Współczesna architektura używa modernistycznego języka zarówno w rozwiązaniach estetycznych, jak i funkcjonalnych. Promuje Corbusierowską maszynę do mieszkania i strategie projektowe niepowiązane w żaden sposób z otoczeniem. Stara się znaleźć uniwersalne i typowe rozwiązania projektowe. Nowe dzielnice miast – Santa Fe w mieście Meksyk, City w Londynie czy centrum Singapuru – na poziomie architektonicznym i urbanistycznym zasadniczo się nie różnią. A przecież każde z nich leży na innej szerokości geograficznej, w innych warunkach klimatycznych i w innym kontekście historyczno-kulturowym. Od ponad pięćdziesięciu lat architekci i inżynierowie starają się okiełznać naturę. Szukają coraz bardziej zaawansowanych rozwiązań technologicznych, materiałowych, konstruują nowe urządzenia i maszyny, przezwyciężają tropikalne deszcze i arktyczne zimy, pory roku, stwarzają dogodne warunki życia i pracy. Konsekwencją tych działań są między innymi zmiany klimatyczne, wyczerpywanie się surowców naturalnych, zanieczyszczenie powietrza i wody. Na negatywne skutki własnych działań projektanci odpowiadają w ten sam sposób – szukają tymczasowych rozwiązań technologicznych, które prawdopodobnie nasilą te zjawiska. Pojęcia rozwoju zrównoważonego, ekonomii cyrkularnej, architektury biomimetycznej tworzą alternatywny paradygmat – uczenia się od natury, zamiast jej wykorzystywania.

Już w 1998 roku na łamach amerykańskiego czasopisma „The Atlantic” William McDonough i Michael Braungart pisali:

Z naszego punktu widzenia, jako architektów – zadajemy sobie pytanie – dlaczego nie potrafimy zaprojektować obiektu na wzór drzewa? Budynku, który wytwarza tlen, wiąże azot, rozkłada dwutlenek węgla, uzdatnia wodę, zamienia energię słoneczną w paliwo, tworzy cukry złożone, wytwarza pokarm, tworzy mikroklimat, zmienia kolor wraz z porami roku i sam się replikuje. Powinniśmy spojrzeć na naturę jak na najlepszy możliwy przykład i nauczyciela, nie jak na przeszkodę1.

Nowy paradygmat nie podważa roli nauki, rozwoju czy technologii. Sugeruje jednak, aby używać jej świadomie i odpowiedzialnie.

By naśladować naturę, architektura biomimetyczna uczy się od niej form, kształtów, struktur, procesów, strategii czy mechanizmów, które można zastosować do współczesnego projektowania. Biomimetyka nie powtarza samych form, a procesy i zasady nimi rządzące. Nowe sposoby kształtowania architektury tworzą nową estetykę i formy, jakimi operują projektanci. Zastanawiające jest, że w przeciwieństwie do form naturalnych, których piękna się nie kwestionuje, formy biomimetyczne rzadko spotykają się z aprobatą, choć geneza ich powstania jest moim zdaniem taka sama lub zbliżona. Może nasza świadomość wzrokowa nie akceptuje zmiany skali czy materiału, może nasza edukacja plastyczna nie dopuszcza nowych form. Zadziwia, że ciągle powszechny jest kanon piękna oparty na wzorcach antycznych. Greg Lynn zwraca uwagę, że od czasów starożytnego Egiptu ciągle dążymy do dyskretyzacji formy, jej zapisu za pomocą liczb pierwszych, prostych proporcji i właściwie ignorujemy osiągnięcia współczesnej matematyki i biologii2.

Rozwój nauk nieliniowych, czyli takich, które potrafią w przybliżony sposób zapisać procesy biologiczne, jest kluczowy dla zrozumienia otaczającego nas świata. Stanisław Ulam, przedstawiciel Lwowskiej Szkoły Matematyki, twierdził, że procesy liniowe są tylko teoretycznym wyjątkiem, bo większość zjawisk jest nieliniowa. Podważał w ten sposób celowość matematyki euklidesowej, na której oparte są wszystkie obiekty wytwarzane przez ludzi3. Biomatematyka zapisuje biologiczne zachowania, zjawiska i zależności. Złożone modele określane są między innymi za pomocą równań różniczkowych, całkowych czy rekurencyjnych, symulujących zjawiska znane w przyrodzie, takie jak wzrost koralowców, zachowania zwierząt stadnych, pracę układów wewnętrznych czy procesy komórkowe.

