Трудове навчання (обслуговуючі види праці). 9 клас. Терещук

§ 23. Основи проектної діяльності

Пригадайте...

  • Що таке проектування?
  • Які методи використовують під час створення нових речей?
  • Як ви розумієте термін «біоформа» у проектуванні і виготовленні речей?
  • Як біоформи можна використовувати у проектуванні виробів?

Що таке біоніка

Засновник корпорації Apple Стів Джобс стверджував: «Інновації ХХІ ст. з'являться зі сфери перетину біології та технології. Починається нова епоха - так само, як починалася цифрова доба в той час, коли мені було стільки ж років, скільки моєму синові». Саме такою інноваційною наукою, яка досліджує дивовижні функції живих організмів і застосовує їх для створення технологій та речей, є біоніка.

Офіційним народженням біоніки вважають 13 вересня 1960 р., коли у місті Дайтоні (США) відбувся симпозіум з використання знань про живі організми для вдосконалення технічних систем. Гаслом біоніки у техніці став вислів: «Живі прототипи - ключ до нової техніки!». Утім, за великим рахунком, біоніку можна вважати найдавнішою наукою, адже людина завжди - свідомо чи несвідомо - наслідувала природу, вчилася у неї.

Біоніка (грец. bion - комірка життя) - наука про створення пристроїв, приладів, механізмів або технологій, ідея та основні елементи яких запозичуються із живої природи.

В англомовній літературі більше поширений термін біоміметика (грец. bios - життя і mimesis - наслідування).

Біоміметика відкриває нову епоху, засновану не на тому, що ми можемо взяти у природи, а на тому, чого ми можемо вчитися у неї.

Жанін Баню, біолог і еколог

Чому вчених приваблюють живі організми і природні конструкції? По-перше, вони енергоефективні. Живі організми здатні до життєдіяльності за споживання мінімальної кількості енергії, що пояснюється унікальним метаболізмом тварин і обміном енергією між різними формами життя. Запозичуючи у природи інженерні рішення, можна істотно підвищити енергоефективність сучасних технологій.

По-друге, вони якісні. Наприклад, матеріал оленячого рогу значно міцніший від найкращих зразків керамічного композиту, які вдається розробити людям.

По-третє, їхній дизайн досконалий, оскільки його створила сама природа. По-четверте, вчені вивчають адаптивність живих організмів. Форма біологічного об'єкта зазвичай створюється в результаті тривалої адаптації, з урахуванням багаторічного впливу як дружніх, так і агресивних чинників. Процеси росту й розвитку включають регулювання на клітинному рівні.

Губчаста тканина стегнової кістки

Класичним прикладом запозичення конструкторських ідей у природи є Ейфелева вежа.

1848 р. швейцарський професор анатомії Герман фон Маєр досліджував кісткову структуру головки стегнової кістки. Він виявив, що губчаста тканина заповнює порожнину стегнової кістки не суцільно, а у вигляді сітки: існують численні мікроскопічні опорні точки, по яких навантаження розподіляється на головку стегнової кістки, а потім на всю кістку. Ця сітка мала чітку геометричну структуру.

1868 р. швейцарський інженер Карл Кульман описав це явище за допомогою математичних формул. За 20 років природний розподіл навантаження використав інженер Олександр Гюстав Ейфель, перед яким постало завдання спроектувати споруду, яка була б високою, міцною, легкою, долала силу вітру.

Структура розподілу навантажень у стегновій кістці. Рисунок зі спільної публікації інженера К. Кульмана та анатома Дж. Вольфа

Конструкція Ейфелевої вежі повторює будову стегнової кістки людини, яка витримує навантаження всього тіла. Кути між тримальними поверхнями вежі збігаються з кутами балок губчастої тканини. Губчаста тканина тверда і вирівняна в тих місцях, де навантаження найсильніше, і атрофована там, де його немає. Відтворивши таку структуру, Ейфель використав мінімум матеріалів (вага вежі 9700 т за висоти 312 м). Водночас вежа достатньо стійка до зовнішніх впливів: завдяки кутам зовнішніх ліній вежі вітри спрямовуються переважно згори донизу - до її більш міцної основи, а не навпаки (навіть за сильного вітру відхилення башти від вертикалі не перевищувало 12-15 см).

