Сомнение неприятно, но состояние уверенности абсурдно.

Ключевые моменты: ауксетика, замкнутые кинематические цепи, эмерджентные свойства, теория рычагов, нелинейность.

Биомеханика в современном мире — это перенос уравнений теоретической механики и сопромата в инженерную интерпретацию биологических организмов.

Этот подход стал основой замечательного прогресса в протезировании, однако попытки прямого инженерного анализа опорной и двигательной функций человека зачастую приводят к абсурдным выводам, противоречащим реальности.

Особенно сложно приходится практикующим специалистам. С одной стороны, им необходима теоретическая основа для анализа проблем и заболеваний опорно-двигательного аппарата; но, с другой стороны, сегодняшняя биомеханика не учитывает специфику живого и скорее мешает, чем помогает в клинической и тренировочной практике.

В этой главе мы постараемся провести читателя через те же этапы, что проходили сами. От осознания проблем механики в биомеханике путем решения в биотенсегрити-подходе и нескольких промежуточных этапах.

Первая смысловая склейка в биомеханике заложена уже в механике, поскольку одно и то же слово несет в себе два совершенно различных значения.

С одной стороны, термин «механика» обозначает класс деятельности и уровень материальных взаимодействий, отличающий механические свойства объектов от их химических, электромагнитных свойств и т. д. Механические взаимодействия важны тем, что они нами напрямую наблюдаемы и осязаемы на уровне органов чувств, в то время как химия и электричество — это скрытые от глаз феномены микромира, на которые мы не имеем возможности воздействовать напрямую без специальных приспособлений. Это реальная механика природы — жизни, опыта, данного нам в ощущениях.

С другой стороны, понятие «механика» является сокращенной версией законов механики, то есть изучения и интерпретации механических свойств неживых объектов с помощью инструментов математики. Это научная механика, в которой классическая теоретическая механика, восходящая напрямую к работам Ньютона, представляет собой лишь только один из возможных вариантов.

К сожалению, в современной биомеханике эти две совершенно разных механики — реальных процессов, происходящих в жизни, и всего лишь одного из вариантов их научной интерпретации (классическая теоретическая механика) — утратили эту смысловую разницу. Для подавляющего большинства ученых в этой области биомеханика — это очень узкое и конкретное применение классических уравнений. По сути, они пользуются только одной призмой интерпретации механической реальности, не задумываясь о возможности альтернатив.

Иначе говоря, мы должны очень четко разделить биомеханику как физическую реальность взаимодействия биологических объектов с окружающей их средой; и науку о биомеханике, которая ищет наиболее информативный и точный аппарат понимания биомеханической реальности.

Биомеханика сама по себе объективна и вечна, пока существует жизнь. Биомеханика живого — это природная реальность, не зависящая от того, как мы ее описываем и насколько хорошо ее понимаем. В природе биомеханика работает, а вот наука о биомеханике субъективна и исторична, зависит от политики, традиций, конкурентной борьбы научных школ и т. д.

Почему это важно? Потому что в ситуациях, когда имеющаяся исторически сложившаяся наука о биомеханике явно упрощает и искажает биомеханику как механическую реальность взаимодействий биологических организмов, мы можем и обязаны заняться поиском других интерпретаций и моделей, которые позволят нам лучше приблизиться к реальности.

В этом нет ничего ненаучного. Наоборот, существует достаточно много различных математических инструментов, которые потенциально имеют намного больший объяснительный и модельный потенциал, чем весьма старые (больше 200 лет) уравнения классической механики.

Именно в этом и состоит смысл биотенсегрити-подхода.

Биотенсегрити — это тоже наука о биомеханике (в смысле фокуса на механических свойствах и взаимодействиях в биологическом мире), но основанная на тенсегрити-интерпретации математики и синергетической (по Фуллеру) интерпретации физики.

В биотенсегрити мы в первую очередь возвращаемся к биологической механо-реальности. В ее максимально чистом виде. Где мы можем получить такой опыт? В физиотерапии, мануальной медицине, остеопатии, йоге, фитнессе и т. д., то есть из прямых/непосредственных кинестетических и тактильных практик.

Затем мы убираем из нашего описания наблюдений и опыта привычные шаблоны, взятые из классической механики, очищаем реальность от наслоения на нее интерпретаций из устаревшей науки. Это сложно, потому что такие понятия, как «ось вращения», «рычаг», «крепления», «моменты сил», с одной стороны, полностью искусственны, но, с другой стороны, они впитаны нами с молоком матери и их очень трудно отделить от естественного, нормального и т. д.

И только после такой очистительной работы над ошибками мы начинаем поиск новых интерпретаций с максимальной интеллектуальной открытостью для теоретического моделирования и языка, подходящих для понимания опытной, реальной биологической механики.

Именно эти ступени познания и привели в свое время С. Левина к интеграции идей тенсегрити-моделирования в биомеханику, заложив основы биотенсегрити.

Изначально тенсегрити-формы и модели появились в весьма узкой и специализированной нише внутри строительной и архитектурной отрасли. Достаточно долго понятие о тенсегрити и ее визуализация были известны только среди специалистов в этой профессиональной сфере, и потребовалось некоторое время, прежде чем она вызвала интерес в более широких кругах.