Beatriz Colomina w publikacji Radical Pedagogies (Radykalne pedagogiki) pisze, że nowe kierunki myślenia w architekturze często są materializowane w postaci obiektów tymczasowych4. Wystarczy przypomnieć Pałac Kryształowy Josepha Paxtona zrealizowany na Wielką Wystawę w Londynie czy pawilon barceloński Ludwiga Miesa van der Rohe. Współcześnie w związku z gwałtownym rozwojem technologii widzimy całe spektrum takich działań, ponieważ w ten sposób młode pracownie projektowe i szkoły architektury manifestują swoje poglądy. Strategie biomimetyczne ciągle się konkretyzują, dlatego będę je rozważać głównie na przykładach pawilonów, konstrukcji tymczasowych, a czasami projektów niezrealizowanych.

EMERGENCJA

Jednym ze zjawisk biologicznych, które symuluje się w procesach projektowych, jest emergencja. O zachowaniu emergentnym mówimy wtedy, gdy pewna grupa prostych jednostek zaczyna działać wspólnie, tworząc układ złożony. System nabiera określonych cech dopiero jako całość; poszczególne jego jednostki ich nie mają. Często znamy jedynie kilka podstawowych reguł, według których działają zjawiska niższego poziomu i ta wiedza wystarcza nam, żeby opisać zjawiska wyższego rzędu.

Emergencja zachodzi, gdy system osiągnie pewien poziom złożoności, który wynika z różnorodności elementów i ich powiązań. Jednym z przykładów samoorganizacji jest inteligencja rozproszona. Opisuje ona taki sposób współpracy zwierząt stadnych i społecznych, że dążą one do osiągnięcia określonego celu, nie mając wcześniejszego planu, ani wybranego osobnika, który by nimi kierował. Zjawiska te obserwuje się wśród chmary szarańczy wędrownej, kolonii mrówek, stada szpaków, ławicy ryb, roju pszczół czy stada antylop. Jednak, żeby mogło zaistnieć zachowanie emergentne, na system musi zadziałać silny bodziec zewnętrzny – inaczej mamy do czynienia jedynie z dużym zbiorowiskiem chaotycznie zachowujących się i podobnych jednostek.

Jako pierwszy inteligencję rozproszoną opisał w 1985 roku Craig Reynolds za pomocą algorytmu stada zwanego boids. Elementami takiego systemu kierują trzy podstawowe zasady, które występują równocześnie. Pierwsza z nich to rozdzielność, czyli takie poruszanie się elementów, które unika lokalnie zatłoczonych miejsc. Druga, przeciwstawna, spójność – nie pozwala na rozbicie całości i umożliwia grupowanie się z sąsiadami. Te dwa zachowania są jednak niewystarczające. Potrzebne jest trzecie, czyli wyrównanie, które nakazuje naśladować kierunek ruchu sąsiadów. Wszystkie zasady są cykliczne i uśredniają zachowanie najbliższego topologicznie otoczenia. Między kolejnymi powtórzeniami dochodzi do uaktualnienia pozycji i kierunku jednostki w nowym otoczeniu. Takie aktywności możemy obserwować wśród migrujących szpaków albo mew, taki fenomen staje się również podstawą do generowania formy5.

Pawilon The Swarm zaprojektowany na Technische Universität w Monachium swoją formą naśladuje stado ptaków w locie. Kilkunastometrowa forma świetnie ilustruje relacje pomiędzy poszczególnymi elementami systemu. Dynamiczna i lekka geometria początkowo zdradza jedynie pewne zasady uporządkowania, jednak dopiero gdy oglądamy ją z przodu, możemy zrozumieć logikę całego układu. Projekty takie jak The Swarm są polem do eksperymentu dla rozwiązań technologicznych, które potem wykorzystuje się przy większych realizacjach.