Ейфелева вежа

Леонардо да Вінчі під час конструювання своїх винаходів також використовував форми живої природи. Однак його літальний апарат з рухомими крилами, орнітоптер, не полетів - ще не були відкриті закони аеродинаміки.

Орнітоптер Леонардо да Вінчі

Це доводить, що біоніка - не просто зовнішнє копіювання, а поетапне дослідження. Спочатку вчені досліджують, як діє той чи той орган, його будову, перебіг процесів (наприклад, аналізатори тварин, нейронні мережі тощо). Далі - виражають усе це мовою математики, моделюють - і аж потім намагаються відтворити в об'єктах, технологіях тощо (вдосконалити обчислювальну техніку, створювати різноманітні автоматизовані пристрої тощо).

З огляду на це виокремлюються три напрями, за якими розвивається біоніка як наука:

біологічна біоніка (досліджує процеси в живих організмах як у біологічних системах);

теоретична біоніка (описує ці процеси за допомогою математичного моделювання);

технічна біоніка (втілює створені моделі в технічних пристроях і виробах).

Біоніка як синтез різних галузей знань

Біоніка об'єднує знання з різних наук та галузей людської діяльності - біології, математики, фізики, хімії, кібернетики, медицини тощо. Сьогодні основні напрями робіт з біоніки охоплюють такі проблеми:

• вивчення нервової системи людини і тварин та моделювання нейронів та нейронних мереж для подальшого вдосконалення обчислювальної техніки та розробки нових елементів і пристроїв автоматики й телемеханіки;

Робот-маніпулятор фірми Festo. Робоча зона промислового маніпулятора імітує хобот слона

Приклад. Якщо ви шукаєте зображення за допомогою Google, дивитеся відео, які рекомендує YouTube, вдаєтеся до машинного перекладу, - то ви використовуєте нейронні мережі. Структура нейронної мережі прийшла в програмування з біології. Завдяки їй машина отримує можливість не тільки аналізувати і запам'ятовувати різну інформацію, а й вчитися. Нейронні мережі використовують для вирішення складних завдань, які вимагають аналітичних обчислень, подібних до тих, що виконує людський мозок. Найпоширенішими застосуваннями нейронних мереж є класифікація, розпізнавання, передбачення.

• дослідження органів чуття й інших сприймальних систем живих організмів з метою розробки нових датчиків і систем виявлення;

Приклад. Очі сарани надихнули вчених на створення комп'ютеризованих систем, що дозволяють мобільному роботу уникати зіткнень з об'єктами, що наближаються. При цьому не потрібні складні радари та інфрачервоні датчики. Дослідники намагаються застосувати такі технології до автомобілів, оснащуючи їх точними і швидкими системами попередження, що знижують ризик ДТП.

• вивчення принципів орієнтації, локації і навігації у різних тварин для використання їх у техніці;

Приклад. За результатами досліджень поведінкових моделей риб створено робокари, які можуть рухатися в групі, не стикаючись одне з одним. Ці розробки - важливий етап до створення автомобілів, що виключають зіткнення, сприяють руху без заторів на дорогах.

• дослідження морфологічних, фізіологічних, біохімічних особливостей живих організмів для розробки нових технічних і наукових ідей.

Приклад. Застібка «Велкро», що діє за принципом реп'яха; матеріали костюмів для плавців, обшиття для літаків, відправною точкою для яких слугувала шкіра акули тощо - це хрестоматійні приклади.

З розвитком нанотехнологій почався новий етап: розробка нанокомпозитів для створення штучних судин, клапанів серця, очних кришталиків, сухожиль тощо; створення матеріалів із заданими властивостями.

Якось швейцарський інженер Жорж де Местраль (1907-1990) звернув увагу на реп'яхи, які він віддирав від шерсті свого собаки та від своїх штанів після прогулянки. Подивившись на реп'ях під мікроскопом, він помітив там безліч гачків. Інженер вирішив створити застібку подібної конструкції. Від ідеї до втілення минуло сім років. Застібка «Велкро» («липучка») (фр. Velcro: velour - оксамит; crochet - гачок) утворюється шляхом прошивання нейлонової тканини при нагріванні, у результаті чого формуються невеликі, але міцні гачки.

