مقاله طراحی نمای هوشمند ساختمان با استفاده از ساختار پیله ی کرم ابریشم و کنترل عناصر اقلیمی

بخشی از مقاله

طراحی نمای هوشمند ساختمان با استفاده از ساختار پیله ی کرم ابریشم و کنترل عناصر اقلیمی

چکیده

انسان همواره بر طبیعت تاثیرگذاشته و از آن تاثیر پذیرفته است. هر جاندار کنونی روی کره زمین محصول نهایی دوهزار میلیون سال تکامل است و این تکامل مکانیسم هایی به وجود آورده که می توان از آن ها نسخه برداری کرد.بیونیک هنر به کار گرفتن دانش سیستم های زنده برای حل مسائل فنی است. این مقاله با رویکرد راه حل محور به دنبال الگوبرداری از عملکرد پیله ی کرم ابریشم می باشد. پیله کرم ابریشم علاوه بر حفاظت فیزیکی از شفیره قادر به کنترل میزان رطوبت داخلی، اکسیژن برای رشد شفیره نیز می باشد. اختلاف دمایی در داخل پیله همواره کمترین مقدار ممکن بوده است و حتی پیله قادر است در محیطی با بیشترین اختلاف دما در طول شب و روز اختلاف دمای داخل را کنترل نماید. این ویژگی ها به علت ساختار منحصربفرد پیله است. در این مقاله دو گونه پیله ی بوم بیکس موری1 وآنتریا پرنی2 مورد بررسی قرار گرفته است. که به ترتیب از گونه ی اهلی و گونه ی وحشی می باشند. ساختار لایه ای جداره، میزان تراکم رشته های پیله و قطر آن ها، میزان هوای محبوس در جداره، ضخامت جداره، میزان تخلخل و پیچ و خم های لایه درونی و بیرونی و حضور عناصر اضافی نظیر بلورهای کلسیم اگزالات در پیله بر نحوه عملکرد آن موثر است. آنچه مورد توجه قرار گرفته این است که تفاوت در محیط زندگی انواع شفیره منجر به تفاوت در ساختار پیله ها می شود. پیروی ساختار پیله از محیط زندگی اش منبع الهامی برای طراحی پانل های هوشمند برای جداره ی ساختمان شد. فاصله ی بین لایه های تشکیل دهنده ی پانل ها قابل تغییر است. در حالت بسته مانند جداره ای بدون بازشو و با عملکرد عایق رفتار می کند و در حالت باز شده مانند پنجره امکان تهویه ی هوا و ورود نور را فراهم می آورد در واقع با تغییر فواصل لایه ها، امکان کنترل عناصر اقلیمی از قبیل نور، رطوبت و باد برای ساختمان فراهم می گردد. این سه عوامل بر انسان و در نتیجه بر منطقه آسایش تاثیر می گذارند.

-1 مقدمه:

ارتباط انسان و طبیعت، از لحظه ای که او پای بر کره خاکی نهاده، شکل گرفت. انسان همواره علاوه بر تاثیرگذاری برطبیعت از آن نیز تاثیر پذیرفته است.(سهیلی و جوادی(1393 حیات در هر مرحله و با هر تغییر عظیمی که در اوضاع محیط زیست به وجود آمده از پیشرفت بازنمانده است، زیرا راه حل های به ظاهر ممتاز را که مدت زمان درازی کامیاب بوده اند از نو ارزیابی کرده است. (ژراردن 1379، (15 ابتدا باید به اصول کار هر چیزی در طبیعت پی برد و سپس از این شناخت و آگاهی برای طراحی و ساختن چیزهای دیگر استفاده کرد. این تنها راه واقعی تقلید از طبیعت است که پیشرفت را بر می انگیزد. (ژراردن 1379، (18 در این مقاله پس از توضیح مختصر در خصوص علم بیونیک، تحقیقات زیست شناسی در خصوص پیله کرم ابریشم بیان می گردد. پیله کرم ابریشم ویژگی های منحصربفردی از خود به نمایش می گذارد و شرایط مطلوب رشد شفیره را فراهم می آورد. میزان رطوبت، اکسیژن و دمای داخل پیله توسط جداره کنترل می شود. در واقع ساختار جداره نقش مهمی را در ایجاد این شرایط برعهده دارد.

