BIomimikra w architekturze - czego możemy nauczyć się od natury?

W miesięczniku BUILDER nr 1/2021 ukaże się artykuł Michała Rogozińskiego poświęcony idei biomimikry. Poniżej publikujemy wsbogacony tekst wraz z ilustracjami. Zapraszamy do lektury!

W 1994 roku japońscy inżynierowie pociągów dużej prędkości stanęli przed trudnym wyzwaniem. Przewoźnik Japan Railways West wyznaczył 5 lat na osiągnięcie ambitnego celu. Było nim zapewnienie przejazdu koleją w czasie poniżej 2h 20minut na odcinku 515 km łączącym dwa największe miasta zachodniej Japonii – Osakę i Fukuokę. Wymagało to opracowania nowego modelu pociągu, poruszającego się z prędkością co najmniej 350 km/h. Rozpędzenie składu do tej prędkości technicznie było możliwe. Problemem okazał się generowany w trakcie jazdy hałas, niemożliwy do rozwiązania przy pomocy konwencjonalnych metod inżynieryjnych. Określono trzy źródła hałasu: przekazywany poprzez tory do gruntu, wywoływany przez nadwozie i pantograf oraz trzeci, najbardziej złożony: efekt fali mikro-ciśnieniowej. Gdy poruszający się z dużą prędkością pociąg opuszczał tunel powstawała fala dźwiękowa (Tunnel Micro Pressure Wave), katastrofalna dla okolicznej zabudowy i przyrody. To wszystko dyskwalifikowało pociąg przed dopuszczeniem do ruchu – ponad 50% trasy na tym odcinku biegnie przez tunele wydrążone w łańcuchach górskich oraz tereny zabudowane.

 

Początek rozwiązania tych zagadnień leżał w niepozornym wydarzeniu z życia Pana Eiji Nakatsu – Kierownika Departamentu Rozwoju Technologicznego. Udział w wykładzie poświęconym naśladownictwu ptaków w lotnictwie, skierował go do szukania rozwiązań dla projektu pociągu wśród dwóch gatunków ptaków. Istnieje analogia pomiędzy budową tego pociągu, a drapieżnikami – to konieczność zredukowania do minimum wydawanych dźwięków. Drapieżny ptak musi poruszać się cicho, by nie spłoszyć ofiary, zaś pociąg powinien sunąć gładko po torach, nie zakłócając życia ludzi. Pan Nakatsu wybrał dwa gatunki ptaków: sowę – do rozwiązania pantografu oraz zimorodka (ang. Kingfisher) – do rozwiązania nadwozia.

 

 

Sowy, oprócz doskonale rozwiniętych zmysłów pozwalających na nawigację w nocy, są w stanie latać bezszelestnie, nie zwracając na siebie uwagi. Na podstawie analizy budowy ich skrzydeł, skonstruowano nowy pantograf oraz kolumnę, redukując efekt generujący hałas – tzw. Wiry Karmana. Nowe rozwiązanie ochrzczono określeniem „winggraph” („skrzydłograf”).

 

 

Kwestia fali dźwiękowej była bardziej skomplikowana. Trzeba było rozwiązać problem przemieszczania się z dużą prędkością pomiędzy mediami o różnej gęstości – z powietrza na zewnątrz o ciśnieniu atmosferycznym, do tunelu, gdzie powietrze jest tłoczone przez pociąg i poddawane kompresji. W naturze doskonale z tym problemem poradziły sobie zimorodki. Są one w stanie nurkować z jednej cieczy (powietrza) do drugiej, 800 razy gęstszej (wody) z dużą prędkością, nie wydając przy tym dźwięku, plusku, ani nie wzbudzając fali na powierzchni wody. Dzięki temu zimorodki nie płoszą ryb, na które polują. Zawdzięczają to specyficznej geometrii dziobu oraz pozycji ciała, przybieranej podczas nurkowania.

