ADAPTOWALNOŚĆ

Systemy biologiczne dostosowują się do swojego środowiska i rozwijają pod presją lub w warunkach stresu. W trakcie wzrostu systemy aktywnie odpowiadają na zewnętrzne bodźce, formując w ten sposób architektury lub mikrostruktury o ulepszonych funkcjach. Na przykład mikrostruktura komórek drzewnych jest uzależniona od pojemności, a jej zróżnicowanie pokazuje rozziew pomiędzy kwadratowymi komórkami w górnych partiach gałęzi i okrągłymi w dolnych, w zależności od tego, czy poddawane były one procesom kompresji czy nacisku. Ugięcie, działanie polegające na zginaniu lub wykrzywianiu, jest powszechnie występującym w systemach biologicznych sposobem obciążania, na który pozwalają organiczne składniki materiału cechujące się zróżnicowaniem struktur i wykazujące anizotropiczne, wieloosiowe właściwości.

W szerokiej skali ewolucji, adaptowalność do uwarunkowań środowiskowych i niestabilność stanowią klucz do złożoności i zróżnicowania żywych systemów. W pełni zoptymalizowany gatunek, który dostosował się do konkretnego środowiska, nie oprze się niestabilności i zmianie; organizm obdarzony nadmiernymi możliwościami lub redundancjami przetrwa i dostosuje się drogą stopniowych stochastycznych wariacji. Podporządkowane logice przeciwstawiającej się mechanicznym pojęciom wydajności i standardów, bogactwo systemu biologicznego opiera się na redundancji i zróżnicowaniu.

Budynki są złożonymi systemami służącymi do życia i jako takie stanowią również przedmioty przemian – w trakcie swojego istnienia wykazują zmiany o charakterze morfologicznym i odpowiadają na podlegające ewolucji konteksty2. Użytkownicy, funkcje, technologie, posiadanie, rynek i polityka państwa zmieniają się z czasem i to właśnie zdolność budynku do tego, aby odpowiadać na te zmiany, determinuje jego cykl życiowy, obejmując aspekty związane z przestrzenią, strukturą i usługami. Jak w wypadku przyrody: „obcisły” projekt, który jest mocno dookreślony i odpowiada optymalnie wyłącznie na konkretne warunki, nie będzie miał zasobów niezbędnych do tego, aby przyjąć zmianę. To raczej nadmiar możliwości sprawia, że system może się dostosowywać i przyjmować alternatywne sposoby działania. Ruchome struktury, dające się przekształcać przestrzenie, systemy modułowe i skalowalne platformy stanowią niektóre spośród architektonicznych odpowiedzi na wyzwanie związane ze zmianą, wszystkie zaś wymagają pewnej dozy redundancji. Pospolite przestrzenie, anizotropiczne konfiguracje i wszechobecna dystrybucja usług umożliwiają elastyczność i wydłużenie cyklu życia, jednak brakuje im zalet i jakości związanych z tym, co wyjątkowe, szczególne i zrobione na specjalne zamówienie. Zamiast tego, alternatywne sposoby myślenia polegają na „projektowaniu dla dekonstrukcji i rozbiórki” jako strategiach zrównoważonej zmiany; wartościowa specyfika komponentów zostaje zachowana przy jednoczesnym skupieniu się na styku pomiędzy nimi i krytycznych decyzjach projektowych mających ułatwić przyszłe zmiany. Bazująca na warstwowym modelu budynku, adaptowalność jest rozumiana poprzez zależności między jej składnikami w kategoriach przestrzeni i przepływu.

EMERGENCJA

Emergencja to pojawienie się systemu, którego nie dało się przewidzieć lub nie można wyjaśnić w świetle warunków go poprzedzających. Powiązana ściśle z koncepcją samoorganizacji, stanowi wynik dynamicznego procesu, w ramach którego duża całość jest kształtowana poprzez interakcję jej części, przy jednoczesnym utrzymaniu spójności bez kontroli zewnętrznej. Pojawienie się wymaga nowości na poziomie makro w odniesieniu do poziomu mikro.

Istota emergencji jest ściśle powiązana z życiem, i to w obydwu skalach: począwszy od pojedynczego organizmu aż po globalną skalę ewolucji. Jeśli spojrzy się na historię jako ciągły wzrost złożoności, można dostrzec w niej nagłe zmiany, które wiążą się z pojawieniem się całkowicie nowych form życia: narodziny życia z materii nieorganicznej (abiogeneza), narodziny form reprodukujących się drogą płciową, pojawienie się czujących zwierząt obdarzonych układem nerwowym i wreszcie nadejście ludzi jako zwierząt rozumnych. Chociaż każde z tych zjawisk jest osadzone w poprzedniej i prostszej fazie, da się je zrozumieć wyłącznie w kategoriach jemu właściwych reguł organizujących, co czyni je właśnie przykładem emergencji.