Podobną strategię projektową przyjął Michał Piasecki, który we współpracy z Jorisem Laarmanem zaproponował drukowany w polimerze mebel. Zatrzymane w ruchu stado ptaków na poziomie obiektu tworzy zamkniętą i statyczną formę. Gdy tylko przyjrzymy się jej bliżej, dostrzeżemy jednak, że jest ona złożona z wielu mniejszych elementów. Ta praca ilustruje sposób, w jaki każdy z obiektów przestrzega reguł zachowania stada – trzymają się dość blisko siebie, a jednak nie kumulują się nadmiernie w jednym rejonie, ciągle podążając w określonym kierunku. Algorytm, który generuje formę, pozwala zatrzymać system w dowolnym momencie, dzięki czemu możemy otrzymać katalog rozwiązań estetycznych i taką konfigurację przestrzenną, która spełnia nasze oczekiwania i wymagania.

Powyższe przykłady stosują inteligencję roju jedynie jako zabieg estetyczny. Inaczej do zagadnienia podszedł Robert Stuart-­Smith, który wraz ze studentami londyńskiej Architectural Association Design Research Lab zaproponował most w Sao Paulo drukowany przez rój dronów. W przeciwieństwie do liniowych procesów, w których najpierw powstaje projekt, a potem zostaje on wykonany, nieliniowe procesy dzieją się cyklicznie i równocześnie. Inteligencja rozproszona decyduje o rozmieszczeniu elementów konstrukcyjnych na podstawie informacji zbieranych w czasie rzeczywistym i ocenia zachowania materiału. Analizuje ona obciążenia i rozmieszcza minimalną potrzebną ilość materiału do osiągnięcia wcześniej określonego celu. Projektant mostu nie musi już brać pod uwagę czynników zewnętrznych oraz kontekstu środowiskowego i projektować różnych mostów dla poszczególnych lokalizacji. Jego zadaniem jest stworzenie responsywnego algorytmu, który w procesie tworzenia bierze pod uwagę otoczenie. Prototyp projektu został usytuowany pomiędzy dwoma klifami, a planowany most miał za zadanie skrócić odległość między nimi. Algorytm sekwencji druku wykorzystując informację od roju, zmienia proces konstrukcyjny i typologię obiektu, tak aby z dwóch początkowych wsporników mogła powstać jedna struktura mostu. Otrzymana w wyniku tego procesu lekka, ażurowa konstrukcja jest bardziej wytrzymała od tradycyjnej. Podobnie na poziomie zarówno projektowym, jak i konstrukcyjnym budują swoje gniazda termity. Nawet kilkumetrowe termitiery zlepione są z przeżutego drewna i przyjmują kształty odpowiadające warunkom środowiskowym, tak aby zapewnić między innymi wysoką wilgotność powietrza i niską temperaturę wewnątrz.

Przodującą pracownią, która zajmuje się procesami nieliniowymi w projektowaniu architektury i struktur jest Bollinger + Grohmann (B+G). Klaus Bollinger, dziekan Wydziału Architektury wiedeńskiej Akademii Sztuk Pięknych i konstruktor, pokazuje, że estetyka może być wynikiem działania złożonych procesów biologicznych. W projektach B+G wielokrotnie wykorzystywaną metodą projektowania jest optymalizacja strukturalna oparta na algorytmach genetycznych. Optymalizacja to działanie poszukujące najlepszego rozwiązania dla danego problemu, algorytmy ewolucyjne naśladują zaś Darwinowską teorię ewolucji i doboru naturalnego. Powtarzana cyklicznie instrukcja symuluje ewolucyjny rozwój pewnej populacji w określonych jednostkach czasu. W każdym kolejnym pokoleniu populacja wykształca takie cechy, które pozwalają jej lepiej odpowiadać na zadany problem. Tylko osobniki, które spełniają określone warunki, czyli mają lepiej wykształcone pewne cechy niż inne, mogą się krzyżować i przekazywać geny następnym generacjom. Kolejne powtórzenia tworzą jednostki o optymalnych cechach. Taka metoda pozwala na znajdowanie rozwiązań dla problemów złożonych, w których duża liczba zmiennych, ich konfiguracji oraz warunki zewnętrzne właściwie uniemożliwiają liniowe podejście.