 

 

 

Zbudowano różnorodne modele pociągu w mniejszej skali do testów akustycznych. Część z nich przypominała pociski podobne do poprzednich modeli Shinkansena – serii 100, 200 i 300 tzw. „bullet train”. Jeden model opracowano na podstawie formy biologicznej. Na podstawie testów fizycznych i symulacji komputerowej, stwierdzono, że najlepszym rozwiązaniem jest model bioniczny bazujący na zimorodku. W konsekwencji, zbudowano prototyp pociągu w skali 1:1, który pozwolił na osiągnięcie prędkości 300km/h oraz spełnienie norm akustycznych 70/75dB. Ograniczono opór powietrza o 30% oraz zużycie energii o 13% przy prędkości pomiarowej 270km/h. 22 marca 1997 roku JR-West wprowadziła do użytku nowy pociąg serii Shinkansen 500, bijąc światowy rekord prędkości! Wpisał się on do historii jako pierwszy pociąg wykorzystujący technologie bioniczne.

 

 

Od tego czasu jesteśmy świadkami olbrzymiego postępu technologii, czerpiących rozwiązania od organizmów żywych. Do świata wkracza dynamicznie rozwijająca się dziedzina nauki – biomimikra.

Biomimikra

Idea poszukiwania rozwiązań z przyrody jest tak długa, jak historia cywilizacji. Przez wieki, obserwacje ze świata natury były stosowane świadomie lub intuicyjnie w kulturze, wierzeniach, sztuce i architekturze. Przyroda stała się źródłem inspiracji dla koncepcji maszyn latających Leonarda da Vinci. Dzięki niej wykorzystujemy drewno do produkcji papieru, podobnie jak osy amerykańskie (Paper Wasp) wykorzystują je do budowy papierowych gniazd.

Inspiracje naturą, aż do XX wieku były powierzchowne, a nawet naiwne. Często dotyczyły jedynie form, kształtów i zachowań. Wiele rozwiązań, jak np. konstrukcja samolotu, pozwalająca na lot podobny ptakom, pozostawało w sferze marzeń. Dopiero głębsze zrozumienie zasad fizyki, matematyki i chemii umożliwiło rozwój technologiczny i opracowanie rozwiązań do tej pory nieosiągalnych. Dzięki zaawansowanym metodom obserwacji, rejestru oraz cyfryzacji jesteśmy wkraczamy do nowej epoki, by zagłębić się w świat natury w celu jej lepszego poznania i zrozumienia.

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

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

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

Dlaczego akurat ten termin? ‘Biomimetyka’ i ‘bionika’, mogą być wykorzystywane w różnych technologiach np. militarnych. Z tego powodu ‘biomimikra’ została powiązana z działaniem na korzyść życia. Poprzez rozwój technologiczny i przemysłowy wyrządziliśmy środowisku szkody. Równocześnie rozwój dał nam narzędzia, aby je naprawić. Trudno nie zgodzić się z Janine Benyus, wg. której idee i doktryny, takie jak Zrównoważony Rozwój, polegający jedynie na łagodzeniu negatywnych skutków przemysłowej działalności człowieka na Ziemi jest niewystarczający. Dotarliśmy do momentu, w którym należy poszukiwać rozwiązań działających regeneracyjnie, sprzyjających koegzystencji człowieka z fauną i florą. Nie ma lepszego zdefiniowania misji, niż to, co powiedział Buckminster Fuller: „aby świat pracował na 100% możliwości ludzkiego potencjału w możliwie najkrótszym czasie, poprzez spontaniczne współdziałanie, bez szkody ekologicznej lub niekorzyści dla kogokolwiek”.

Podstawą biomimikry jest zmiana postawy wobec natury: zamiast „nauki O naturze” – „nauka OD natury”. Dla inżyniera, naukowca, architekta pytanie „jak zrobiłaby to natura?” okazuje się rewolucyjne, gdyż organizmy żywe dostarczają niezliczonych odpowiedzi, dzięki wykształceniu doskonalonych przez miliony lat strategii, wykorzystujących różnorodne formy, systemy i procesy. Efektem tego jest bioróżnorodność, dobrze widoczna w przyrodzie.

