Термин «тенсегрити» является сокращением комбинации слов tension (натяжение) и integrity (целостность). Его ввел в 1950-х годах знаменитый американский архитектор и один из пионеров теории систем Р. Бакминстер Фуллер (1895–1983). Для Р.Б. Фуллера понятие «тенсегрити» было неразрывно связано с его теорией синергетики, над которой он работал начиная с 1930-х годов и до конца жизни.
Однако непосредственное тенсегрити-воплощение в материале, завершившее оформление и визуализацию всей концепции синергетической геометрии Р.Б. Фуллера (рис. 1.1), создал его ученик, скульптор Кеннет Снельсон (Heartney, 2009, с. 20).
Р.Б. Фуллер рассматривал тенсегрити в первую очередь как базовую единицу синергетической геометрии, воплощающую баланс невидимых сил натяжения и сжатия в формате целостного, замкнутого самого на себя (самозамкнутого), самонапряженного и самонатяжного механического контура. Для нас неудивительно, что энергия ненаблюдаема сама по себе, но проявляет себя наблюдаемыми материальными воплощениями при взаимодействиях. Аналогичным образом Фуллер понимал тенсегрити как операционную единицу синергетических структур и меру их взаимодействий на разных уровнях архитектоники и материальных воплощений.
Поэтому для русского перевода мне пришлось использовать целое семейство тенсегрити-терминов.
Тенсегрити-структуры (т-структуры) — это аналитические архитектурные единицы, своего рода кванты синергетической геометрии, через которое анализируются скрытые за кадром процессы синергии. Т-структуры описываются геометрическим языком как т-формы — тенсегрити-тетраэдр, тенсегрити-октаэдр, тенсегрити-тетраспираль и т. д., но при этом содержательно принципиально отличны от стандартных геометрических объектов и фигур того же названия (подробнее об этом в главе 2).
Тенсегрити-воплощение (т-воплощение) — это частная реализация тенсегрити-структуры через конкретные тенсегрити-конструкции (т-конструкции), или тенсегрити-модели (т-модели), использующие разные материалы; варианты сборки в самозамкнутость; уровни интенсивности самонатяжения; различные размеры и формы элементов и т. д.
Рис. 1.1. Изображение ранней икс-образной конструкции Снельсона, 1948 год.
Таким образом, у тенсегрити-структур может существовать огромное множество различных тенсегрити-воплощений через разнообразные тенсегрити-конструкций, позволяющих нам визуализировать, акцентировать и изучать различные частные аспекты синергетических процессов через тенсегрити-моделирование (т-моделирование); либо извлекать практическую пользу из понимания т-структур через тенсегрити-конструирование (т-конструирование).
Ключевая идея тенсегрити-моделирования заключается в следующем.
И теперь можно акцентировать внимание на, пожалуй, главном моменте, вокруг которого строится вся эта книга.
Да, безусловно, тенсегрити-конструкции — это рукотворные, специально инженерно спроектированные сборные конструкции из подручных материалов. Конечно же, они не являются по-настоящему естественными, самовозникающими и самоорганизованными, как те системы, что мы наблюдаем в живой природе. Более того, они выглядят настолько необычно, что воспринимаются нами не просто рукотворными, а нарочито искусственными. В этом и заключается связанный с т-моделированием подвох и когнитивный диссонанс.
Все мы выросли в типовой инженерно-строительной среде и привыкли воспринимать обычные здания и механизмы как рукотворные, но вполне привычные. Поэтому нам намного легче допустить мысль о моделировании природных процессов именно через привычные, строительно-машинные аналогии и расчеты, чем через такую вычурную экзотику, как тенсегрити-модели. Нам интуитивно кажется, что эта интересная, но странная штука уж точно не имеет никакого отношения к природе!
Однако парадокс как раз в этом и состоит — именно очень экзотические искусственные тенсегрити-воплощения НАИЛУЧШИМ ОБРАЗОМ иллюстрируют динамическое поведение настоящих природных систем, самоорганизующихся естественным образом, как синергетические тенсегрити-структуры.
В то время как «нормальные» аналогии с «полезными» сборными конструкциями и механизмами, на которых основывается инженерно-расчетная биомеханика, не просто не очень точны, а грубо ошибочны! Удивительно, но это так! Тенсегрити — это не дизайн, а открытие!
Иллюстрации и доказательства в пользу такого расширенного понимания тенсегрити и вытекающего из него биотенсегрити-подхода и составляют основное содержание этой книги.
Самым первым целенаправленным тенсегрити-воплощением была конструкция Кеннета Снельсона, созданная им в 1949 году по техническому заданию Р. Бакминстера Фуллера. (Об этой истории будет подробно рассказано ниже). Она представляла собой комбинацию элементов сжатия (распорок), которые словно плавали в самозамкнутой сети натянутых тросов.
По факту конструкция Снельсона представляла собой две икс-образные деревянные распорки, которые не соприкасались друг с другом ни в одной точке, при этом одна из них была подвешена в воздухе и удерживалась на месте натянутыми нейлоновыми тросами.
К. Снельсон описывал это так: «Эту скульптуру можно вывести даже на орбиту в космическом пространстве — она [все равно] сохранит свою форму. Ее силы заперты и закольцованы изнутри. Эти механические силы — сжатие и натяжение, или давление и тяга — являются чистой энергией и невидимы подобно тому, как невидимы магнитные или электрические поля» (Heartney, 2009, с. 20).
