα κατανοητές σε πρακτικό επίπεδο. Τα λεγόμενα “έξυπνα” σπίτια, με τα μηχανικά συστήματα ελέγχου από έναν κεντρικό υπολογιστή, αδυνατούν να ενταχθούν σε αυτή την ολιστική ιδέα γύρω από τη σύνθεση, την κατασκευή και τη ζωή του κτιρίου.

Θα μπορούσε κανείς να υποστηρίξει ότι η βιομιμητική είναι η φυσική εξέλιξη της ανάγκης του ανθρώπου αρχικά να κατακτήσει τη φύση, έπειτα να τη συντηρήσει και πλέον στις μέρες μας να συμφιλιωθεί μαζί της. Η προσπάθεια για μια σύνδεση της αρχιτεκτονικής με το περιβάλλον της, αντλώντας μαθήματα από τα πολύπλοκα και αποδοτικά συστήματα της φύσης αναπτύσσεται με αργά βήματα. Φυσικά, θα ήταν λάθος να θεωρήσουμε ότι η φύση έχει τη λύση για κάθε πρόβλημα του ανθρώπου. Η ουσία της βιοέμπνευσης έγκειται στην αλλαγή του τρόπου αντίληψης της αρχιτεκτονικής και του κτισμένου περιβάλλοντος. Η φύση, μέσα άπο την εξελικτική διαδικασία και τη φυσική επιλογή (natural selection), έχει προσαρμόσει τα συστήματά της ανάλογα με τις εκάστοτε προκλήσεις. Τώρα η αρχιτεκτονική καλείται να αναζητήσει τις δικιές της διαδικασίες για να επιτύχει το ίδιο.

113

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

βιβλιογραφία βιβλία Banham Reyner, The Architecture of the Well-Tempered Environment, University of Chicago Press, Chicago, IL, 1973 Benyus Jeanine, Biomimicry: Innovation Inspired by Nature, Harper Collins, New York, 1998 Deuleze Gilles, Guattari Felix, A thousand Plateaus, The Continuum Publishing Company, London, 2004 Frazer John, An evolutionary Architecture, AA Publications, London 1995 Garcia Mark (επιμ.), Special Issue: Patterns of Architecture, AD/vol79/November/December 2009, , εκδ. Wiley, London 2006 George Anne (επιμ), Advances in Biomimetics, Intech, April 2011 Gruber Petra, Biomimetics in Architecture: Architecture of Life and Buildings, Springer Vienna Architecture 2010 Hensel Michael , Menges Achim, Weinstock Michael (επιμ.), Emergence: Morphogenetic Design Strategies, AD/vol74/March/ May 2004, , εκδ. Wiley, London 2004 Hensel Michael , Menges Achim, Weinstock Michael (επιμ.), Emergent Technologies and Design: Towards a Biological Paradigm for Architecture, Routledge,London 2010 Hensel Michael , Menges Achim, Weinstock Michael (επιμ.), Techniques and Technologies in Morphogenetic Design, AD/vol76/March/ April 2006, , εκδ. Wiley, London 2006, σελ. 12-17 Hensel Michael , Menges Achim, Weinstock Michael (επιμ.), Versatility and Vicissitude, AD, Volume 78/ Issue 2/ March/April 2008, εκδ. Wiley, London 2008 114

βιβλιογραφία

Jencks Charles, Architecture 2000: Predictions and Methods, Studio Vista, Λονδίνο,1971

Legendre George L (επιμ.), Mathematics of Space, AD, Volume 81/ Issue 4/ July/August 2011, εκδ. Wiley, London 2011 Menges Achim (επιμ), Material Computation: Higher Integration in Morphogenetic Design, AD/Vol 82/ March/April 2012, εκδ. Wiley, London 2012 Menges Achim, Alhquist Sean (επιμ), Computational Design Thinking: Computation Design Thinking, AD Reader, εκδ. Wiley, London 2011 Myers William.(επιμ.), Bio Design: Nature + Science + Creativity, Εκδ. The Museum of Modern Art, New York 2014 Pawlyn Michael, Biomimicry in Architecture, RIBA Publishing, London,2011 Reiser Jesse , Umemoto Nanako, Atlas of Novel Tectonics, Princeton Architectural Press, New York, 2006 Thompson, D’Arcy Wentworth, On Growth and Form, Cambridge University Press , 1992