Istotę biomimikry trafnie oddaje ukuta przez J. Benyus definicja: „conscious emulation of life’s genius” (pol. „świadoma emulacja geniuszu natury”). Wyraz „świadomy” odnosi się do działania intencyjnego. Nie wystarczy czegoś opracować, a następnie stwierdzić, że „to przypomina coś występującego w naturze”. Biomimikra polega na celowym poszukiwaniu rozwiązań wśród organizmów żywych, opartym na faktach naukowych – tak, jak przy projektowaniu pociągu Shinkansen.

Czy biomimikra może pomóc w tworzeniu lepszych rozwiązań w architekturze? To bardzo istotny obszar, gdyż główną rolę w obrocie energią na świecie (aż 50%) odgrywają budynki. Znalezienie optymalnych sposobów wykorzystywania zasobów w architekturze jest niezbędne w procesie transformacji do Ery Ekologicznej.

Możemy określić trzy podstawowe paradygmaty niezbędne do osiągnięcia tego celu:

  • Odejście od paliw kopalnych do odnawialnych źródeł energii i wykształcenie Ekonomii Solarnej
  • Transformacja z liniowych procesów przetwarzania surowców do procesów o zamkniętym obiegu i wykształceniu Ekonomii Cyrkularnej
  • Radykalne zwiększenie wydajności w wykorzystaniu energii i surowców

Biomimikra w architekturze

Budynki przez okres swojego funkcjonowania stają się nieodłącznym komponentem środowiska. Można powiedzieć, że obiekty architektoniczne i infrastrukturalne to urządzenia, pośredniczące w procesach wymiany zasobów i energii pomiędzy człowiekiem a środowiskiem naturalnym. Od tego, jak ukształtujemy architekturę i jakie wykorzystamy technologie, zależy przebieg tych procesów oraz czy oddziałują korzystnie na środowisko czy nie. Czy jesteśmy w stanie w pełni zintegrować nasze systemy techniczne z ekosystemem, wykorzystując energię odnawialną i ekologiczne surowce?

Możemy to osiągnąć, biorąc pod uwagę, jak wiele ma do zaoferowania natura. W czołowych jednostkach naukowych i pracowniach architektonicznych na świecie praktykowane są różne metodologie wykorzystania biomimikry w procesie projektowym. Wykształca się nowy model pracy – zespołów osób o specjalistycznej wiedzy z różnych dziedzin – w tym biologów. Sukces rozwoju biomimikry będzie zależeć od umiejętności pracy w zespołach interdyscyplinarnych.

Poszukując rozwiązań biologicznych dla kreowania budynków przyszłości należy posługiwać się odpowiednią skalą. Budynki można porównać do funkcjonowania pojedynczego organizmu, miasta zaś – do złożonego ekosystemu.

W skali architektonicznej trzeba uwzględnić następujące kwestie: strukturę, materiały, gospodarkę odpadami, wodę, komfort termiczny i zasilanie. Budynki przyszłości będą mogły lokalnie pozyskiwać energię elektryczną, wodę i regulować komfort termiczny, zupełnie tak jak organizmy potrafią adaptować się do siedliska, w którym żyją. W naturze wyewoluowały gatunki, mogące przetrwać nawet w jałowych, pustynnych terenach, gdzie woda prawie nie występuje. Chrząszcz Onymacris unguicularis żyjący na Pustyni Namib, wdrapuje się na wydmę i dzięki specyficznej powłoce pancerza, jest w stanie przekształcić drobinki z unoszącej się mgły w kroplę wody. Ten gatunek zainspirował do opracowania powłok bionicznych. Pokryte nimi budynki będą mogły pozyskiwać wodę z otoczenia.