یکی از چالش های قرن اخیر در حوزه ی معماری، کاهش مصرف انرژی ساختمان در دوره ی بهره برداری است. طراحی و اجرای ساختمان با توجه به اقلیم منطقه در کاهش مصرف انرژی اثر گذار است. امروزه جهت پاسخگویی به شرایط متغیر و نیاز های ساکنین، ساختمان را هوشمند طراحی می کنند. ساختمان مانند سامانه ای زنده خود را با شرایط جدید وفق می دهد. این پویایی بر اساس شرایط اقلیمی سبب کاهش مصرف انرژی می گردد و در نتیجه گامی موثر در جهت معماری پایدار خواهد بود.

ساختار پیله ی کرم ابریشم متبع الهامی برای طراحی جداره ی هوشمند و متحرک ساختمان قرار گرفت. در این مقاله پانل هایی برای جداره پیشنهاد شده است که قابلیت پاسخگویی به شرایط متنوع اقلیمی دارد و میزان ورود نور و باد را به خوبی کنترل می کند و به شرایط آسایش ساکنین از جمله میزان دمای هوا، نیاز به تهویه و... پاسخ می دهد.

-2 بیونیک:

طبیعت شامل مواد، اشیا و فرایندهایی است که از مقیاس بزرگ تا مقیاس بسیار ریز نانو را در برمی گیرد .(Bhushan 2012) هر جاندار کنونی کره زمین محصول نهایی دو هزار میلیون سال تکامل است. در این فاصله ی زمانی بسیار زیاد، انتخاب طبیعی، هر چه را که با هدف ویژه اش سازگاری رضایتمندانه نداشته از بین برده است. تکامل موجب پیدایش مکانیسم هایی شده است که می توان از روی آن ها نسخه برداری کرد. (ژراردن 1379، (15 بیونیک علم سیستم هایی است که شالوده ی آن ها سیستم های زنده اند، یا خصوصیت های سیستم های زنده را دارند، یا به سیستم های زنده می مانند. بیونیک عبارت است از هنر به کار گرفتن دانش سیستم های زنده برای حل مسائل فنی. (ژراردن 1379، (12 پدیدار شدن گرایش بیونیک امکان تقلید کردن از زیست شناسی و طبیعت را می دهد تا از این طریق سبب توسعه مواد، اشیا و فرایندها گردد. مصالح و سازه های الهام گرفته شده از طبیعت با محیط زیست سازگار هستند و یا سبز هستند و کمترین تاثیر را بر محیط زیست می گذارند. ( Bhushan 2012)