άρθρα Benyus Jeanine, ‘A biomimicry Primer’, Πηγή: http://biomimicry.net/about/biomimicry/a-biomimicry-primer/ Dupuy Lionel, Mackenzie Jonathan, Rudge Tim, Haselofff Jim, ‘A System for Modelling Cell- Cell Interactions during Plant Morphogenesis’, Annals of Botany, vol 101/issue 8, Oxford University Press, 2008 Gebeshuber I. Gruber P. και Drack, M. , ‘A gaze into the crystal ball: biomimetic in the year 2059’, Proceedings of the Intitution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science 223 (12), 2009, pp. 2899-2918 Gruber Petra, ‘The signs of life in architecture’, στο Bioinspiration & Biomimetics, Volume 3, Issue 2, June 2008, IOP Publishing Gruber Petra, Jeronimidis George, ‘Has biomimetics arrived in architecture?’, στο Bioinspiration & Biomimetics, Volume 6, Issue 4, December 2011, IOP Publishing 115

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

Hepworth David G. ,Vincent J. F. V. , Stringer G., Jeronimidis G., ‘Variations in the morphology of wood structure can explain why hardwood species of similar density have very different resistances to impact and compressive loading’, Philosophical Transactions of The Royal Society, London 2002 Jacobs S., ‘Biomimetics: A simple Foundation will lead to new insight about process’, Int. J. of Design & Nature and Ecodynamics.

Vol. 9, No. 2, WIT Press 2014 Knippers Jan, Speck Thomas , ‘Design and Construction Principles in Nature and Architecture’, Bioinspiration & Biomimetics, 2012. http://iopscience.iop.org/1748-3190/7/1/015002 Lienhard J.,Schleicher .,Poppinga S.,Masselter T., Milwich M.,Speck T.,Knippers J., ‘Flectofin: a hingeless flapping mechanism inspired by nature’, στο Bioinspiration & Biomimetics, Number 4, December 2011, IOP Publishing Menges Achim, ‘Biomimetic design processes in architecture: morphogenetic and evolutionary computational design’, στο Bioinspiration & Biomimetics, Volume 6, Issue 4, December 2011, IOP Publishing Milwich M., Speck T., Speck O., Stegmaier T., Planck H., ‘Biomimetics and Technical Textiles: Solving Engineering Problems with the Help of Nature’s Wisdom’, PubMed, 2006 Roudavski, Stanislav ‘Towards Morphogenesis in Architecture’, International Journal of Architectural Computing, 7, 3, Melbourne, 2009 Schleicher S. , Lienhard J., Poppinga S. , Masselter T. , Speck T., Knippers J., ‘Adaptive facade shading systems inspired by natural elastic kinematics’ , International Adaptive Architecture Conference, Building Centre, London, March 2011 Speck O., Speck T., ‘Process sequences in biomimetic research’, στο Design and Nature IV, WIT Transactions on Ecology and the Environment, Vol 114, WIT Press 2008 Speck T., Speck O. , Masselter T. , Bohn H., Mülhaupt R., ‘Plants as concept generatiors for biomimetic self- healing and self-adaptive materials, structures and surfaces’, ICSHM 2013: Proceedings of the 4th International Conference on Self-Healing Materials, Ghent, Belgium, June 16-20, 2013, Ghent University; Delft University of Technology Vincent Julian F. V. , Bogatyreva Olga A., Bogatyrev Nikolaj R., Bowyer Adrian, Pahl Anja-Karina, ‘Biomimetics: its practice and theory’, J.R. Soc. Interface, 2006 Vincent Julian F. V., ‘Biomimetic Materials’, Journal of Materials Research, Vol. 23, No. 12, Dec 2008, Materials Research Society

