Формирование бионики, как междисциплинарной области научного знания

Формирование междисциплинарной науки - бионики, представляет собой процесс концентрации сведений о взаимосвязи человеческой деятельности с природой. Метод аналогий позволяет определить взаимосвязь

между деятельностью человека и функционированием, существованием окружающей среды.

Одним из первых теоретиков и практиков искусства, заговорившем о взаимосвязи художника и природы и применении в искусстве научного синтеза, был Леонардо да Винчи. Он объединил науку и искусство в одно целое. По мнению Леонардо да Винчи, одним из главных качеств художника является способность к созерцанию и анализу полученной информации. Основные положения но анализу таких дисциплин, как механика, химия, физика и физиология человека, были сконцентрированы в его трактате «Наука» [25]. (См. рис. 5.)

Широко известны его рисунки к книге Луки Пачоли «De Divine Proportion» (о божественной пропорции), где изображены трехмерные геометрические фигуры и схемы золотого сечения.

По утверждению Леонардо да Винчи, именно у природы художник может познать закономерности формообразования всех объектов с помощью геометрических построений. «Живопись рассматривает все качества форм: моря, местности, деревья, животных, травы и цветы - все то, что окружено тенью и светом» (25).

Таким образом. Леонардо да Винчи видел изобразительное искусство, как синтез живописи и рисунка с геометрией и математикой.

Вдающийся немецкий поэт и мыслитель Иоганн Вольфганг Гете так же, как и Леонардо да Винчи, прослеживал влияние естественно-научного творчества на художественные процессы.

Рис, 5. Наброски Леонардо да Винчи. Многогранники и пропорциональный канон человека.

Трактат «Об искусстве» [25] содержит в себе рассуждения о профессии художника, сравнительный анализ между живописью, поэзией, музыкой и скульптурой, описание качеств, какими должен обладать художник, учение о перспективе, свете и тени в изображаемых объектах, практические рекомендации по изображению различных объектов окружающего мира, аспекты искусства композиции. В художественном творчестве Леонардо да Винчи всегда руководствовался научным подходом к построению композиции произведения и расчету светотеневых зон у изображаемых объектов, пользуясь при этом геометрическими построениями. Так же он рассчитывал пропорциональные соотношения объектов, используя пропорцию золотого сечения, ЧТО ВИДНО на данном рисунке. «Разве ты не знаешь, что наша душа состоит из гармонии, а гармония зарождается только в те мгновения, когда пропорциональность объектов

становится видимой или слышимой» [25].

А

Своей целью он видел понимание творческих процессов и закономерностей развития природы. В своих сочинениях по естествознанию И.В. Гете пытался понять, как рождаются, развиваются и изменяются природные формы. И.В. Гете изучал морфологию - науку о форме и образовании органических тел. Одним из аспектов морфологии является взаимосвязь функции и формы. Именно из биологии в искусство вошло понятие «функция» и появился тезис о том, что форма следует функции,

И.В. Гете искал внутреннюю взаимосвязь между всеми представителями природы и пришел к выводу, что существование каждого взаимообусловлено.

Й.В. Гете отмечает три формы отношения художника к природе. Первая - подражание, которое он считал «преддверием искусства». Вторая форма - «манера», здесь действует субъективное начало художника. Третья форма это - «стиль», где живая модель природы - это только творческий источник, а художник, познавая ее внутренние законы, творит нечто органичное и созвучное ей. По мнению И.В. Гете, подлинное, художественное творчество основано на глубоких познаниях, изучаемого предмета - художник должен знать геологию, зоологию, ботанику и анатомию, понимать явления природы.

«Гете постоянно говорит о необходимости придерживаться природы, изучать ее, воспроизводить и творить нечто сходное с ее явлениями, так как человек только тогда сможет соперничать с природой, обращаясь к средствам искусства, когда он хоть сколько-нибудь научится у нее тому, как она поступает при создании своих творений» [21].