Każdego roku, w procesach wytwarzania materiałów, zużywa się setki tysięcy ton barwników i pigmentów do uzyskiwania kolorów. Tymczasem natura tworzy barwy w inny sposób. Np. dzięki mikroskopijnej strukturze na skrzydłach motyla Morpho, fala świetlna ulega załamaniu i do oka przedostaje się część spektrum, odpowiadająca za błękitną barwę. Budynki przyszłości będą wykonywane z materiałów, wykorzystujących kolor strukturalny. Dzięki temu zapobiegniemy zanieczyszczaniu ekosystemu szkodliwymi związkami chemicznymi.

 

 

 

W skali urbanistycznej należy poddać analizie sieć relacji pomiędzy elementami złożonego systemu. Celem tego jest kreowanie struktur optymalnych pod względem skomunikowania i kompatybilności, odpornych na nagłe zmiany, takie jak brak zasilania czy kataklizmy naturalne. Śluzowce są w stanie stworzyć optymalną sieć połączeń między obumarłą materią organiczną w celu uzyskania wartości odżywczych. Dowiódł tego eksperyment przeprowadzony na Uniwersytecie Hokkaido w Sapporo, polegający na rozmieszczeniu kawałków pożywienia na płaskiej powierzchni, w konfiguracji odpowiadającej największym miastom aglomeracji tokijskiej. W ciągu zaledwie 8 godzin śluzowiec wytworzył strukturę podobną do siatki komunikacyjnej występującej w tym rejonie. Badania nad śluzowcami pozwoliły na przeniesienie zasad biologicznych do algorytmów optymalizacyjnych wykorzystywanych w transporcie.

Jak długo będziemy czekać na prawdziwy boom biomimetyczny w architekturze? Przykład pociągu Shinkansen uzmysławia potencjał wykorzystania tej idei w transporcie. Czy istnieją już nowoczesne budynki, zaprojektowane w oparciu o biomimikrę?

East Gate Centre, Harare

W 1992 roku brytyjski architekt Mick Pearce otrzymał zlecenie na projekt największego budynku biurowo – handlowego w Zimbabwe. Wyzwaniem było stworzenie rozwiązania, pozwalającego na redukcję kosztów działania klimatyzacji do minimum. Stolica Zimbabwe, Harare znajduje się w klimacie podrównikowym, gdzie temperatury na zewnątrz wahają się między 5⁰C a 33⁰C. Jak zapewnić komfort cieplny pomieszczeń przy takich warunkach?

 

 

Głównym źródłem inspiracji architekta działającego wraz z zespołem ARUP, stały się kopce termitów. Termity przy użyciu lokalnie występującego materiału (czyli ziemi), kawałek po kawałku budują swoje siedlisko, będące dziełem architektonicznego geniuszu. Na południowej półkuli występuje wiele gatunków termitów i wszystkie potrafią zaradzić panującym na zewnątrz wysokim temperaturom. Badania naukowe (Rupert Soar i J. Scott Turner) wykazują, że dzięki kanałom i wylotom, termitiery funkcjonują niczym wielkie płuco, pozwalające na wymianę gazową i wentylację. Wykorzystują przy tym wiatr, a nie jak pierwotnie sądzono jedynie efekt konwekcji. Termity budują gniazdo w taki sposób, aby wykorzystać również naturalną właściwość gruntu do stabilizacji temperatury wewnątrz komory królowej. Ma ona stałą wartość ok. 31⁰C nawet, gdy na zewnątrz różnice między nocą a dniem wynoszą 39⁰C!

 

 

Do zaprojektowania systemu wentylacyjnego budynku w Harare posłużono się rozwiązaniami, występującymi w kopcach termitów z gatunku Macrotermes michaelseni oraz Macrotermes subhyalinus. Sprytnie wykorzystują one kombinację stałej temperatury gruntu oraz wentylacji wspomaganej wiatrem do celów termoregulacji.