116

βιβλιογραφία

διαδικτυακό υλικό Arup | A global firm of consulting engineers, designers, planners and project managers, (επίσημη Ιστοσελίδα) http://www.arup.com/ Ask Nature http://www.asknature.org/ Atelier Yukio Minobe | Branching Respiration Skin http://issuu.com/architecturalecologies/docs/branching_respiration_skin_atelier_yukio_minobe_ Biomimicry http://www.designboom.com/contemporary/biomimicry.html Biomimicry 3.8 http://biomimicry.net/ Biomimicry Institute http://biomimicry.org/what-is-biomimicry/ Eden Project, (επίσημη Ιστοσελίδα) http://www.edenproject.com/ Edwards Ted, ‘Researchers Create Stunning 3D Printed, Programmable, Bio-Inspired Architectural Material’ http://3dprint.com/30045/bio-architectural-materials/ Emtech, Emergent Technologies and Design, (επίσημη Ιστοσελίδα) http://emtech.aaschool.ac.uk/ 117

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

‘HygroSkin-Meteorosensitive Pavilion / Achim Menges Architect + Oliver David Krieg + Steffen Reichert’ 09 Sep 2013, ArchDaily, http://www.archdaily.com/?p=424911 ICD University of Stuttgart, (επίσημη Ιστοσελίδα) http://icd.uni-stuttgart.de ITKE Institute of Building Structures and Structural Design,(επίσημη Ιστοσελίδα) http://www.itke.uni-stuttgart.de/ Perez, Adelyn, ‘AD Classics: TWA Terminal / Eero Saarinen’ , 02 Jul 2010, ArchDaily http://www.archdaily.com/?p=66828 Prof. Achim Menges, (επίσημη Ιστοσελίδα) http://www.achimmenges.net/?cat=236 Venter J. Craig και Cohen Daniel, ‘The Century of Biology’, http://www.digitalnpq.org/archive/2014_winter/07_ventercohen.html Διαδικτυακή εγκυκλοπαίδεια Encyclopædia Britannica Online http://www.britannica.com/ Διαδικτυακή εγκυκλοπαίδεια Wikipedia http://en.wikipedia.org/ Διαδικτυακό λεξικό Merriam-webster http://www.merriam-webster.com/

118

βιβλιογραφία

βίντεο Benyus Jeanine, Biomimicry in Action, TEDGlobal 2009 http://www.ted.com/talks/janine_benyus_biomimicry_in_action Benyus Jeanine, Biomimicry in the Built World: Consulting Nature as Μodel, Measure, and Mentor, UC Berkeley Events https://www.youtube.com/watch?v=yVHtAjQoWmg Cruz Marcos -IaaC Lecture Series 2012-13, Video Recording, IaaC, Barcelona, 2013 https://www.youtube.com/watch?v=qzHZE7uqF-o Jeronimidis George - IaaC Lecture Series 2013-14, Video Recording, IaaC, Barcelona, 2013 https://www.youtube.com/watch?v=ecol5SuBlMY Menges Achim - Rethinking Materiality Through Computation in Architecture, Video recording, 2014 https://www.youtube.com/watch?v=PbgArau_4vI Menges Achim, Staedelschule Architecture Class (SAC) Lecture Series - May, 2014 https://www.youtube.com/watch?v=elb0NxjM3PEvW Oxman Neri: On Designing Form, Video Recording http://vimeo.com/7806194 Pawlyn Michael - Biomimicry in architectural design, VELUX Daylight Symposium, Copenhagen, 2013 https://www.youtube.com/watch?v=wdoriWPaaDI 119