Podobnie jak w wypadku globalnej skali ewolucji, jednostkowa skala żywego organizmu jest również przypadkiem ekspresji emergentnych właściwości życia. Jednokomórkowa bakteria jest żywa, ale sama kombinacja tworzących ją mikromolekuł nie prowadzi do powstania formy życia; ostatecznych cech bakterii nie dałoby się na ich podstawie przewidzieć. Życie jako biologiczna organizacja materii na poziomach o rosnącej złożoności – od subatomowego do całej biosfery – jest emergencją.

Architektura rozumiana jako trójwymiarowa aranżacja materii jest obecna we wszystkich formach świata, począwszy od nieożywionego krajobrazu geologicznego aż do żywych organizmów, i obejmuje wszystkie rozmiary, od najmniejszego atomu do skali gatunku zwierzęcego. Zarówno formy ożywione, jak i nieożywione są dynamiczne i zmieniają się w czasie, poddane procesom wewnętrznym i siłom działającym na nie z zewnątrz. Podczas gdy formy nieożywione, takie jak chmury, burze czy wydmy, są nieustannie rozbijane i odnawiane w postaci trójwymiarowych struktur, organizmy żywe trwają jako integralna całość. Niespokojne przepływy energii, informacji i materiału mogą ostatecznie doprowadzić do zapaści systemu, a jego reorganizacja prowadzi do powstawania nowych form, również poddanych ewolucji, rozpowszechnianiu, trwających w czasie i na nowo wystawionych na fluktuacje. Wzorzec ten jest powszechny dla wszystkich form życia i ludzkiej kultury, czy to w materialnej formie miast czy też wirtualnej formie informacji i języka, ponieważ te ostatnie są również złożonymi systemami, w ramach których wyłaniają się porządki i wzory.

Zaczerpnięte z innych obszarów wiedzy, pojęcie emergencji zaczęto stosować w ostatnich latach na gruncie architektury, zmieniając tym samym rozumienie tej ostatniej oraz sposób, w jaki ją tworzymy. Za pomocą tego pojęcia do dziedziny architektury wprowadzane są idee złożonego zachowania w systemach architektonicznych i stosowane modele procesów projektowych opartych na morfogenezie, odznaczające się również mocnym związkiem z wytwarzaniem.

FAŁDA

Fałda jest biologicznym mechanizmem, który umożliwia geometryczne przekształcenie płaskiego materiału w trójwymiarowy kształt o najbardziej wydajnej formie. Przyroda używa algorytmów fałdowania w różnych skalach, od protein i DNA po kwiaty, liście, skrzydła, powieki, małżowiny uszu i łańcuchy górskie. Proteiny, cegiełki ludzkiej komórki, są w istocie łańcuchami aminokwasów, które rozciągają się niczym spaghetti z mechanizmów komórkowych zwanych rybosomami. Fałdowanie protein jest procesem, w trakcie którego powstaje trójwymiarowa struktura proteiny. Kiedy proteina zostaje zsyntetyzowana, w swojej pierwotnej postaci pojawia się jako łańcuch aminokwasów pozbawiony określonej struktury. Aby mogła spełniać daną funkcję, aktywowany zostaje algorytm fałdowania, w wyniku którego powstaje prawidłowa przestrzenna forma. Panuje przekonanie, że to właśnie przez nieprawidłowe zaginanie protein dochodzi do choroby Alzheimera, choroby szalonych krów czy różnego rodzaju nowotworów.

Biolodzy nadal nie do końca rozumieją metodę determinującą złożoną formę, którą ostatecznie uzyskują długie proteinowe łańcuchy. Głównym celem prowadzonych obecnie badań nie jest jednak wyłącznie zrozumienie zagięć protein i tego, co może w trakcie procesu pójść nie tak, ale także projektowanie nowych białek. Forma protein determinuje ich funkcję, a zatem tworzenie białek zagiętych w nowe kształty może prowadzić do tworzenia składników o nowych lub ulepszonych właściwościach: lekarstw, chemicznych katalizatorów, a nawet molekuł, które usuwają z powietrza dwutlenek węgla lub rozpuszczają trujące toksyny. Fałdowanie jest dynamiczne i zależy od czynników środowiskowych, takich jak światło czy wilgotność. Algorytmy przyrody mogą nas nauczyć wielu rzeczy, między innymi tego, jak i dlaczego płatki kwiatów są pofałdowane.