پس از جنگ جهانی دوم و آغاز دهه شصت قرن بیستم، تبادل علمی بین گرایش های علوم طبیعی و فنی رونق گرفت. در جریان همایشی در اوهایو، که نیروی هوایی آمریکا در سال 1960 برگزار کرد، برای اولین بار واژه ایی به نام "بیونیک" از ترکیب دو لغت "بیولوژی" و "تکنیک"، به معنای زیستار شناختی یا به کارگیری اندامهای ساختگی طبیعت توسط دانشمند آمریکایی جک. ای. استیل3 بیان شد. او بیونیک را علم سیستمهایی که شالوده و پایه ی تمامی سیستمهای زندهاند، میداند. این واژه در برگیرنده ی کار همه متخصصانی است که تلاش دارند برای حل مشکلات فنی خود از دانستههای طبیعت الهام بگیرند. در ابتدا بیونیک به بررسی ماشینهایی که براساس سیستمهای زنده طراحی و ساخته شده بودند میپرداخت و هم اکنون بیونیک از هر جهت هنر به کارگیری دانش سیستمهای زنده در حل مسائل فنی است. در بیونیک، تحقیق فقط به یک رشته ی خاص علمی محدود نمیشود، اگر چه خود بیونیک هنوز به عنوان یک علم نوپاست،امّا فعالیت بیونیک دانان را میتوان در حوزه ی "علوم کاربردی" مطرح کرد که همچون رابطی پدیدههای گوناگون را با الگوهای زنده مقایسه می کنند، به عبارتی دیگر برای هر پدیده، الگوی زندهای مییابند. یکی از بهترین طرحهای شناخته شده از علم بیونیک اثر لئوناردو داوینچی4 نقاش معروف است که ماشین پرنده را براساس ساختمان بدن یک خفاش طراحی کرد. استدلال او این بود که خفاش دارای بال کاملا پوشیدهای است که هوا را از خود عبور نمیدهد و دارای پوستی پرده مانند است که آن را تقویت میکند. حدود 400 سال بعد از طرح داوینچی، ماشین پرنده توسط کلمنت آدر5 با الهام از خفاش ساخته شد و در سال 1890 تا ارتفاع 15 متری پرواز کرد ( .(Wikipedia واژه ی الهام از طبیعت نیز اولین بار توسط دانشمند اتو اسمیت6 در سال 1957 ابداع شده است. او در تحقیقات دکترای خود از عملکرد الکتریکی عصب برای تولید یک دستگاه استفاده کرده است. (Bhushan 2012) طراحی بر اساس الهام از طبیعت می تواند در حوزه ی وسیعی از فعالیت های علمی و صنعتی امروز مانند معماری، طراحی صنعتی، مهندسی ساختمان، مهندسی مکانیک و صنایع نقش بسیار مهمی ایفا نماید.(گلابچی و خرسند 1393، (VII معماری بیونیک یا علم بررسی نظام حیات جانداران، امروزه به عنوان یکی از سه علم برتر جهان (IT, Nano, Bionic) معرفی گردیده است. روح بخشیدن به ساختمان یکی از تمایلات معماری بیونیک است. (Wikipedia)

-3 روش ها و رویکرد های مختلف تقلید از طبیعت:

رویکردهای مبتنی بر طراحی بایونیکی به عنوان یک روند طراحی به دو گروه تقسیم می شوند:

رویکرد مسئله محور: معین کردن یک نیاز انسانی یا مسئله طراحی و بررسی اینکه دیگر ارگانیسم ها و یا اکوسیستم ها چه راه حل ها و راهکارهایی را در مواجهه با این مسئله به کار می برد. این نگرش با عنوان طراحی با نگاه به زیست شناسی مطرح می شود.
طراحی مسئله محور: نگرشی که طراحان به طبیعت برای حل مسائل نگاه می کنند، نیازمند این است که طراحان مسائل را مشخص کنند و پس از آن نوبت زیست شناسان است که این مسائل را با ارگانیسم هاسی که موارد مشابه را حل کرده اند ،تطبیق دهند. این نگرش به طرز موثری با تشخیص اهداف ابتدایی و پارامترهای طراحی توسط طراحان هدایت می شود.

به طور کلی شش مرحله را می توان برای الهام گرفتن از طبیعت در روش مسئله محور بیان کرد.
-1 مسائل طراحی
-2 جستجو بر یافتن تشابهات بایولوژیک
-3 تعیین قوانین مناسب
-4 تجرید و تفکیک از مدل بایولوژیک
-5 آزمودن، تحلیل و بازخورد
-6 راه حل طراحی رویکرد راه حل محور : مشخص کردن یک خصوصیت خاص، رفتار و یا عملکرد در یک ارگانیسم یا اکوسیستم و ترجمه آن به طراحی انسانی که به عنوان زیست شناسی متاثر کننده طراحی نامیده می شود.