Nocą, gdy zewnętrzna temperatura spada, powietrze tłoczone jest za pomocą wentylatorów do przestrzeni między stropami pierwszej i drugiej kondygnacji w celu wychłodzenia struktury żelbetowej – materiału o dużej bezwładności cieplnej. Następnie wychładzane są przestrzenie podposadzkowe każdej kondygnacji biurowej. Proces zostaje zatrzymany i od tego momentu, wychłodzona struktura działa dla budynku, niczym grunt dla gniazda termitów. W taki sposób budynek „przygotowany” jest na nadejście gorącego dnia.

Rano, wzrasta promieniowanie słoneczne i temperatura powietrza zewnętrznego – pomieszczenia biurowe wymagają klimatyzacji. Wtedy kominy umieszczone na ostatnich kondygnacjach, dzięki działaniu siły wiatru i promieniowania słonecznego powodują ruch ciepłego, zużytego powietrza do góry i naturalną wentylację pomieszczeń. Napływające do budynku świeże powietrze przepływa przez wychłodzoną żelbetową strukturę oraz przestrzenie podposadzkowe każdej kondygnacji biurowej. Zużyte powietrze jest wysysane z budynku za pomocą naturalnej wentylacji.

 

 

Dodatkowym rozwiązaniem, zapobiegającym nagrzewaniu przestrzeni biurowej, są sufity rozprowadzające równomiernie oświetlenie z lamp fluorescencyjnych, sterowanych czujnikami intensywności oświetlenia (innowacyjnymi jak na tamte czasy).

Oprócz wyrafinowanego systemu wentylacyjnego, strategię ochrony przed promieniowaniem słonecznym i wysoką temperaturą stanowi elewacja budynku. Gładkie powierzchnie łatwo absorbują energię cieplną w ciągu dnia i z trudem emitują ją w nocy. Odwrotnie jest z powierzchniami o rozrzeźbionej, złożonej formie o dużej powierzchni. Zgodnie z tymi założeniami zaprojektowano fasadę, a inspiracją stał się budynek Ledoux’s Royal Saline. Elewacje East Gate Centre wykonane zostały z prefabrykowanych elementów betonowych tworzących rozbudowaną formę, która pochłania promieniowanie słoneczne. Dodatkowo na fasadzie zastosowano nasadzenia roślinne, absorbujące ciepło i obniżające albedo.

Na podstawie ilustracji, przedstawiającej wykres temperatur z dnia 1 i 2 października, możemy zauważyć, że system wentylacyjny East Gate Centre pozwala obniżyć temperaturę wewnątrz pomieszczeń o 3⁰C (kondygnacje górne) do 5⁰C (kondygnacje dolne) względem temperatury panującej na zewnątrz.

 

 

 

Jak przedstawiają się koszty elektryczności EGC? Zapotrzebowanie na energię elektryczną do obsługi systemu wentylacyjnego w EGC wynosi zaledwie 10% w porównaniu do budynków z systemami konwencjonalnymi. Analizując zestawienie z budynkami, powstałymi około 1996 roku w Harare możemy zauważyć, że East Gate Centre ma najniższe ogólne zapotrzebowanie na energię elektryczną. Pozwala to na redukcję emisji szkodliwych gazów i ograniczenie negatywnego wpływu na środowisko.

 

 

Projekt East Gate Centre to przykład naśladowania procesu na poziomie behawioralnym – budynek funkcjonuje w podobny sposób jak wykonana z ziemi termitiera. Jak widać, biomimikra może dotyczyć nie tylko budowy samych organizmów, lecz również tego, co organizmy są w stanie wykonać – np. ptasich gniazd, oplotów, pajęczyn, uli itp. Przedmiotem naśladowania może być nie tylko forma, lecz również struktura oraz proces, który w tych strukturach zachodzi. Potencjał drzemiący w biologii jest ogromny i czeka na kolejne odkrycia. Miejmy nadzieję, że nowe projekty i technologie, są początkiem drogi do fascynującej epoki, będącej połączeniem architektury i świata organizmów żywych.

Dołącz do grupy Biomimicry Poland!

Pasjonatów biomimikry zapraszamy do grupy dyskusyjnej