По мере того, как
ученые добиваются новых успехов в области робототехники, природных
строительных материалов и новых методов строительства, наша городская
архитектура может приобрести совсем иные очертания, резко отличающиеся
от тех жестких конструкций, к которым мы все привыкли.
Будучи
сложными экосистемами, города испытывают колоссальную нагрузку, и им
приходится стремиться к оптимальной эффективности и минимальному
воздействию на наш мир с его ограниченными ресурсами. Архитекторы,
городские планировщики и специалисты по долговечности и устойчивому
развитию пытаются решать колоссальные проблемы, связанные с требованиями
к ресурсам и с развитием городов. И сейчас появляются первые признаки
того, что в системе городского строительства все прочнее обосновывается
биология.
В таких областях, как аддитивное производство,
синтетическая биология, робототехника на основе роевого интеллекта и
архитектура, существуют сценарии будущего строительства, в которых
здания будут проектироваться при помощи библиотек из биологических
шаблонов, а строиться из биосинтетических материалов, способных
распознавать изменения в условиях и адаптироваться к ним. А в самом
строительстве будут использоваться бактериальные принтеры и рои
механических сборочных устройств.
Современная преобразованная
человеком среда, в которой мы живем, зародилась в программном
обеспечении CAD. Инженеры компании Autodesk Research, работающие в
лаборатории по изготовлению био/нано/программируемых материалов, создают
инструменты моделирования микроскопического мира. Проект Cyborg
(«Киборг») помогает исследователям имитировать связи на атомном и
молекулярном уровне, чтобы проектировать программируемые материалы и
вещества. Autodesk Research недавно объединила свои усилия с фирмой
Organovo, которая проектирует рабочие биопринтеры, способные создавать
живые ткани. Такое партнерство расширяет их возможности, и теперь они
могут заниматься не только молекулярным проектированием, но и
производством биоматериалов, что позволяет быстро создавать опытные
образцы во всем, начиная с фармацевтики и закончая наномашинами.
Проект
«Киборг» позволяет глубже исследовать биомимикрию, поскольку появилась
возможность для точной обработки веществ. Дэвид Бенджамин (David
Benjamin) и его коллеги из Лаборатории живой архитектуры при
Колумбийском университете изучают способы интеграции биологии в
архитектуру. Их последняя работа посвящена вопросам бактериального
производства - генетической модификации бактерий с целью создания
прочных материалов. Заглядывая в будущее, где будут проектироваться
колонии бактерий для массового производства в режиме объемной печати
новых материалов, они видят здания, завернутые в бесшовную,
восприимчивую биоэлектронную упаковку.
Робототехник Энрико Дини
(Enrico Dini) изготовил 3-D принтер такого размера, что с его помощью
можно печатать дома из песка. Таким образом, он перешел от молекулярной
печати на уровень объемного производства. Сейчас Дини совместно с
Европейским космическим агентством думает о том, как отправить принтер
объемной печати на Луну, чтобы из лунной почвы построить обитаемую базу.
Хотя до практической реализации этой задумки пока далеко, замечательно
уже то, что силой мысли - и денег - трехмерная печать выдвигается за
рамки компьютера и переходит в сферу массового производства.
В
принтерах используются новые материалы, и они теперь могут делать вещи
большого размера. Но существует и другой подход к строительству, в
котором основное внимание уделяется программированию групповой динамики.
От координации большого количества простых вещей и направления их на
решение сложных задач возникает скалярный эффект, как у кораллов, в
ульях, муравейниках и в колониях термитов.
В Гарварде
осуществляется проект Robobees, цель которого - изучение
микроскопической робототехники, беспроводных систем датчиков и
композитных систем, позволяющих создавать роботов-насекомых, ведущих
себя подобно пчелиному рою. Участники данного проекта говорят о будущем,
в котором «управляемые и взаимодействующие между собой
роботы-насекомые» будут использоваться в сельскохозяйственном
производстве, в поисково-спасательных операциях и (конечно) в военной
разведке. А еще есть проект TERMES, авторы которого, подсмотрев идею у
строящих термитники насекомых, разрабатывают роботизированную систему
строительства на основе роевого интеллекта. Эта команда нацелилась на
создание рабочих роботов, которые будут коллективно делать вещи, по
размеру превосходящие их самих, используя правила, лежащие в основе
автономных рассредоточенных популяций. Майк Рубинштейн (Mike Rubenstein)
руководит другой гарвардской лабораторией под названием Kilobot,
которая создает «экономичную, масштабируемую роботизированную систему
для демонстрации коллективных действий». Его лаборатория совместно с
другими учеными, такими как Нэнси Линч (Nancy Lynch) из Массачусетского
технологического института, закладывает основы для создания асинхронных
рассредоточенных сетей и координации коллективных действий роботов на
основе роевого интеллекта.