Щоб побачити найвеличніші будови, потрібно просто звернутися до природи, - вважав видатний іспанський зодчий, яскравий і оригінальний представник органічної архітектури в європейському модерні Антоніо Гауді. З дитинства Гауді був спостережливим, закоханим у природу. Це позначилося на його творчості - улюбленими матеріалами майстра стали камінь, кераміка, дерево та коване залізо.

Усього у творчому доробку архітектора 18 споруд, і більшість із них розміщені в Барселоні (Іспанія). Саме завдяки Гауді це місто стало відомим на весь світ.

Особливість стилю Гауді полягає в тому, що органічні, природні форми (хмар, дерев, скель, тварин) стали головним джерелом натхнення під час вирішення художньо-оформлювальних і конструктивних завдань.

Будинок Бальо у Барселоні - реконструкція старої будівлі. Дах нагадує за структурою спину дракона, а побудований як риб'яча луска, балкони мають форму очей, будинок майже без гострих кутів.

Будинок Міла. Творчим натхненням для Гауді у створенні цієї споруди були скелі острова Мальти.

Найамбітнішою роботою архітектора став храм Святого Сімейства. Гауді взяв на себе керівництво проектом у 1883 р., а закінчити будівництво мають у 2026-му, через сто років після його смерті. Інтер'єр храму навіяний ідеєю лісу. Колони, схожі на дерева, розгалужуються ближче до даху, підтримуючи його, а закріплене на них зелене й золоте скло відбиває світло з вікон. Величезні кольорові вітражі, крізь які проникає сонячне світло, підсилюють відчуття, ніби ви стоїте на лісовій галявині.

Храм Святого Сімейства

Як біоніка допомагає створювати інтер'єр приміщення

Біоніка як метод створення предметного середовища дотримується основного правила природи: між формою і функціональністю будь-якого предмета існує реальний зв'язок. Тобто форма, будова предмета, створеного природою, насамперед зумовлена тим, як функціонує цей предмет.

Від функцій до форми і до закономірностей формотворення - основний принцип біоніки в інтер'єрі.

У створенні інтер'єру приміщення можна визначити такі біонічні принципи.

1. Природні обриси предметів та деталей інтер'єру

У природі не існує ідеально прямих і рівних ліній, гострих кутів чи надмірно загострених виступів. Усі об'єкти, створені природою, мають м'які та плавні обриси. «Людина створила гострі кути, а Господь - коло», - так висловлювався Антоніо Гауді, коли його запитували про майже повну відсутність кутів у його будівлях. Тому природний інтер'єр завжди характеризується плавними обрисами.

Природні обриси предметів та деталей інтер'єру

2. Природні кольори предметів інтер'єру

Цей принцип є продовженням попереднього і стосується кольористики інтер'єру. У природі не існує надмірної насиченості кольорів чи різкої контрастності. Кольорові рішення різного типу ширм чи перегородок у кімнаті мають бути ледве помітними, ніби розчинятись у просторі приміщення. А, наприклад, блискучий сталевий змішувач для води у ванній кімнаті має ніби зливатися зі струменем води, бути її продовженням. Кольори в біонічному стилі - білі та бежеві з м'якими відтінками. Можливі і яскраві включення кольорів, однак такі, що є поширеними у природі: насичений блакитний, жовтий, червоний тощо.

3. Відсутність чітких зон і обмежень у кімнаті

Природі властива інтеграція (об'єднання) на противагу поділу і розмежуванню. Одна форма поступово переходить в іншу без чітких кордонів чи зон. Цьому принципу відповідають просторі квартири-студії, в яких зони відпочинку чи робочі зони є умовними або неакцентованими, відділяються неповною стіною чи позначаються лише кольором або формою.

