مقاله الگوبرداری از طبیعت در ساخت مصالح هوشمند

بخشی از مقاله

الگوبرداری از طبیعت در ساخت مصالح هوشمند

چکیده

از گذشتههای بسیار دور، بشر رابطه ای تنگاتنگ با طبیعت داشته و عوامل طبیعی همواره در طول تاریخ بشریت، اصلی مهم و اساسی برای الگوبرداری از طبیعت بوده که در بسیاری از راهبردهای منتهی به خلاقیت معماری تاثیرگذار بوده است. قابلیت تغییر رنگ خزندگان در استتار آنها، اثر نوری پولکهای پروانه از طریق تأثیراتی چون شکست نور، توانایی تغییر رنگ در پوست انسان هنگام ضربه، قابلیت خود ترمیمی استخوانهای آسیب دیده انسان و بازگشت به حالت اولیه؛ همه و همه الگوها و ایدههایی از عناصر طبیعی هستند که راهنمای بسیار خوبی برای طراحان در ساخت مواد و مصالح هوشمند سازگار با محیط زیست بوده است. در حقیقت مصالح هوشمند مصالحی هستند که رویدادهای محیطی را حس و اطلاعات به دست آمده را پردازش کرده و نسبت به محیط و شرایط واکنش مناسب را (با تغییر شکل، اندازه، رنگ، ماهیت و یا برعکس ایجاد تغییر در محیط نشان میدهند) بهعبارتی دارای توانایی ذاتی در جهت پاسخگویی سریع به محیط هستند.

در این نوشتار نگارندگان با بهرهگیری از روش تحلیلی- توصیفی و رجوع به اسناد کتابخانهای، ابتدا به معرفی منابع الهامبخش موجود در طبیعت پرداخته و با بررسی نمونه های مختلف مانند، درختان، پوست خزندگان، زندگی حشرات و .... و الهام از آنها در طراحی مصالح هوشمند متأثر از طبیعت به عوامل طبیعی موثر در خلق مصالح هوشمند پرداختهاند.

امید است که شناخت ایدههای متأثر از طبیعت در طراحی مصالح هوشمند، طراحان آثار معماری را در بهکارگیری این مصالح و بهرهمندی از مزایای آنها، بهویژه مزیت بهینهسازی و مدیریت هوشمند انرژی منتج از مصالح یاد شده، ترغیب نماید.

واژههای کلیدی: طبیعتگرایی، فرمهای طبیعی، خودترمیمی، مصالح هوشمند

1

مقدمه

طبیعت، همواره یکی از بهترین منابع الهام بشر در مسیر پیشرفت بوده است. انسان از بدو پیدایش از طبیعت آموخته و فرآیند و ساز و کارهای طبیعی را سرلوحه خود قرار داده است [1] طبیعت به عنوان الگو، همیشه و در همه جا حاضر، به مثابه ابزاری برای الهام بخشی، در بسیاری از راهبردهای منتهی به خلاقیت معماری تاثیرگذار بوده است. حضور آن در استعاره، تقلید، تغییرپذیری فرم و نیز در مصالح آشکار است. مردم و معماران از زمانهای دور، با رویکردهایی درست، به آن احترام گذاشته و آن را مورد مداقه قرار دادهاند و بهعنوان ابزار الهام بخش مورد توجه قرار دادهاند. [2]
دنیای پرجاذبه طبیعی منبعی بسیار غنی برای نوآوری و الهامبخشی بزرگ برای همه هنرمندان از جمله طراحان و مهندسان بوده است. صدای حرکت آب در رودخانهها، رنگهای خیره کننده رنگینکمان، ریتم منظم برخورد امواج دریا با صخرهها، ساختار هوشمند کندوی زنبور عسل، تنها تعدادی از رویدادهای طبیعی هستند که باعث الهامبخشی و نوآوری در آثار ساخته بشر شدهاند. [3]

خداوند در بسیاری از آیات خود توجه بشر را بهسوی طبیعت سوق داده و آن را الهامبخش انسانها معرفی کرده است. در آیه 101 سوره یونس میخوانیم:

"بگو در آسمانها و زمین به چشم عقل و دیده بصیرت بنگرید تا بسیاری آیات یکتایی حق و ادله قدرت خدا را مشاهده کنید ... "
طبیعت مواد خام را برای شکلگیری وجوه اصلی معماری فراهم آورده و فرمهای معماری هم به شکلی که امروزه میبینیم از درون همین وجوه رشد کردهاند و با آنکه قرنهاست سمت و سوی فعالیت ما ،عمدتاًپش ت کردن به طبیعت و جستجوی الهام در کتابها و چسبیدن کورکورانه و بردهوار به فرمولهای خشک و مرده بوده است اما گنجینه الهامات طبیعت تمام ناشدنی است و چنان غنی که هرچه از آن بردارند باز پایانی ندارد. بهطوریکه امروزه بعد از گذشت سالها طبیعت همچنان الهام بخش دانشهای جدید علم مهندسی چون ساخت بناهای تغییرشکلپذیر با مصالح هوشمند میباشد. آنچه که نمونههای فراوان آن را میتوان در بسیاری از ساختارهای گیاهان و جانوران دید و چنان است که طبیعت با وجود بررسیهای چندین ساله بشر تحت نام علم بیومتیک که توسط لئوناردو داوینچی در قرن پانزدهم بنیانگذاری شد [4]، همچنان رازها و آموزههای بسیاری را برای گفتن دارد بهطوریکه با پیشرفت علم و صنعت هر روز بیشتر میآموزیم که در زمینههای مختلف بهترینها را میتوان از طبیعت انتظار داشت، بهترین دارو، بهترین غذا، بهترین شرایط زیست و در نهایت بهترین ساختمان!. [5]

در مجموع میتوان گفت طبیعت اصول بنیادی، در ایجاد فرمهای خلاقانه و متنوع خود دارد که به موارد زیر اشاره میکنیم:

-1 استفاده بهینه از مصالح؛
-2 بیشینهسازی حجم فضای محصور؛

-3 بیشینهسازی توان سازهای؛
-4 بالاترین نسبت استحکام به وزن؛ -5 استفاده از تنش و کرنش بهعنوان مبنای کارآیی سازهای؛

-6 ایجاد محیطهای کار از لحاظ انرژی، عایق خوب و راحت بدون نیاز به انرژی بیرونی؛ -7 ایجاد فرمهایی برای بهبود سیرکولاسیون هوا؛ -8 استفاده از مصالح موجود در محل برای ساخت؛

-9 استفاده از فرمهای منحنی شکل برای پراکنده سازی؛ -10 افزایش کارآیی آیرودینامیکی توسط فرمهای سازه؛ -11 عدم تولید مواد سمی و مضر برای محیط؛

-12 طراحی سازههایی که به تنهایی توسط یک ارگانیزم قابل ساخت باشد. [6]

2

با توجه به اصول بنیادی گفته شده و با نگاهی به ساختارهای طبیعی موجود در اطراف خود میتوانیم نمونههای فراوانی از ساختارها با قابلیت تغییر فرم و شکل را ببینیم. در بررسی این ساختارها میتوان قابلیت تغییرپذیری آنها را در سه دسته کلی مورد بررسی قرار داد که در ادامه به توضیح گزینه سوم (تغییر خاصیت سطوح: تغییر رنگ، نور و ...) و نیز نمونههای موجود در طبیعت میپردازیم.

-1 تطبیق با طبیعت از طریق تغییر خاصیت سطوح

پیدایش علم نورس مواد هوشمند، توجه بسیاری از محققان را به سوی مواد بیولوژیک متمرکز کرده است، زیرا آنها بر آن هستند که از خصوصیات و نحوه رشد این مواد طبیعی تقلید کنند و مصالح مهندسی جدیدی را بیافرینند. مواد بیولوژیک با قدمت چهار بیلیون سال در طبیعت میتوانند سرچشمه خلق مواد هوشمند مصنوعی از طریق تغییر خاصیت سطوح باشند. در این بخش از مقاله الهامات و آموزههای طبیعی تأثیرگذار در ساخت مصالح هوشمند از نظر رنگ، شدت نور و ... مورد بررسی قرار میگیرد.

-1-1 الهام از طبیعت در ساخت مصالح با قابلیت تغییر رنگ

شاید یکی از جالبترین رفتارها در دنیای جانوران قابلیت تغییر رنگ خزندگان میباشد. قابلیتی که آنها را از بقیه موجودات متمایز کرده و جایگاه ویژهای نیز به آنها نزد انسانها بخشیده است. آفتابپرستها در بین جانوران به دلیل قدرت تغییر رنگ از شهرت خاصی برخوردارند؛ این توانایی در بسیاری از خزندگان شگفتانیزگ مناطق حارّه یا تروپیکال وجود دارد که البته کارشناسان میگویند: "استتار تنها نیمی از خصوصیات استثنایی خزندگان مناطق حارّه است؟ آنها موجودات بسیار توانمندی هستند. [8]