Jednym z lepszych przykładów zastosowania optymalizacji jest projekt Infoboxu w Wiedniu. Architekci zmierzyli się tutaj ze złożoną infrastrukturą miejską oraz potokami ruchu ulicznego. Warunki miejscowe nie pozwoliły na zastosowanie tradycyjnej strategii projektowania konstrukcji – ani modularnej, ani centralnej, na której miał stanąć obiekt. Zamiast tego udało się zdefiniować kilka obszarów na poziomie terenu, w których potencjalnie można wylać fundamenty. Złożony algorytm ewolucyjny pozwolił na znalezienie kilku optymalnych rozwiązań, które spełniają warunki konstrukcyjne, lokalizacyjne i założenia programowe. Rozwiązanie ukazuje posadowienie budynku na smukłych, ponad dwudziestometrowych kolumnach połączonych z sobą za pomocą mniejszych ukośnych i poziomych elementów usztywniających i wspierających. Forma sieci, wygenerowana przez komputer, nie mogłaby powstać bez naśladowania procesów biologicznych.

Z kolei tymczasowy pawilon zaprojektowany przez SOMA przy technologicznym wsparciu B+G miał być miejscem działań w dziedzinie sztuki i muzyki współczesnej w Salzburgu. Architekci chcieli przede wszystkim zwrócić uwagę na to, że sztuka jest procesem, w którym bierze udział wielu uczestników. Nie powinien on być widoczny od samego początku, ale dopiero po dłuższej interakcji. Pawilon miał prowokować do zadawania pytań i zachęcać użytkowników do spotkania z nieznanym. W przeciwieństwie do tradycyjnego procesu projektowego, w którym najpierw kształtujemy formę, a potem dzielimy ją na mniejsze części, proces biomimetyczny rozpoczyna się od pojedynczego elementu i zestawu zasad i zależności. Matematyczna definicja określa, w jaki sposób forma może się rozwijać, a poszczególne elementy nawarstwiać. Profile, które składają się na pawilon, tworzą przestrzenną, rozedrganą formę. Przestrzenne nagromadzenie elementów zmienia swój wygląd w ciągu dnia w zależności od nasłonecznienia. Chmura elementów nie budzi skojarzeń z tradycyjnymi kształtami, jej przypadkowość ma pobudzać do dowolnych skojarzeń i interpretacji.

Algorytm generujący formę określały dwa jednoczesne procesy. Pierwszy miał za zadanie szukać pożądanej estetyki zapisanej za pomocą wartości matematycznych. Drugi natomiast określał optymalne rozwiązania strukturalne po to, by odkształcenia poszczególnych elementów były jak najmniejsze. Obrót i położenie wszystkich elementów analizowane były równocześnie pod kątem estetyki i konstrukcji. Cykliczny proces wybierał tylko te elementy, które spełniały określone kryteria, a na ich podstawie powstawała kolejna, bardziej optymalna forma.

MORFOGENEZA

Obok emergencji, morfogeneza to kolejny proces biologiczny, który architekci uczą się naśladować podczas projektowania. Rozwój każdego organizmu kształtowany jest przez wzrost i podział. Definiują one jego kształt na podstawie pewnych cechy własnych, które są skonfrontowane z bodźcami środowiskowymi. Wzrost w naturze polega na zwiększaniu się liczby komórek danego systemu lub zwiększaniu ich rozmiarów. D’Arcy Wentworth Thompson, szkocki biolog i matematyk z początku XX wieku w swojej książce On Growth and Form (O wzrastaniu i formie) dowodzi, że morfogeneza może zostać zapisana za pomocą działań matematycznych. Wskazuje przykłady zarówno na poziomie komórkowym, jak i całych systemów. Thomson zauważa, że forma nie jest zdeterminowana od samego początku rozwoju, ale jest wynikiem oddziaływań na wszystkich etapach rozwoju jednostki6.