Любые конструкции, собираемые в гравитационном поле Земли, интегрируют в себя силы реакции опоры, а также угловые и изгибающие моменты, связанные с их размерами, весом и относительным положением их элементов по отношению друг к другу. Поставьте друг на друга два камня — на Земле из них можно создать весьма устойчивую сборную конструкцию, даже не применяя цемент, клей, болты или другие варианты принудительного скрепления между собой. Интеграция сборной конструкции из двух камней обеспечивается силой тяжести и балансом пропорциональных ей сил реакции опоры и угловых моментов, зависящих от веса, формы и расположения камней. Однако в невесомости такая сборная конструкция не соберется, она просто рассыплется.
Тем и удивительна тенсегрити-конструкция, что она самостабилизируется исключительно внутренними силами, без участия внешних. Более того, она способна противостоять деформации даже под воздействием внешней нагрузки, в десятки раз превышающей ее вес. Именно эта способность к внутренней самостабилизации без совершения работы и траты энергии и вызывает такой интерес к тенсегрити, как подсказка о том, каким образом биологические организмы сочетают самоустойчивость (самостабилизацию), подвижность и экономию материалов одновременно.
При разговоре о невидимых силах может создаться впечатление, что концепция тенсегрити в чем-то эзотерическая, что совершенно неверно. Дело в том, что в традиции стандартной геометрофизики мы привыкли работать со свободными физическими силами, то есть взаимодействиями, легко проходящими через границу структуры как внутрь, так и наружу, меняя свой статус между внутренними и внешними. Именно это отражается в структурном анализе сборных конструкций, проводимом через так называемую диаграмму сил в состоянии покоя (Free Body Diagram). То есть собственно граница структуры условна как ситуативное и в первую очередь математическое разграничение между внутренними и внешними силами, и поэтому часто так и называется виртуальной. Иначе говоря, сами элементы рукотворной сборной конструкции физически первичны и относительно устойчивы, а комбинации между ними изменяемы и зависят от действия в первую очередь внешних сил.
В естественной, самоорганизующейся тенсегрити-структуре — наоборот: внутренние силы натяжения и сжатия заперты внутри нее, почти никак не проявляясь вовне, поэтому ее сложно понять через привычные образы и категории.
В мировоззрении Р.Б. Фуллера любая, даже самая простая природная сборная структура, это не меньше, чем синергетическая система. Его синергетическая гипотеза состоит в том, что в природе элементы не существуют по отдельности, а всегда «захватываются» структурами/системами или объединяются в них, в количестве не меньше двух. Такое объединение создает для них синергетический довесок, выгоду по сравнению с отдельностью и бесструктурной разрозненностью. Как только эта синергетическая выгода внутри структуры исчезает, она перестает существовать как целое и распадается.
Именно синергетические энергоструктуры либо захватывают элементы и доли пространства внутрь себя, либо дифференцируются и порождают элементы внутри себя из захваченных квантов энергии-пространства для повышения внутренней синергии.
Поэтому для Б. Фуллера граница природной структуры не математически ситуативна, а природно фундаментальна и сильна в том смысле, что взаимодействие между элементами структуры-системы внутри границы всегда намного «сильнее», чем взаимодействие между внешней стороны границы и окружающим пространством-средой. Это своего рода синергограница, ориентированная к внутреннему объему; и — от внешней поверхности.
По Фуллеру, все природные структуры и системы устроены именно таким внутренне ориентированным синергетическим образом.
Тенсегрити-структуры — наглядная и осязаемая иллюстрация для этого, на первый взгляд, абстрактного тезиса.
Тенсегрити-структуры действуют одинаково в любом положении независимо от направления действия силы тяжести; а методы, используемые при т-конструировании, отличаются от тех методов, которые применяют в традиционном строительстве. Т-конструкции прочны, легки и эластичны. При этом, с одной стороны, для изменения их формы достаточно минимального усилия, а с другой — они способны сами собой возвращаться в исходное положение устойчивого равновесия. Такое динамическое поведение этих структур можно назвать суперстабильностью. Они также очень эффективны с материальной и энергетической точек зрения и обладают нелинейными вязкоупругими свойствами (Juan & Tur, 2008; Skelton & de Oliveira, 2009).
Итак, динамическое поведение т-структур очень похоже на динамическое поведение биологических структур и систем, что позволяет лучше его понимать. Такой подход и к биологии в целом и к функциональной анатомии человека в частности получил название «биотенсегрити».
Сегодня все чаще признается, что именно биотенсегрити-подход наиболее всесторонне и глубоко объясняет механику опорно-двигательного аппарата и двигательные функции биологических организмов: их самобалансировку и самоустойчивость; работу фасциальных сетей динамического натяжения; а также энергоэффективную организацию интегрированной двигательной системы. Биотенсегрити изучает поведение и эволюцию природных форм через их синергетическую геометрию и показывает, как с помощью простейших моделей можно лучше понять даже самый сложный организм. Хотя в данной книге мы объясняем биотенсегрити-подход, рассматривая самые разные области биологии, но на практике основной упор в биотенсегрити делается на анализ анатомии и опорно-двигательных функций человека.