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

ευρετήριο εικόνων Εικ. 1 http://goo.gl/4MWHMR (30 Ιαν. 2015) Εικ. 2 Pawlyn M. Biomimicry in Architecture, RIBA Publishing, London,2011, σελ. vi Εικ. 3 D’ Arcy Thompson, On Growth and Form, Cambridge University Press , http://www.metafysica.nl/ontology/general_ontology_29j. html , (30 Ιαν. 2015) Εικ.4 Seifenlaugenversuch Frei Otto (©IL Stuttgart), https://www. architektur-aktuell.at/news/ausstellungseroeffnung-form-follows-nature%20%20%20 (2 Φεβ. 2015) Εικ. 5 Noritaka Minami , 2013 http://www.ignant. de/2013/09/05/1972-by-noritaka-minami/ (2 Φεβ. 2015) Εικ. 6 Greg Lynn (b. 1964) Embryological House, 1998-9, still frame from the design process, courtesy Greg Lynn FORM, http://ivc.lib. rochester.edu/portfolio/tasting-space-2/ (2 Φεβ. 2015) Εικ. 7 Beyond the human eye, http://goo.gl/rLutGu (2 Φεβ. 2015) Εικ. 8 Syn.De.Bio http://syndebio.com/bio-concrete/ (2 Φεβ. 2015) Εικ.9 New York Architecture Images-Brooklyn, 1962, http://www. nyc-architecture.com/BKN/BKN002.htm (2 Φεβ. 2015) Εικ. 10 http://goo.gl/f23Htq (2 Φεβ. 2015) Εικ. 11 https://sites.google.com/site/f129200320/link/test/waterproof (2 Φεβ. 2015) Εικ. 12 Volodymyr Matviyishym, 2012 http://www.weirdworldfacts. com/cute-cube/ (3 Φεβ. 2015) Εικ. 13 Boxfish Skeleton, http://imgkid.com/boxfish-skeleton.shtml (3 120

Φεβ. 2015) Εικ. 14 http://goo.gl/N2UI2a (3 Φεβ. 2015) Εικ. 15 http://goo.gl/N2UI2a (3 Φεβ. 2015) Εικ. 16 http://gowild.wwf.org.uk/regions/europefact-files/kingfisher (3 Φεβ. 2015) Εικ.17 Photo Galleries © Uwe R. Zimmer http://transit-port.net/Galleries/Japan/pages/Shinkansen%20II.htm (3 Φεβ. 2015) Εικ. 18 http://goo.gl/f23Htq (3 Φεβ. 2015) Εικ. 19 Eden Project photo © Grimshaw http://www.e-architect.co.uk/ england/eden-project (3 Φεβ. 2015) Εικ. 20 http://imgkid.com/nicholas-grimshaw-eden-project.shtml (3 Φεβ. 2015) Εικ. 21 LAVA Laboratory for Visionary Architecture http://www.l-a-v-a. net/projects/beijing-watercube/ (3 Φεβ. 2015) Εικ. 22 ARUP http://www.arup.com/Projects/Chinese_National_ Aquatics_Center/WaterCube_overview_1.aspx (3 Φεβ. 2015) Εικ. 23 LAVA Laboratory for Visionary Architecture http://www.l-a-v-a. net/projects/beijing-watercube/ (3 Φεβ. 2015) Εικ. 24 http://icd.uni-stuttgart.de/?p=6553 (3 Φεβ. 2015) Εικ. 25 http://icd.uni-stuttgart.de/?p=6553 (3 Φεβ. 2015) Εικ. 26 http://scaleless-seamless.org/?page_id=230 (3 Φεβ. 2015) Εικ. 27 https://www.pinterest.com/pin/272890058643709457/ (3 Φεβ. 2015) Εικ. 28 http://www.waysofenlichenment.net/lichens/Ramalina%20 menziesii (5 Φεβ. 2015) Εικ. 29 Growthobjects http://growthobjects.com/?portfolio=broccoli-wall-luminous-object (5 Φεβ. 2015) Εικ. 30 http://prettyawfulthings.com/2014/09/27/robot-plants/ (5 Φεβ. 2015) Εικ. 31 http://minimalissimo.com/2009/08/michael-kenna/ (5 Φεβ.