We współczesnym dyskursie architektonicznym cyfrowa morfogeneza (Digital Morphogenesis) odnosi się do podejścia, które kwestionuje procesy top‑down (odgórne) na rzecz procesów bottom‑up (oddolnych) i formotwórstwa. Ten nurt postuluje zwracanie uwagi na zachowanie materiałów, a nie na ich wygląd; na procesy tworzenia, a nie ich wynik7. Z matematycznego punktu widzenia cyfrowa morfogeneza posługuje się algorytmami wzrostu, które później zapisywane są za pomocą kodu. Każda komórka ma swoje cechy i granice, w jakich może się rozwijać, a wszystkie możliwe zachowania, przekształcenia, kombinacje zdefiniowane są za pomocą parametrów w postaci równania matematycznego. Takie modele cyfrowe są wykorzystywane jako narzędzia generatywne w procesach poszukiwania formy. Odpowiadają one nie tylko za tworzenie kształtu, ale również za jego adaptowanie do warunków środowiskowych.

Architekt w tym przypadku jest projektantem kodu, określa zasady logiczne, jakie nim rządzą, kontroluje proces. Nie ma bezpośredniego wpływu na ostateczną formę, która powstaje w sposób automatyczny. Większość uwagi projektanta skupia się zatem na sposobie kształtowania obiektu, a nie formalnych zabiegach estetycznych. Synergia pomiędzy projektowaniem funkcjonalnym a estetyką zostaje porzucona na rzecz komputerowo generowanych relacji przestrzennych. Złożone przekształcenia geometrii, dynamiczne zmiany kształtu, nieliniowość kierunków zastępują znajome nam wzorce. Rzut budynku przestaje być najważniejszy. Powtórzenia, rytm, symetria tracą pozaestetyczną rację bytu. Nieskończona liczba różnych elementów jest tak samo łatwo osiągalna, jak modularność.

Podobnie jak w przyrodzie, morfogeneza cyfrowa odbywa się stopniowo, bez jednoznacznie określonego kierunku wzrostu czy metody adaptacji. W przeciwieństwie do procesów naturalnych projektanci, nie zajmują się tylko analizowaniem aktualnej sytuacji i znajdowaniem rozwiązań bieżących problemów, ale skupiają się głównie na celu. W tej sytuacji mogą oni jedynie określać pewne zachowania znane z natury i wykorzystywać je jako wzorcowe odpowiedzi na powstające problemy.

Protohaus to projekt londyńskiego zespołu architektów Softskill Design. Forma architektoniczna wspiera się tylko o zbocze wzgórza; jest generowana przez algorytm imitujący wzrost kości. Materiał stopniowo nawarstwia się tylko wzdłuż linii naprężeń, nie powodując niepotrzebnego obciążenia. Algorytm decyduje, w jakim kierunku i w jaki sposób będzie rozwijać się obiekt. Dzięki temu projekt jest konstrukcyjnie najbardziej wydajny. W rezultacie otrzymujemy bardzo lekką, włóknistą formę. Porowata struktura pozwala przesiąkać wodzie z zewnątrz, od środka pozostaje wodoszczelna. Wśród wygenerowanych rozwiązań architekci szukają formy, która wydaje im się estetycznie i formalnie najbardziej interesująca. Wpływają oni również na proces powstania formy, zmieniając warunki, w jakich działa algorytm. Mogą go udoskonalać tak, żeby odpowiadał na nowo zadawane problemy. Na główną zasadę działania – wzrost kości – podobnie jak w naturze może oddziaływać wiele parametrów zmiennych w czasie. Każda taka zmiana skutkuje innym rozwiązaniem formalnym, które ciągle spełnia pierwotne założenie. Materiał użyty do budowy i jego gęstość zmieniają się wraz z funkcją obiektu.

ZŁOŻONOŚĆ

Żadne procesy biologiczne nie występują samodzielnie. Przyroda to system powiązań pomiędzy poszczególnymi elementami. Często, żeby ją zrozumieć, wyodrębniamy pojedyncze procesy i analizujemy je w odosobnieniu. Każdy organizm kształtowany jest przez nieokreśloną ilość procesów i bodźców, które zachodzą równocześnie i wpływają na pozostałe.

Biomimetyczne podejście do projektowania i zapisywania procesów projektowych w postaci algorytmów nie jest powszechnie akceptowane. Kwestionuje się między innymi zdolność uzyskania dobrych lub optymalnych rezultatów na podstawie losowego zbioru osobników, szczególnie że projektant kodu deklaruje, jakie czynniki będą wpływać na rozwój kolejnych pokoleń. Przecież w naturze liczba zmiennych jest nieskończona, wszystkie elementy tworzą większy ekosystem oddziaływujący na siebie, a cel jednostki i systemu zmienia się w czasie wraz ze zmianą warunków i otoczenia.