طراحی راه حل محور: زمانی که معلومات زیست شناسی بر طراحی انسانی تاثیر می گذارند، روند طراحی مشترک مقدمتا وابسته به افرادی است که بیشتر دارای دانش زیست شناسی هستند، تا طراحی. در اینجا نیز برای رسیدن به هدف شش مرحله را باید گذراند:
-1 تحقیقات زیست شناسی
-2 بیومکانیک، ریخت شناسی عملکردی و آناتومی
-3 درک قوانین پایه
-4 تجرید، تفکیک از مدل بایولوژیک
-5 ابزار فنی
-6 راه حل طراحی (گلابچی و خرسند 1393،( 57

تقلید از طبیعت در سطوح مختلفی صورت می گیرد. که ابتدایی ترین نوع آن تقلید از شکل است. علم بیومیمتیک، پیش از آن که بر روی تقلید صرف از ساختار موجود در طبیعت تاکید کند بر روی به کار گیری تکنیک های موجود در طبیعت متمرکز می شود. به طور کلی می توان پنج روش متمایز را در تکنولوژی تقلید از طبیعت برشمارد:

-1 تقلید از شکل
-2 تقلید از ماده
-3تقلید از نحوه ساخت
-4 تقلید از فرایند
-5 تقلید از عملکرد هر یک از پنج روش فوق در سه سطح امکان پذیر است:

-1 ساختار و اندام های موجود زنده
-2 رفتار انفرادی موجود زنده
-3اکوسیستم و رفتار گروهی موجود زنده بنابراین 5 روش در 3 سطح یعنی به طور کلی 15 روش در سطوح گوناگون برای تقلید از موجود زنده می تواند وجود داشته باشد.(قیابکلو (1392

-4مراحل و سطوح تقلید از پیله ی کرم ابریشم:
. در این پروژه روش تقلید از طبیعت با بررسی عملکرد در سطح رفتار انفرادی موجود زنده یعنی کرم ابریشم صورت گرفته است. رویکردی که در این پروژه پیگیری شده، رویکرد راه حل محور می باشد، بدین معنا که ویژگی هایی از پیله ی کرم ابریشم مورد توجه قرار گرفته سپس به عنصری در حوزه ی معماری تبدیل شده است البته در این پروژه مراحل یک، دو و شش انجام شده است.

-1-4مرحله اول: تحقیقات زیست شناسی (پیله کرم ابریشم):

کرم ابریشم حشره ای از خانواده ی بوم بی سیدها7 است. بوم بی سیدها پروانه هایی کوچک هستند با بدنی حجیم دارای شاخک های پروش، بال هایشان نسبتا کوتاه و خرطوم آن ها از بین رفته است. انواع مختلفی از این خانواده را برای تولید ابریشم پرورش می دهند. کرم ابریشم در دنیا به دو صورت اهلی و وحشی وجود دارد. (صالح علوی 1387، (37 کرم ابریشم زندگی خود را به صورت لارو آغاز می کند و 5 مرحله را طی می کند. در انتهای پنجمین مرحله دگردیسی آغاز می گردد و پیش از بافتن پیله، باید مکانی مناسب برای بافت پیله بیابد که این جستجو حدودا 5 روز به طول می انجامد. رشته های ابریشم که پیله را می سازند از غده ی لابیال که مشابه غده بزاقی در لارو سایر حشرات است ترشح می گردد.این رشته ها نوعی پلیمر پلی پپتیدی هستند که از اجزای مختلفی تشکیل شده اند. رشته های ریز از نوعی پروتئین غیر محلول که توسط پروتئین چسبنده ی حل شونده پوشیده شده است.اجزای فرعی دیگر شامل پروتئین ها ی کوچک چربی و کربوهیدرات می شود. .( Blossman -Myer, and Burggren (2009 ابریشم از دو رشته ی فیبروئین8 ساخته شده است که این دو رشته با ماده ای به نام سیریسین( صمغ ابریشم) به یکدیگر می چسبند فیبروئین رشته ی نازک پروتئینی با ساختار نیمه بلورین است که سختی و مقاومت لازم را برای پیله فراهم می آورد و سیریسین پلیمر پروتئینی است که مانند چسب ساختار رشته ها و به طور کلی پیله را به خوبی حفظ می کند (Chen, Porter, and Vollrath 2012) جزئیات رشته ی ابریشم در شکل (1) نشان داده شده است.