ευρετήριο εικόνων

2015) Εικ. 32 Versatility and Vicissitude, AD, Volume 78/ Issue 2/ March/April 2008, Michael Hensel/ Achim Menges(επιμ.) εκδ. Wiley, London 2008, σελ. 26–33 (5 Φεβ. 2015) Εικ. 33 https://www.pinterest.com/pin/393994667371763171/ (6 Φεβ. 2015) Εικ. 34 Emergent Technologies and Design: Towards a Biological Paradigm for Architecture. Routledge, 2010., σελ. 67 Εικ. 35 Emergent Technologies and Design, 2010 σελ. 68 Εικ. 36 http://dangergarden.blogspot.co.uk/2010/08/hughes-waterlily-fest.html (7 Φεβ. 2015) Εικ.37 Yukio Minobe, 2009, http://issuu.com/architecturalecologies/ docs/branching_respiration_skin_atelier_yukio_minobe_ (10 Φεβ.

2015) Εικ.38 Yukio Minobe, 2009, http://issuu.com/architecturalecologies/ docs/branching_respiration_skin_atelier_yukio_minobe_ (10 Φεβ.

2015) Εικ.39 Yukio Minobe, 2009, http://issuu.com/architecturalecologies/ docs/branching_respiration_skin_atelier_yukio_minobe_ (10 Φεβ.

2015) Εικ.40 Yukio Minobe, 2009, http://issuu.com/architecturalecologies/ docs/branching_respiration_skin_atelier_yukio_minobe_ (10 Φεβ.

2015) Εικ.41 Yukio Minobe, 2009, http://issuu.com/architecturalecologies/ docs/branching_respiration_skin_atelier_yukio_minobe_ (10 Φεβ.

2015) Εικ.42 Yukio Minobe, 2009, http://issuu.com/architecturalecologies/ docs/branching_respiration_skin_atelier_yukio_minobe_ (10 Φεβ.

2015) Εικ.43 Yukio Minobe, 2009, http://issuu.com/architecturalecologies/

docs/branching_respiration_skin_atelier_yukio_minobe_ (10 Φεβ.

2015) Εικ.44 Yukio Minobe, 2009, http://issuu.com/architecturalecologies/ docs/branching_respiration_skin_atelier_yukio_minobe_ (10 Φεβ.

2015) Εικ.45 Yukio Minobe, 2009, http://issuu.com/architecturalecologies/ docs/branching_respiration_skin_atelier_yukio_minobe_ (10 Φεβ.

2015) Εικ. 46 Emergent Technologies and Design: Towards a Biological Paradigm for Architecture. Routledge, 2010., σελ. 164 Εικ. 47 Emergent Technologies and Design: Towards a Biological Paradigm for Architecture. Routledge, 2010., σελ. 168 Εικ. 48 Emergent Technologies and Design: Towards a Biological Paradigm for Architecture. Routledge, 2010., σελ. 171 Εικ. 49 Emergent Technologies and Design: Towards a Biological Paradigm for Architecture. Routledge, 2010., σελ. 173 Εικ. 50 Emergence: Morphogenetic Design Strategies, Wiley London,2004., σελ. 51 Εικ. 51 Emergence: Morphogenetic Design Strategies, Wiley London, 2004., σελ. 53 Εικ. 52 Emergence: Morphogenetic Design Strategies, Wiley London, 2004., σελ. 48 Εικ. 53 Achim Menges, 2004 http://www.achimmenges.net/?p=4436 (11 Φεβ. 2015) Εικ. 54 http://goo.gl/EKu2RJ (11 Φεβ. 2015) Εικ. 55 http://goo.gl/A1NiC7 (12 Φεβ. 2015) Εικ. 56 Techniques and Technologies in Morphogenetic Design, Wiley, London 2006, σελ. 26 Εικ. 57 Techniques and Technologies in Morphogenetic Design, Wiley, London 2006, σελ. 28 121