Леонардо да Винчи и И.В.Гете в своих концепциях подняли вопрос о диалоге двух культур - естественнонаучной и гуманитарно-художественной. Подобные явления в XX веке получили название междисциплинарного синтеза. Этот процесс связан, прежде всего, с ускоряющимся темпом развития науки и усиливающейся тенденцией к интеграции знания.

Одним из ответвлений современного научного синтеза, которое интересует нас, является бионика (от греч. bion - элемент жизни, буквально - живущий) - направление, пограничное между биологией и техникой, изучающее биологические системы, их свойства, принципы и закономерности с целью использования их для решения инженерных задач при создании искусственных систем.

Бионическое творчество было свойственно человеку с древних времен, но оно было стихийным, происходило благодаря таланту и инициативе отдельных ученых и мастеров, и не приводило к образованию новой науки. •«Только в середине текущего столетия на фоне успехов кибернетики, выдающихся достижений электроники, химии, науки о живом и широкой математизации всех областей знания, в условиях интеграции и взаимосвязи наук могла возникнуть бионика, вначале как концепция об использовании свойств живого в целях техники, в дальнейшем - как самостоятельная область знания» (20).

Официальное рождение бионики произошло в 1960 году в городе Дайтоне (США), на симпозиуме под названием «Живые прототипы - ключ к новой технологии». Слово «бионика» было создано Джеком Стилем в 1958 году. Слово это не новое - много лет назад так называли ту область науки, которая сейчас именуется гистология. Но вкладываемый смысл был один - познание единиц живого.

Человек всегда подражал природе в строительстве жилищ, ткацком деле, создании средств передвижения, искусстве. Главная задача бионики - это

изучение тез приемов, к которым прибегает природа для решения различных задач и воплощение природных приемов в виде инструментов, приборов, технологий, процессов, архитектуры и предметов декоративно-прикладного искусства

Бионика базируется на взаимодействии трех дисциплин - биологии, математики и техники. Отсюда следует, что это так же работа группы специалистов по каждой отрасли научного знания. Для эмблемы бионики был принят графический символ - скальпель и паяльник, соединенные интегралом. Этот логотип символизирует взаимодействие биологов, математиков и инженеров. К числу общих задач бионики, сформировавшихся в то время, можно отнести следующие:

1. Как смоделировать отдельные свойства и закономерности природной формы?

2. Моделирование изначальных, глубинных, лежащих у основания жизни закономерностей - универсальные начала (элементарные модели, в целях последовательного освоения во второй природе

; особенностей биологической формы движения - от простого к сложному.

3. Моделирование биологической закономерности в системах иной природы более всего приближается к фундаментальным целям бионики.

4. Переход от фундаментального исследования к практическому приложению полученных данных ~ от абстрактного к конкретному. Бионика стремится максимально приблизиться в своих имитациях к биологической форме движения, применяя

более простые составляющие, изучая свойства, законы, связи в живом, следуя такими же путями, по каким идет сама природа.

В бионике используются общенаучные методы познания: анализ и синтез, абстрагирование, формализация, дедукция, моделирование.

Анализ материалов показал, что к основным направлениям бионики относятся:

• Нейробионика. Исследует и моделирует обработку информации живым человеком, которая совершается нервной системой.

• Анализаторные системы. Исследует и моделирует органы зрения, слуха, рецепторы холода и тепла, колебаний, биополей, гравитации.

• Ориентация и навигация. Исследует и моделирует все механизмы и системы в живой природе, отвечающие за определение биообъекта в пространстве и времени.

• Биоэнергетика. Исследует и моделирует процессы превращения одного вида энергии в другой.

• Биомеханика. Исследует и моделирует структурно- функциокальные, кинематические, управляющие принципы и особенности макромеханики живого мира.

• Архитектурная бионика. Исследует и моделирует принципы конструктивной организации природных структур и возможность их перенесения в архитектуру.

Существует также теория структуры бионического знания, представленная в трех этапах, через которые проходит каждая бионическая идея. Рассматриваемые в последовательном порядке, эти этапы решают общую задачу и имеют прямые и обратные связи - находятся в тесном взаимодействии (см.