Відсутність зонування

4. Використання у створенні предметів інтер'єру екологічних та природних матеріалів

Дизайнери, створюючи «природний» предметний інтер'єр, зокрема меблі, досить часто використовують необроблені природні матеріали, як-от: гілки дерев, очерет тощо.

Так, використовуючи техніку лозоплетіння, дизайнер Кеннет Кобонп'є створює меблі з бамбуку та очерету. Спинка крісла виглядає природно - здається, що з крісла виростає трава.

Меблі американського дизайнера Кеннета Кобонп'є

Крісло у формі гнізда (дизайнер Ніна Брун) наслідує природний аналог. Воно виготовлене з тонких березових смужок, має звичні для крісел ніжки і м'яке сидіння.

Крісло-гніздо данського дизайнера Ніни Брун

Основним методом біодизайну, тобто процесу розробки нових моделей на основі біологічних форм, є метод функціональних аналогій.

Спочатку дизайнер уважно спостерігає за природними об'єктами, проводить порівняльний аналіз живих об'єктів і об'єктів, створених людьми.

На підставі проведеного аналізу роблять висновки про доцільність застосування тих чи інших характеристик живих об'єктів для створення або вдосконалення технічних об'єктів. Метод функціональних аналогій універсальний, тому що його можна застосовувати в різних галузях людської діяльності.

Запропонуйте власні варіанти використання елементів природи в дизайні одягу, його деталях, адже назва окремих елементів швейних виробів часто вказує на їхній природний аналог.

Практична робота

ВИКОНАННЯ ЕСКІЗУ ПРЕДМЕТІВ ІНТЕР'ЄРУ НА ОСНОВІ ПРИРОДНИХ ОБ'ЄКТІВ

Матеріали та інструменти: підручник, додаткові інформаційні джерела, папір формату А4, зошит, ручка, кольорові олівці.

Послідовність виконання роботи

1. Розгляньте приклади використання природних форм під час створення предметів інтер'єру.

І. Столик Sirfo, виконаний відомим італійським архітектором і теоретиком дизайну Алессандро Мендіні.

Кришка столика нагадує скляну поверхню води. Шия гуски трансформувалась у ніжку виробу, причому нижня її частина нагадує тулуб птиці, що робить столик стійким і водночас витонченим. Дзьоб гуски теж використано - перетворено у конструктивну деталь, яка тримає і з'єднує кришку столика з його ніжкою.

ІІ. Ручка для дверей Twitty японського дизайнера Томо Кімури, стилізована під горобця. Виріб виготовляють з олова і, оскільки він має нетрадиційну форму, його відливають за старовинною технологією на італійській фабриці Colombo Design.

2. За наведеними прикладами виконайте замальовки предметів інтер'єру (стілець, диван, меблевий столик, підставка, стіл тощо) на основі природних об'єктів. Роботу виконайте на окремому аркуші паперу простим олівцем або у кольорі.

Запитання та завдання для повторення

  • 1. Що таке біоніка?
  • 2. У яких напрямах розвивається біоніка?
  • 3. Чи тотожна біоніка імітації природи?
  • 4. Які основні напрями досліджень охоплює біоніка?
  • 5. Назвіть основні принципи, на які спирається біоніка під час створення інтер'єру приміщення.

Творче завдання на вибір

Уявіть себе юними дизайнерами одягу та створіть ескіз нової моделі сукні з використанням біоформ природи. З додаткових джерел доберіть природні елементи (квіти, метелики, фрукти тощо) і виберіть для себе те, що надихатиме на створення нової моделі. Виконайте ескіз одягу з використанням біоформ за планом:

  • 1. Розгляньте і проаналізуйте основні характеристики природного об'єкта: загальна форма окремих елементів, пропорції, ритм.
  • 2. Прийміть рішення про доцільність використання певних характеристик природного об'єкта для розробки нової моделі виробу.
  • 3. Розробіть ескіз нової моделі (сукні, костюма).
  • 4. Поміркуйте, який матеріал краще використовувати для вашої моделі (легкі, тонкі тканини, які легко драпіруються, чи тканини, які добре тримають форму).
  • 5. Обґрунтуйте вибір моделі (відповідність модним тенденціям, оптимальність форм, естетичність).