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

Εικ. 58 Techniques and Technologies in Morphogenetic Design, Wiley, London 2006, σελ. 31 Εικ. 59 Techniques and Technologies in Morphogenetic Design, Wiley, London 2006, σελ. 31 Εικ. 60 Biomimetics and Technical Textiles, Pubmed, 2006 Εικ. 61 Biomimetics and Technical Textiles, Pubmed, 2006 Εικ. 62 Versatility and Vicissitude, Wiley London 2008, σελ. 39 Εικ. 63 © ICD University of Stuttgart, http://icd.uni-stuttgart. de/?p=11933, (13 Φεβ. 2015) Εικ. 64 © ICD University of Stuttgart, http://icd.uni-stuttgart. de/?p=5655, (13 Φεβ. 2015) Εικ. 65 Responsive Surface Structure II, Achim Menges - Steffen Reichert, HfG Offenbach 2008, http://www.achimmenges.net/?p=4638, (13 Φεβ. 2015) Εικ. 66 Material Capacity: Embedded Responsiveness, Willey London, 2012, σελ. 58 Εικ. 67 Material Capacity: Embedded Responsiveness, Willey London, 2012, σελ. 58 Εικ. 68 Achim Menges- Steffen Reichert, 2012 http://www.achimmenges.net/?p=5083 (13 Φεβ. 2015) Εικ. 69 Achim Menges- Steffen Reichert, 2012 http://www.achimmenges.net/?p=5083 (13 Φεβ. 2015) Εικ. 70 Achim Menges- Oliver David Krieg - Steffen Reichert, 2013 http://www.achimmenges.net/?p=5612 (13 Φεβ. 2015) Εικ. 71 Achim Menges- Oliver David Krieg - Steffen Reichert, 2013 http://www.achimmenges.net/?p=5612 (13 Φεβ. 2015) Εικ. 72 http://goo.gl/dnoaoc (13 Φεβ. 2015) Εικ. 73 © ICD University of Stuttgart, http://icd.uni-stuttgart. de/?p=11933 (14 Φεβ. 15) Εικ. 74 Flectofin: a hingeless flapping mechanism inspired by nature, 122

http://www.itke.uni-stuttgart.de/forschung.php?id=61 (15 Φεβ. 15) Εικ. 75 Flectofin: a hingeless flapping mechanism inspired by nature, http://www.itke.uni-stuttgart.de/forschung.php?id=61 (15 Φεβ. 15) Εικ. 76 Flectofin: a hingeless flapping mechanism inspired by nature, http://www.itke.uni-stuttgart.de/forschung.php?id=61 (15 Φεβ. 15) Εικ. 77 Flectofin: a hingeless flapping mechanism inspired by nature, http://www.itke.uni-stuttgart.de/forschung.php?id=61 (15 Φεβ. 15) Εικ. 78 Flectofin: a hingeless flapping mechanism inspired by nature, http://www.itke.uni-stuttgart.de/forschung.php?id=61 (15 Φεβ. 15) Εικ. 79 Flectofin: a hingeless flapping mechanism inspired by nature, http://www.itke.uni-stuttgart.de/forschung.php?id=61 (15 Φεβ. 15) Εικ. 80 Flectofin: a hingeless flapping mechanism inspired by nature, http://www.itke.uni-stuttgart.de/forschung.php?id=61 (15 Φεβ. 15) Εικ. 81 Studio femke roefs http://www.femkeroefs.nl/black_&_white. html (15 Φεβ. 15) Εικ. 82 © ICD University of Stuttgart, http://icd.uni-stuttgart. de/?p=11933 (15 Φεβ. 15)

ευρετήριο εικόνων

123

Βιομιμητική στην Αρχιτεκτονική

124

ευρετήριο εικόνων

Ευχαριστώ για την προσοχή σας

125