Биологический этап является исходным и включает изучение различными средствами отдельных сторон живых объектов в плане

поставленной задачи. На биолопшеском этапе рассматриваются наиболее общие, универсальные закономерности биологической формы движения.

Рис. 6. Структура бионического знания.

Следует отметить, что под формой движения понимаются уровни организации материи:

• Механический.

• Физический.

• Химический.

• Бионический,

На биологическом уровне ведется поиск прототипа в живой природе - принципиального решения, свойства, воспроизводимого в искусственной системе. На этом этапе могут применяться различные методы биологии, физики, химии, техники, включая познавательное моделирование биологических функций и структур.

Теоретико-матеметический этап связан с абстрагированием, обобщением данных, полученных на биологическом этапе, построением функциональных схем и установлением определенных закономерностей. Моделирование является основным методом на данном этапе исследований.

Слово модель в контексте бионики (от латинского слова modulus - мера, образец, способ) означает образец, воспроизводящий, имитирующий ощзеделенное свойство - аналог. Модель создается на основе данных полученных от оригинала и имеет цель расширить, \тлубнть эти сведения. В то же время модель строится из более простых средств, чем оригинал.

раскрывая особенности сложной системы. Далее модель преднамеренно упрощают, схематизируют сложное явление и вычленяют из сложной системы интересующую часть.

Рис. 7. Создание модели прототипа.

Биологический

Модель

Техническое

устройство

объект

Здесь же выявляются возможные Гранины реализации идеи на третьем техническом этапе.

Технический этап заключается в инженерной разработке действующего устройства или конкретной физической модели. Здесь определяется конструкция и технология выполнения искусственной системы.

Таким образом, мы видим, что бионическое творчество начинается с постановки задачи, затем ведется работа по трем этапам, создается модель и, наконец, происходит создание технического устройства.

1.4. Применение бионики прн проектировании архитектуры и предметов декоративно-прикладного искусства

За 45 лет существования бионика нашла применение в большом количестве видов человеческой деятельности. За этот период была доказана эффективность И целесообразность бионического подхода В близлежащих к ювелирному искусству видах творчества. В настоящий момент, наиболее развитым является направление архитектурной бионики.

Процесс использования законов формообразования живой природы в архитектуре состоит из трех этапов:

1. Первый этап - наиболее древний, это этап стихийного использования конструктивных и функционально-

пространственных средств живой природы. Уже первые человеческие постройки носили бионический характер - они строились по аналогии с гнездами и муравейниками животных и насекомых.

2. Это этап начала формирования архитектуры, как искусства и примерно до середины XJLX века. Этот период, несмотря на его протяженность, объединен принципом подражания природе. Это означало использование форм природы с изобразительно- декоративными целями и копирование внешних форм природы. Примером служат колонны египетских храмов, палаццо Ренессанса и дворцы классицизма, русские храмы, капители колонн и весь их строй как подражание мотиву леса в готических соборах (см. рис. 8 - 10), японская народная архитектура.

3. Третий этап начинается с конца XIX века и до нашего времени. Этот период начался в архитектуре со стиля «модерн». Именно в этом стиле проявилось функционально-структурное развитие архитектурных форм по принципу приспособляемости к функционально усложняющимся задачам архитектуры и окружающей среды. Именно в модерне нашли применение новые, пространственные конструкции и воплотился принцип природного многообразия форм. В этот период зарождается концепция органической архитектуры, которая поддерживалась и развивалась такими архитекторами как Антонио Гауди (см. рис. 11), Франк Ллойд Райт, Ле Корбюзье, Фрэнк Гэри, Ренцо Пиано, Николас Гримшоу, ГрэгЛин.