С одной стороны, распространению этого интереса способствовало то, что тенсегрити отличается от других рукотворных структур своей необычной комбинацией свойств, которая сразу привлекает внимание своей странностью и гармоничностью одновременно.

С другой стороны, пионеры тенсегрити — скульптор К. Снельсон и архитектор Б. Фуллер — много работали над ее популяризацией в 1950–1970-е годы, хотя и конкурировали между собой за право быть признанными отцом тенсегрити. В результате именно скульптуры Снельсона и лекции Фуллера стали теми катализаторами, которые вывели тенсегрити на свет из узкоспециализированной ниши архитектуры и строительной инженерии.

Бакминстер Фуллер был одновременно теоретиком системы синергетической геометрии и активно практикующим архитектором. В своей работе он сконцентрировался на геодезических куполах как дешевой и менее материалоемкой альтернативой каменным или бетонным конструкциям, которые принесли ему всемирную славу. Но при этом он и геодезические купола интерпретировал как тенсегрити, что вызвало в последствие большую путаницу (Fuller, 1975, 703.03). Конфликты и споры были вызваны тем, что внешний вид геодезических куполов и тенсегрити-моделей весьма различен. И споры о том, следует ли рассматривать геодезические купола как тенсегрити, в значительной степени фокусировались на том, какой из подходов выбрать? Различение или объединение.

Я считаю, что наилучший путь решения данного вопроса состоит в одновременном рассмотрении обеих форм с позиции синегретической геометрии Фуллера. При таком подходе становится ясно, что эти структуры имеют общий исходный «код».

В основе формы геодезического купола лежит геометрия икосаэдра, сохраняющего стабильность благодаря особой конфигурации распорок (рис. 1.8), которые фиксируют силы растяжения и сжатия и распределяют их по всей структуре. Сам Фуллер как раз и указывал, что такой баланс сил как раз и характеризует геодезический купол как тенсегрити. Однако при этом подвижность геодезического купола очень ограничена как в силу внешней симметричной конфигурации, так и в силу того, что в строительстве геодезических куполов используются прочные материалы. Поэтому наблюдаемое механическое поведение геодезического купола достаточно сильно отличает его от эластичных моделей, а значит, этот спор закончится еще не скоро.

Многие инженеры-строители и механики проявляют все больший интерес к тенсегрити из-за ее полезных свойств (Motro, 2003). На базе тенсегрити строятся здания (Jáuregui, 2010), мосты (Rhode-Barbarigos et al., 2010) и создаются роботы для использования в исследованиях космоса (Lian et al., 2012; Caluwaerts et al., 2014).

Однако динамику тенсегрити-структур чрезвычайно сложно предсказать, и они требуют весьма сложных вычислений (Juan & Tur, 2008; Skelton & de Oliveira, 2009).

Как тенсегрити, так и биологические ткани состоят из множества частей, связанных таким образом, что во время движения каждая из них оказывает влияние на все остальные, однако понять их сложные взаимодействия было не так просто. С одной стороны, тенсегрити-структуры имеют ряд важных и неоспоримых преимуществ по сравнению с традиционной архитектурой и механизмами, но при этом их высокая внутренняя связность, при которой каждая часть оказывает влияние на все остальные, приводит к тому, что понять и обсчитать их взаимодействия очень непросто. С аналогичными сложностями инженерная наука сталкивается и при попытках моделирования биологических тканей.

Инженеры привыкли брать отдельные компоненты и соединять их таким образом, чтобы они могли выполнить какую-либо полезную функцию.

Интересно, что именно такого поведения они ожидают и от биологических систем.

В строительной и производственной практике для создания новых механизмов и конструкций инженеры и архитекторы почти никогда не ищут радикально новых решений. Чаще всего новая конструкция делается в соответствии с принципами и расчетами, уже хорошо проверенными временем, путем подбора уже известных материалов, которые затем соединяются друг с другом в связанную общую структуру. Подобный прагматичный подход к строительству использовался на протяжении тысячелетий и до сих пор успешно работает в нашем рукотворном цивилизованном мире.

Истинно инновационный дизайн всегда сталкивается с сопротивлением и сложностями, и ситуация геодезического купола тенсегрити-моделирование через стержни и струны не исключение. Причина такого консерватизма в том, что при попытке переноса основополагающих принципов из одной области в другую чаще всего возникают проблемы (рис. 1.5).

С таким консерватизмом в архитектуре, инженерии и науке столкнулся и Фуллер. Дело в том, что в основе его геометрического подхода лежит возвращение к переосмыслению платоновых форм, что для его современников звучало совершенно неактуально. Платоновы формы были центральными в античной и средневековой геометрии, но сейчас они считаются анахронизмами, безнадежно отставшими от современного научного мышления и математики. На самом деле Фуллер в своем переосмыслении платоновых форм и формулировках синергетической геометрии намного опередил свое время, но выбранный им презентационный формат не имел никаких шансов на широкое научное признание в XX веке, и только сейчас, 50 лет спустя, начинает становиться ясным насколько плодотворным оказался его подход.