3

گریستوفر راکسورتی عضو موزه تاریخ طبیعی نیویورک درباره تغییر رنگ در جانوران میگوید: "رنگآمیزی در حیوانات در واقعی نوعی برقراری ارتباط و ارسال پیام است." راگسورتی، کاشف یکی از بزرگترین گونههای آفتابپرستهاست. بخشی از تحقیقات راکسررتی اختصاصاً بر روی ارتباط خزندگان با یکدیگر از روی رنگشان بوده است. در طی این تحقیقات او فهمیده است که تغییر رنگ در خزندگان، اغلب برای حفظ قلمرو و جفتیابی به کار میرود. بر طبق یافتههای اندرسون؛ قدرت تغییر رنگ آفتابپرستها به وسیله سلولهای خاصی انجام میشود که به آنها کروماتوفورس میگویند، این سلولها دیقاًدر قسمت زیرین لایههای پوستی آفتابپرستها قرار دارند. این سلولها خود از بخشهای مختلفی با انواع پیگمانها تشکیل شدهاند. خزندگان دارای سه لایه از کروماتوفرها هستند . لایه تحتانی ملانوفر نام دارد که حاوی پیگمانهای سیاه است. فضاهای بین سلولی به این پیگمانها اجازه حرکت داده و آنها به راه میافتند. این پیگمانها با اثر بر لایه بالایی باعث تغییر رنگ آن میشوند. این لایه که در واقع همان لایه میانی است گرانوفورس نامیده میشود. این لایه رنگ آبی دارد. لایه بالایی هم به زانتورونورس معروف است که پیگمانهای زرد و قرمز را در بر میگیرد. [8]

اندرسن معتقد است حرکات محیط اطراف باعث تغییر رنگ در پوست آفتابپرستها میشود، او می گوید:" نقطه آغاز این تغییر یک حرکت عصبی است که پیگمانها را به حرکت درمیآورد. در واقع این اتفاق یک مکانیزم کنترل عصبی است." [8]

راکسورتی رفتارشناس موزه تاریخ طبیعی آمریکا میگوید: "پی بردن به این مسئله که آفتابپرستها چهطور و چهموقع تغییر رنگ میدهد موضوعی است که محققان از دهه 1960 به نوعی در پی کشف آن هستند. تغییر سریع رنگ خزندگان به شکلی سریع که در زمان برخورد آنها با یکدیگر کمتر از 10 ثانیه به وقوع می پیوندد بسیار شگفت انگیز است."او اضانه میکند:" اگرچه این تغییرات نقش بسیار مهمی را در پنهان شدن یا آمیختن آنها با محیط اطرافشان ایفا می کند ولی این اتفاق بیشتر وقتها به منظور شناسایی دشمن به وقوع میپیوندد." [9]

تصویر:1 توانایی تغییر رنگ مارمولک باتوجه به شرایط محیط، منبع: (www.noandishaan.com)

نمونه بارز دیگر از توانایی تغییر رنگ در طبیعت را میتوان در پوست انسان دید که هنگام ضربه و یا آسیب به بخشی از آن، رنگ آن قسمت تغییر میکند و این خاصیت در سال 1980 توسط دانشمندان جهت ساخت روکشهای حساس به ضربه که امروزه در مسابقات ورزشی کاربرد گستردهای دارد، استفاده شد. [7]

تصویر :2 رنگآمیزی دیوار سفید گالری Magnusmuller در برلین آلمان در سال 2005 با رنگ ترموکرومیت که بر اثر حرارت ناشی از تماس بازدیدکنندگان و یا تغییر حرارت محیط دچار تغییر رنگ میشود، منبع: (Birkhauser, 2007: 86)

4

-1-1 الهام از طبیعت در ساخت مصالح با قابلیت تغییر شدت نور

نمونه جالب توجه در این حوزه پروانه میباشد. پولکهای پروانه اثر نوری خود را از طریق تأثیراتی چون شکست نور، تداخل امواج چند لایه، پخش نور و فلئورسانس تولید میکند، چشم این حشره جهت حفاظت وی هنگام شب از دست دشمن این قابلیت را دارد که از انعکاس نور که باعث جلب توجه دشمن میشود جلوگیری کند. [10] درخشش متناوب رنگ آبی بال پروانهها، بیشتر به علت بازتاب نور از روی آن است تا رنگدانههای خود بال. بال پروانه با پوششی از ساختارهای نانو، پوشانده شده که نور را بازتابانیده و طی انجام فرآیندی مشابه تداخل (پراش) نور، اثر بصری تمامی رنگها به جز آبی را از بین می برد. [1]

تصویر :3 انعکاسات مختلف از بال پروانه باعث ایجاد رنگهای متنوع در آن میشود، منبع: (گلابچی، (35 :1391