Joe Kaplinsky zwraca uwagę na to, że biomimetyka w pewnym sensie odrzuca dokonania cywilizacji i ignoruje kody kulturowe wykształcone przez ostatnie kilkaset lat. Wprowadza ona dychotomię w relacji człowiek–natura. Jasno rozdziela dokonania ludzkości i możliwości, jakie daje nam natura. Biomimetyka według Kaplinsky’ego  bezkrytycznie wskazuje wyższość rozwiązań opartych na procesach biologicznych nad proponowanymi przez człowieka, kwestionując możliwość aplikacji tych procesów dla środowiska zbudowanego przez człowieka, rządzonego nie tylko przez podstawowe procesy biologiczne, ale również z wykształconymi zachowaniami społecznymi, przyjętymi prawami i zasadami. Wskazuje, że ostateczne rozwiązanie powinno być kompromisem między projektowaniem bazującym na naturze a zdobyczami cywilizacji. Tylko takie podejście zdaniem badacza pozwoli znaleźć harmonijne rozwiązania8.

Biomimetyka nie zawsze musi się przejawiać w estetyce i formie architektonicznej. Janine Benyus twierdzi, że możemy naśladować przyrodę na trzech poziomach: organizmu lub jego części (wtedy dosłownie powielamy strukturę, geometrię lub kształt); działania i zachowania (wtedy wykorzystujemy procesy, które nie muszą wpływać bezpośrednio na estetykę); ekosystemu (wtedy nie tylko naśladujemy samo zjawisko i organizm, ale przyglądamy się mu w jego otoczeniu, takie podejście nie ma żadnych konsekwencji wizualnych)9.

Micka Pearce’a, architekta The Eastgate Centre w Zimbabwe, zainteresowały termitiery budowane na terenach pustynnych i półpustynnych południowej Afryki. Nawet kilkunastometrowe struktury zlepione głównie z przeżutego drewna pozwalają przetrwać termitom w nieprzyjaznych warunkach. Złożony system tuneli, przejść podziemnych i komór działa jak system wentylacyjny. Najpierw gorące powietrze schładza się w systemie korytarzy i wędruje do komory mieszkalnej, tam nagrzewa się dzięki aktywności metabolicznej owadów i znów wędruje do góry, schładza się, miesza z powietrzem z atmosfery, wzbogaca się o tlen i znów opada. Odświeżone powietrze trafia znów do komór mieszkalnych.

Zaprojektowana przez Pearce’a dość tradycyjna forma architektoniczna jest wzbogacona jedynie o detale, które wspomagają system wentylacji. Niewielka liczba okien, ażurowe elewacje i kominy wentylacyjne są właściwie jedynymi elementami, które manifestują biomimetykę.

Pearce nakreśla kolejny dyskurs w projektowaniu biomimetycznym. Udowadnia, że możemy uczyć się od natury, nie odrzucając wzorców kulturowych i kanonów piękna. A może stara się, mimo wszystko, podążać za regułami estetycznymi architektury modernistycznej? Każde pokolenie szuka swojej tożsamości i sposobów wyrażania poglądów i wzorców estetycznych, również w architekturze. Biomimetyka, wraz z ekonomią cyrkularną, demokratyzacją społeczeństwa, proponuje alternatywny paradygmat projektowy. Zastąpienie tradycyjnych form przez nieliniowe geometrie dzisiaj staje się coraz bardziej możliwe. Nowe metody fabrykacji oparte na masowej kastomizacji pozwalają na wytwarzanie obiektów dokładnie odpowiadających potrzebom projektowym. Maszyny, wykorzystywane do tej pory w przemyśle ciężkim, potrafią precyzyjnie zmaterializować wirtualny projekt. Gdy przyjmiemy, że pluralizm w architekturze pozwala na jej ciągły rozwój, możemy chyba stwierdzić, że biomimetyka wzbogaca nie tylko język estetyczny i formalny architektury, ale wprowadza do niej również inne sposoby myślenia i postrzegania przestrzeni.