سطح ابریشم خام در زیر میکروسکوپ یکنواخت نیست و دارای ناهمواری است. در بعضی قسمت ها ممکن است فیلامنت ها از هم جدا و جداگانه توسط سریسین پوشیده باشند. سطح مقطع ابریشم خام به صورت بیضی نا یکنواخت است که متوسط قطر آن حدود 0/007 اینچ می باشد، ولی سطح مقطع فیلامنت ها هرکدام به تنهایی مثلث شکل و دارای زوایای نرم می باشند. قطر لیف ابریشم 5 تا 17 میکرون و نمره ی آن 1 تا 3 دنیر است. (صالح علوی 1387، (26 پیله ی ابریشم ماده ی با ارزشی است که از کرم ابریشم در مقابل تهدیدات زیست محیطی و حملات درنده محافظت می کند. پیله قادر است حائلی برای کرم ابریشم فراهم کند و آن را از تغییرات دمایی محیط بیرون محفوظ نگه دارد. لایه داخلی پیله ها از خراشیدگی پوسته بیرونی و ضد آب شفیره هنگام تکان های فراوانش در داخل پیله جلوگیری می کند. ( Blossman-Myer, and Burggren 2009 ) تا کنون تحقیقات بسیاری بر روی گونه های مختلف پیله کرم ابریشم صورت گرفته است. اما در این مقاله ویژگی های دو گونه ی بوم بیکس موری و آنتریا پرنی مورد بررسی قرار گرفته است. که به ترتیب از گونه ی اهلی و گونه ی وحشی می باشند. در واقع نمونه های مورد بررسی از دو گونه انتخاب شده و هرکدام در گونه ی خود جزء پیله های شاخص و شناخته شده اند.

بوم بیکس موری که از گونه ی اهلی می باشد شاخص ترین پیله است که به پروانه ی کرم ابریشم معروف است، از سال ها پیش مورد توجه بشر بود. (صالح علوی 1387، (37 آنتریا پرنی نیز منشأ اصلی رشته های ابریشم از گونه ی وحشی است. این پیله خواص مکانیکی و دمایی ویژه ای دارد و به همین علت مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته است.(( Du, Li , Zhang ,and Wang 2014

-2-4 مرحله ی دوم: بیومکانیک،ریخت شناختی عملکردی و آناتومی پیله ی ابریشم

پیله ی نازک و کم وزن ابریشم می تواند از کرم در مقابل حملات و شرایط شدید آب و هوایی محافظت کند. مدول الاستیسیته، مقاومت و پارامترهای مکانیکی و دمایی پیله از علل توانمندی پیله در حفظ شفیره از گزند خارجی است. (Zhang, Rajkhowa, Li ,Liu , and Wang 2013)پیله همزمان با محافظت فیزیکی از شفیره قادر است ورود رطوبت و گازها را کنترل کند. این نفوذ پذیری در گونه های مختلف متفاوت است و با توجه به محیط زندگی و نیاز های مختص آن این میزان متفاوت است. میزان نفوذپذیری سطح بیرونی پیله ی بوم بیکس موری بیشتر از آنتریا پرنی است.((Horrocks, Vollrath, and Dicko 2013 پس از بررسی تغییرات دمایی داخل پیله ها نیز این نکته یافت شد که تغییرات دما در داخل پیله بسیار آهسته و محدود صورت می گیرد و اختلاف درجه حرارت محسوس و شدید در محیط خارجی به کندی بر محیط داخلی پیله تاثیر می گذارد. پرنی زمان تاخیر و میرایی بیشتری نسبت به بی موری دارد. (Zhang, Rajkhowa, Li , Liu , and Wang 2013)

کنترل ورود رطوبت و گازها و تغییرات دمایی که در هر دو پیله مشاهده شد، برای زنده ماندن و رشد شفیره لازم است. اما میزان این کنترل در دو گونه ی مورد بررسی متفاوت است. میزان کنترل این عوامل در پیله ی پرنی بیشتر است. شرایط زندگی در حیات وحش و نیاز به محافظت فیزیکی بیشتر از عواملی است که سبب بروز ویژگی های خاص در این گونه ی پیله ابریشم شده است. , Du, Li (Zhang ,and Wang 2014) به طور مثال طی ماه هایی از زمستان پیله ی آنتریا پرنی باید از شفیره مراقبت کند و جهت خشک ماندن شفیره در طول زمستان لازم است سطح بیرونی پیله نفوذ پذیری کمی داشته باشد.