Инженерно-биологические исследования природных форм является основной отличительной чертой этого продолжающегося периода. Архитекторы устанавливают функционально-конструктивные аналогии между природой и архитектурой, используя методы аналогий и гомологий. Смысл этого механизма заключается в том, что в результате длительного

выполнения сходных функций разными по происхождению организмами между ними возникает довольно конкретное структурное сходство. «При сравнении форм архитектуры и живой природы можно вскрыть однопорядковые элементы, выполняющие сходные, конструктивные функции: стебель растения и колонны здания, купол здания и постройки термитов, паутина и вантовые конструкции» [21].

Рис. 8. Немецкая готическая капитель и ее природный аналог - лист клена.

Рис. 9. Оформление капителей колонн храмов древнего Египта.

Рис. 10. Примеры готического и египетского интерьеров.

Рис. 11. Архитектурные творения А. Гауди.

Парк Гуэля, или как говорили раньше «природа, застывшая в камне» Каза Батло, Каза Мила - совеошенно новые аохитектуоные тооизведения для той эпохи

Архитектурная бионика начинала развиваться в 70-х годах ХХ-го века, как отдельное направление бионики. Ее структура включает в себя методы изучения и исследования, а так же технологии моделирования и проектирования (см. рис. 13).

Рис. 12. Примеры архитектурной бионики.

«Архитектурная бионика идет от изучения всей неисчерпаемой сокровищницы природных форм к определяемому социальными

потребностями выбору

подходящих из них, от выявления чисто бионических принципов и их моделирования к

комплексной архитектурно­

бионической интерпретации и скорректированному

архитектурному моделированию, а от них к творческому развитию архитектурно-бионической практики» [21].

Архитектурную и техническую бионику объединяет общий предмет исследования - использование принципов природной организации в материальном производстве, но первая имеет свои задачи, специфику, бионическую сферу - объекты природы и решает свойственные ей проблемы.

Мы видим, что познавательный аппарат науки состоит из трех частей, теории архитектурной бионики, методов бионического исследования и архитектурно-бионического моделирования.

Бионические исследования и архитектурно-бионическое моделирование могут быть представлены в виде структурной схемы (см. рис. 14).

Рис. ІЗ. Структура архитектурной бионики по Лебедеву.

Рис. 14. Структура методики проводимых исследований архитектурной бионики по Лебедеву.

Цифрами на рисунке обозначены следующие показатели:

1. объект методического освоения;

2. содержание архитектурной бионики (синтез архитектуры и живой природы);

3. противоречия (общественный характер архитектуры - биологическая сущность живой природы);

4. разрешение противоречий;

5. механизм синтеза:

a) системно-структурный анализ;

b) принцип аналогий;

c) принцип гомологий;

d) анализ геометрии форм;

e) методы смежных наук;

f) интуиция.

6. Средства овеществления: строительный материал, конструкции, технология строительства, средства композиции.

7. Целевая установка архитектуры: функция, эстетика.

«Метод архитектурной бионики в отличие от количественных, например математических методов, позволяет соединить в одно целое абстрактное и конкретное, математические законы формы и ее конкретный,

эмоциональный образ, утилитарное и красоту. Он синтезирует науку и искусство» (21).

Рис. 15. Бионические решения в архитектуре.

Важным аспектом бионического моделирования является применение компьютерных технологий. Начиная с 1980-х годов, в проектировании практикуется построение чертежей зданий в CAD программах, а с 90-х - практика построения конструкций зданий в среде трехмерного виртуального пространства.

Применение трехмерного моделирования повышает эффективность разработки проекта: архитектор получает возможность построения общей конструкции здания и интерьеров с имитацией освещения, материалов и месторасположения в среде. Создание видеоролика, в котором показывается путешествие снаружи и внутри здания делает подачу проекта более приближенным к реальности.

гч

Рис. 16. Архитектурные проекты, выполненные на компьютере.

fc*∙

Эрик Хэмингуэй «Бункер Хаус»

Проект центра «Citroen», Paris

Проект небоскреба Rese-Rise, New-York

Рис. 17. Архитектурные проекты, выполненные на компьютере (мебель).

Рис. 18. Строительство легких пространственных конструкций на основе

бионических исследований.

ландшафтных образований (технология ЗВ-моделирование).