עקרונות תכנוניים בטבע ובאדריכלות

מאת: יעל הלפמן כהן

העברת ידע מהטבע לאדריכלות מתאפשרת בזכות הדמיון בין תהליך התכנון האדריכלי והתהליך האבולוציוני. ההבדל בין התהליכים מעיד על הפוטנציאל הגלום בלמידה בינתחומית זו. חסמים טכנולוגיים שנפתרו בשנים האחרונות מאפשרים יישום עקרונות תכנוניים מהטבע בתחום האדריכלות.

תהליך התכנון האדריכלי ותהליך האבולוציה בטבע דומים במספר היבטים. כך, למשל, שניהם תהליכים לא דטרמיניסטיים מאחר וקריטריוני ההערכה ומטרות הפיתוח של תהליכים אלה משתנים, ומותאמים במהלך התהליך. נקודת דמיון נוספת היא השאיפה לתת ביטוי למספר פרמטרים, שלעיתים סותרים זה את זה, ולא להתמקד באופטימיזציה של פונקציה ספציפית (מטרה המאפיינת תכנון הנדסי). האופטימיזציה אפשרית בארכיטקטורה רק עם כמה פרמטרים טכניים או כלכליים (למשל אופטימיזציה של צריכת אנרגיה או חומר), אך היא אינה מאפשרת הערכה של תכונות כמו אסתטיקה או מרחב האיכויות העירוניות, שהן חיוניות לא פחות לארכיטקטורה מקיימת ומוצלחת. בטבע התאימו אורגניזמים עצמם, במהלך האבולוציה, באמצעות ברירה טבעית והתאמה לדרישות המשתנות של הסביבה. התוצאות הן פשרה במענה לדרישות סותרות, בניגוד לאופטימיזציה של פרמטר ספציפי. לאור ההיבטים המשותפים בין תהליכי התכנון האדריכלי והתכנון בטבע, נשאלת השאלה כיצד יכול תחום הביומימיקרי לספק תובנות חדשות לשדה הארכיטקטורה. בנושא זה עוסק מחקרם של Knippers & Speck , שפורסם השנה בירחון האקדמי Bioinspiration & Biomimetics.

לצד הדמיון בין תהליכי התכנון האדריכליים ותהליכי התכנון בטבע, קיימים גם הבדלים בסיסיים. כך למשל, מבוססת החדשנות האבולוציונית על מבנים ועל הפונקציות הרלוונטיות שלהם. כל מבנה מורכב מתת מבנים הבנויים מרכיבים דומים, ולכן במובן זה לא ניתן להפריד בין חומר למבנה. בארכיטקטורה, לעומת זאת, פונקציות שונות, כמו: מעטפה תרמית, הפרדה מרחבית, שירותי המבנה והעברת עומס, מוקצות לרכיבים שונים. הצורה הגיאומטרית לא תמיד קשורה לגיאומטריה של המבנה, בעיקר כאשר המניע התכנוני הוא אסתטי. בטבע, תומכות אבני הבניין הבסיסיות במבנה וגם נושאות חומרים המעוררים תגובות כימיות וסיגנלים מולקולאריים. ניתוח המבנים הטבעיים מראה, מנקודת מבט הנדסית, שהם מורכבים ממספר קטן יחסית של פולימרים (פרוטאנים, פוליסכרידים, שומנים, חומצות גרעין ועוד). תאים בודדים יוצרים רקמות, ואלה יוצרות איברים בעלי פונקציות שונות.

מבנים טבעיים לרוב אינם איזוטרופיים (תלויי כיוון), אך לעיתים הם מורכבים מסיבים כמו צלוליט או קולגן, שלהם תכונות תלויות כיוון. התכונות השונות של המבנים מושגות על ידי צורות אריזה ווקטורי כיוון משתנים של הסיבים. להטרוגניות כימית ומבנית תפקיד מהותי בהתאמה המקומית. מבנים טבעיים מורכבים ממספר רכיבים מצומצם המשתנים גיאומטרית, פיסית וכימית, בניגוד למבנים אדריכליים המורכבים מחומרים שונים ומרכיבים פונקציונאליים שונים (פלדה לשלד, זכוכית למעטפת וכדומה). לאור הבדלים אלה נשאלת השאלה האם יכולים הצורה המורפולוגית ועקרונות הפונקציה בטבע לשמש מקור ידע והשראה לתכנון מבנים ארכיטקטוניים יעילים.

כותבי המאמר זיהו מספר עקרונות תכנוניים המאפיינים מבנים טבעיים, אשר טרם יושמו בארכיטקטורה. יישום עקרונות אלה יכול לקדם חדשנות מקיימת במבנים אדריכליים:

• הטרוגניות - מבנים טבעיים מאופיינים בשונות גיאומטרית של הרכיבים שלהם, ובהתאמה מקומית של התכונות הפיסיות או הכימיות שלהם.

• אניזוטרפיה (תכונות תלויות כיוון) - מבנים טבעיים רבים מורכבים מחומרים מורכבים ברמת הסיבים, המבוססים על סיבים אנזיטרופיים.

• היררכיה - מבנים ביולוגיים מאופיינים ברמה גבוהה של היררכיה, מרמת הננו לרמת המקרו. בכל רמה רכיבים מוליקולריים דומים. במבנים ארכיטקטוניים יש מעט התייחסות לנושא ההיררכיה, ומושג של היררכיה טרם נחקר וטרם מומש.

• רב תפקודיות - סיבים בוטניים, למשל, משמשים גם למטרות מכאניות וגם לפונקציות פיסיולוגיות. בארכיטקטורה לא מוכרתטקסטורה אחידה שיש לה מספר פונקציות.

נראה, שאחד החסמים למימוש הפוטנציאל הגלום במימוש העקרונות האלה בשדה האדריכלי היה חסם טכנולוגי. חסם זה נפתח בשנים האחרונות, עם התפתחות יכולות למידול דיגיטלי ויכולות של תהליכי תכנון וייצור מתקדמים, המאפשרים נגישות למודלים ביולוגיים. טכנולוגיות תכנון אלה מאפשרות רמה גבוהה יותר של שונות גיאומטרית, והעברה של המורפולוגיה הטבעית לארכיטקטורה.

למקור הידיעה