از دیگر نمونههای جالب کنترل نور در طبیعت میتوان به ساخت مادهای به نام "پروپولیس" توسط زنبور عسل جهت مسدود کردن شکافهای لانهشان اشاره کرد. پروپولیس یک نوع سیمان میباشد که خود زنبورهای عسل به وجود میآورند و همانند یک شیشه ضخیم عمل کرده و هنگام غروب آفتاب که آخرین اشعه خورشید به این شیشه میتابد، روشنایی آفتاب بهمثابه اینکه از یک منشور بلورین عبور میکند و به رنگهای مختلف تقسیم میشود و این منظره بهخصوص در روزهای بارانی بسیار دیدنی است. [12]

تصویر :4 سیمان پروپولیس ساخته شده توسط زنبور عسل، منبع: (www.daneshnameh.roshd.ir)

-3-1 الهام از طبیعت در ساخت مصالح با قابلیت تولید، ذخیره و یا تغییر صورت انرژی

از نمونههای بسیار برجسته قابلیت ذخیره انرژی در طبیعت، میتوان به عمل فتوسنتز در برگهای گیاهان اشاره کره که از انرژی خورشیدی جهت ادامه حیات گیاه استفاده میشود. در برگها مولکولهای جمع کننده انرژی خورشیدی بهنام گلروفی وجود دارند که میتوانند انرژی خورشیدی را به انرژی شیمیایی تبدیل کنند. [7] هر گیاه سبز یا باکتری فتوسنتزی،

5

دیاکسیدکربن، آب و نور خورشید (بهعنوان منبع انرژی فرایند) را جذب کرده و آنها را تبدیل به اکسیژن و قند می کند. بازدهی این فرآیند شگفت آور طبیعی، حدود 95درصد است. [1] این پدیده الهامبخش ساخت و توسعه پلیمرهای سلولهای خورشیدی بوده که امروزه توسط کارخانجات مختلف در سراسر دنیا تولید میشوند. [7]

تصویر :5 ساختار کلروپلاست، صفحات تایلاکوئید، شامل رنگدانههایی در مقیاس نانو

نمونهای دیگر نوری است که توسط بعضی از حشرات مانند کرمهای شبتاب و برخی نرمتنان دریایی تولید میشود و جالب است که بدانیم برخلاف نوری که انسان توسط مولدهای برقی تولید میکند و کارآیی %100 ندارد نور تولید شده توسط کرم شبتاب کارآیی %100 داشته و هیچ گرمایی به وجود نمیآورد. [12]

-4-1 الهام از طبیعت در ساخت مصالح قابل برگشت به حالت اول (قابلیت خودترمیمی)

یکی از مهمترین ظرفیتهای مواد طبیعی توانایی آنها در تعمیر نقاط آسیب دیده خود میباشد؛ که در یک مقیاس کوچک توسط استخوانهای ویژهای بین مولکولهای آسیب دیده رخ میدهد. آنچه که نمونههای فراوان آن را در چوب و یا استخوانبندی بدن موجودات زنده دیدهایم که بعد از شکستن و یا تغییر فرم یافتن توانستهاند دوباره به فرم اولیه خود باز گردند. [7]

استخوان این امکان را دارد که پیوسته خود را بازسازی کرده و بخشهای آسیبدیده را از بین ببرد و استخوان جدید را جایگزین آن کند. فرآیند ترمیمی استخوان شکسته با قطع خونرسانی به استخوان آسیب دیده آغاز میشود و سلولهای آسیب دیده میمیرند. پیش از اینکه فرآیند خون رسانی مجدد آغاز شود، این محدوده، از سلولهای آسیب دیده و مرده پاک میشود. این سلولها، ماده اولیهای هستند برای سلولهای دیگر، که حتی غضروف، بافت الیافی و استخوان جدید میسازند. پوست بدن نیز از شناختهترین سیستمهای دارای قابلیت خودترمیمکنندگی است. که بعد از زخم شدن با شکلگیری یک لخته خون بر روی قسمت زخم آغاز میشود تا از ورود مواد شیمیایی ناخواسته به درون بدن و تماس آنها با بافتهای سالم بدن پیشگیری کند. [1]

امروزه دانشمندان با سرلوحه قرار دادن فرآیند خودترمیمشوندگی استخوان، ساز و کاری مشابه را برای بتن پیشبینی کردهاند. بر این اساس که میکروکپسولهای حاوی عامل ترمیم کننده و یک عامل محرک شیمیایی (کاتالیزور) را به طرح اختلاط بتن اشافه میکنند. با پیشروی ترک در ساختار بتن، بدنه میکروکپسولهای مذکور خراب شده و ماده محتوای آنها آزاد میشود. به محض تماس پیدا کردن عامل ترمیم کننده با کاتالیزور، فرآیند ترمیم آغاز میشود.