Все эти проекты вызревают в
лабораториях университетов и компаний, но вполне возможно, что есть и
много других проектов, осуществляемых по всему миру в гаражах,
мастерских и прочих местах группами энтузиастов. Все они обобщают и
берут на вооружение эффективные и рациональные природные системы, сводя
воедино биологию и вычислительные операции. Глядя на химические
алгоритмы, на производство бактерий, на робототехнику на основе роевого
интеллекта и сопоставляя все это с нашим ресурсным дефицитом, с
деградацией окружающей среды и с человеческой безопасностью, мы можем
разрабатывать интригующие сценарии будущего.
Если исходить из
сценария линейного развития, то в следующем десятилетии мы будем
наблюдать устойчивый прогресс в молекулярном моделировании, новые
революционные достижения в создании бактерий с заданными свойствами,
наносистем, а также в гибридизации органических и неорганических
материалов. Начнется формализация накопленного программного материала из
области химических алгоритмов, синтетической биологии, что позволит
наладить сотрудничество между хранилищами биосинтетических
конструктивных шаблонов. 3-D принтеры будут совершенствоваться, чтобы
соответствовать требованиям производственников как по объему, так и по
масштабам. Когда 3-D принтеры начнут работать в таких областях, как
ремонт, ликвидация последствий стихийных бедствий и дистанционные
инженерные проекты, это даст толчок их дальнейшему развитию.
Лет
через десять грани между биологией и технологией начнут исчезать. На
уровне атома наносистемы будут соединять органические и неорганические
структуры, а биологи начнут проектировать первые сотовые компьютеры и
бактериальные принтеры. На макроуровне рои роботов станут более
совершенными, в их механическую конструкцию начнет все активнее
вторгаться биофизиология, а дальнейший толчок их развитию дадут легкие
сенсорные датчики и правила, лежащие в основе самостоятельности и
взаимодействия разных систем и веществ.
А если заглянуть еще
дальше за горизонт, то можно увидеть дальнейшее соединение биосистем и
компьютерных расчетов в рамках развития живого города. Бактерии будут
проектироваться таким образом, чтобы воздействовать на конкретные
материалы, например, на стареющий бетон. Попав в города, они будут
менять старые материалы на бактериальный клей, который будет иметь
рациональную сетевую структуру на основе расчетов. Другие бактерии будут
выполнять аналогичные функции по ремонту, модернизируя обветшавшие
трубопроводы и покрытия солнечных батарей. В экосистемы можно будет
также запустить протоклеточные компьютеры, которые будут распознавать
химические свойства материалов и передавать эту информацию в сети на
дистанционные пульты. Емкости с бактериями будут выкачивать топливо,
белковые ресурсы и воду.
Архитекторы будущего станут моделировать
системы, в конструкцию которых будут встраиваться биошаблоны. Таким
образом, будет решаться проблема ресурсной зависимости за счет
встраивания экосистем в имитационную окружающую среду. В их конструкции
будут использоваться восприимчивые мета-материалы. А биомиметические
материалы будут сжиматься, сгибаться, открывать и закрывать поры в
зависимости от состояния окружающей среды и перемещений населения. Рои
монтажников и строителей будут собирать специальные подмостки и леса, по
которым станут перемещаться бактерии, выращивающие каркасы зданий, их
сосудистую сеть, а также кожу, через которую вспомогательные рои
сантехников и электриков будут прокладывать свои сети. Принтеры станут
как пирожки печь системы кондиционирования, а также приспособления и
мебель из адаптивных материалов. Архитектура утратит свою формальную
жесткость и неподвижность, станет мягче, гибче и ближе к тому, что мы
наблюдаем в жизни растений.
Этот рассказ - просто предположение о
том, как все будет развиваться на основе нынешних тенденций. Но
устойчивое сближение биологии и компьютерных расчетов неизбежно приведет
к тому, что мы станем ближе к природным системам. Точное проектирование
программируемых материалов и подходящая среда для имитации и быстрого
создания прототипов приведут к возникновению совершенно новых видов
материалов для создания мира завтрашнего дня.