حال سوال اینجاست که چگونه یک پیله علاوه بر محافظت فیزیکی نیازهای ضروری زنده ماندن شفیره داخل پیله از جمله اکسیژن، رطوبت، دمای مناسب و... را فراهم می کند؟ و چگونه به شرایط زندگی متفاوت پیله ها پاسخ می دهد؟

پاسخ دادن به این سوال نیازمند داشتن اطلاعات کافی در خصوص ساختار و بافت پیله است. برخی ویژگی های ساختاری در دو گونه ی یاد شده مشترک و برخی متفاوت اند.ویژگی های مشترک سبب بروز عملکرد های مشابه و ویژگی های متفاوت سبب بروز عملکردهای خاص می گردد. ابتدا به ویژگی های مشترک در هر دو پیله می پردازیم سپس تفاوت آن ها را برمی شماریم.

همان طور که پیش تر نیز بیان شد دیواره ی پیله ها ساختار ترکیبی چند لایه دارد. ساختاری متخلخل از جنس سریسین که توسط رشته هایی پیوسته تقویت شده است(. (Zhang, Rajkhowa, Li ,Liu , and Wang 2013 لایه های تشکیل دهنده ی دو پیله ی بوم بیکس موری و آنتریا پرنی توسط سیریسین به هم متصل شده اند. این اتصال از نوع ضعیف محسوب می شود به طوری که به راحتی می توان آن ها را پوست کند. همانطور که در شکل (2) قابل مشاهده است رشته های سازنده ی این لایه ها ساختار بافته نشده دارند و به وسیله ی سیریسین به هم چسبیده اند.

قطر رشته های ابریشم در لایه ی بیرونی و درونی باهم متفاوت اند. لایه بیرونی با ضخامت بیشتر و لایه درونی باضخامت کمتری تولید شده اند. تراکم این رشته ها نیز متفاوت است. لایه ی بیرونی کم تراکم و لایه ی درونی با تراکم بیشتری تنیده شده اند.-Blossman (Myer , and Burggren 2009) میزان تخلخل در سطوح بیرونی پیله ها بسیار کم است(.(Horrocks, Vollrath, and Dicko 2013 این ساختار به خوبی دز تصویر شماره (3) نشان داده شده است.

نتایج حاصل از بررسی ویژگی های مشابه دو پیله به طور مختصر به شرح زیر می باشد:
حضور حفره ها و لایه لایه بودن جداره سبب به دام انداختن هوا می شود. حضور هوا در لایه ها سبب مقاومت گرمایی می شود و در نتیجه تغییرات دمایی داخل پیله ناچیز می گردد.
کم بودن میزان تخلخل در سطوح بیرونی پیله ها نیز مانع ورود بیش از حد رطوبت و گازها می گردد و صرفا شرایط ایده آل رشد شفیره را فراهم آورد (Horrocks, Vollrath, and Dicko 2013)

ویژگی های مطرح شده تا کنون در هر دو نوع پیله وجود دارد اما این دو پیله تفاوت هایی در ساختار رشته های سازنده خود دارند. قطر و تراکم رشته های پیله ی پرنی بیشتر از پیله ی بی موری است. برخی از پارامترهای هندسی آن ها در جدول (1) آورده شده است.
(Zhang, Rajkhowa, Li , Liu , and Wang 2013)

همانطور که در شکل 4 مشاهده می گردد روی سطح بیرونی پیله ی پرنی کریستال های مکعبی شکلی دیده می شوند. که در سطح الیاف ابریشم رسوب کرده اند و در خلل و فرج ها انباشته شده اند. این کریستال ها کلسیم اگزالات هستند. اما در سطح بیرونی بی موری این کریستال ها وجود ندارند.((Zhang, Rajkhowa, Li ,Liu , and Wang 2013