Fałda, charakterystyczna dla baroku, powróciła niedawno do dyskursu architektonicznego dzięki możliwości cyfrowego projektowania „pofałdowanych” struktur. W tym nowym kontekście zyskuje ona konfigurację przestrzennego diagramu, przedstawianego na planach i przekrojach, które wyrażają stojący za nią algorytm.

Ten dyskurs rewitalizacji fałdy ma swoje źródła w filozofii Gilles’a Deleuze’a. Odnosząc się do idei czasu i przestrzeni, wypracował on pojęcie fałdy (le pli), twierdząc, że podważa ono tradycyjny kartezjański sposób patrzenia na przedmioty w przestrzeni i że należy wiązać je nie z morfologią formy, ale raczej ontologią stawania się, wielości i zróżnicowania, która zachowuje ruch i ciągłość. Dla Deleuze’a fałda oznacza nową ramę, w obrębie której związek między wnętrzem i zewnętrzem jest płynny, a granice między jednym i drugim – zamazane.

Deleuzjańskie pojęcie fałdy jest oparte na percepcji ciągłego twórczego procesu, umożliwiającego istnienie równoległych ścieżek, ekspresję potencjału, który nie został jeszcze urzeczywistniony. Dzięki rozwojowi narzędzi cyfrowych fałda stała się podstawą dla stochastycznych form kreacji i zjawiska, które zaczęto określać mianem „cyfrowego gotyku”. Jak się wydaje, przyszłe zastosowanie fałdy w architekturze znajdzie raczej swój maksymalny wyraz w jej aspekcie materialnym, aniżeli w jej przestrzennych, schematycznych implikacjach. Materiały programowalne na nanopoziomie umożliwiają tworzenie powierzchni nie tylko zdolnych do fałdowania się i rozwijania, ale także do zmieniania się w sposób, którego nie da się przewidzieć. Innowacje te w naturalny sposób prowadzą do rewizji naszych poglądów na temat związków między budynkami i ich otoczeniem oraz między ciałem i strukturami architektonicznymi.

MEMBRANA

Biologiczna membrana to cienka bariera między komórką i jej otoczeniem, chroniąca i zachowująca doskonale nastrojony chemiczny układ komórki. Substancje rozpuszczone, małe i duże molekuły, są transportowane z i do wnętrza komórki przez membranę dzięki różnym mechanizmom. Niektóre przenikają swobodnie, inne wymagają aktywnego transportu za pośrednictwem pochłaniających energię pomp, inne nie mogą przeniknąć w żadnym z tych kierunków.

Biologiczna membrana ma płynne właściwości, które dają jej elastyczność, dzięki czemu może się rozszerzać i, kiedy jest to konieczne, pozwala komórce na wzrost. Może się rozciągać, ale ulegnie rozerwaniu, gdy będzie działać na nią nadmierna siła. Ma jednak zdolność zaleczania tego rodzaju naruszeń swojej powierzchni.

Poza kontrolowaniem ruchu z jednej i drugiej strony membrana ma jeszcze dodatkowe funkcje: umożliwia komórce utrzymanie potencjału elektrycznego, który jest kluczowy przy przesyłaniu bodźców neuronalnych w komórkach nerwowych i stanowi źródło dla dodatkowych przewodników sygnałów.

Membrana architektoniczna obejmuje architektoniczną strukturę i służy jako fizyczna bariera między wnętrzem i zewnętrzem, regulując warunki atmosferyczne, takie jak temperatura, promieniowanie, wilgotność, i kształtując uwarunkowania związane z akustyką czy widocznością.

Rola tej powłoki zmieniała się w czasie. Tradycyjny pogląd architektoniczny był oparty na całkowitej separacji wnętrza i zewnętrza – dzięki temu powłoka dawała schronienie przed siłami natury i zewnętrznymi zagrożeniami. Wraz z rozwojem ekologii w XXI wieku i wynikającymi z niego strategiami budowania w oparciu o idee zrównoważonego rozwoju, powłoce budynku przypisano nową rolę: obecnie, zamiast tworzyć warstwę izolującą oderwaną od swojego środowiska, ma ona działać w połączeniu z zewnętrzem.

W Izraelu w latach 50. ubiegłego stulecia architekci i planiści dostosowali modernistyczne budynki mieszkalne do specyficznych warunków klimatycznych poprzez zmianę orientacji budynków i uważne umiejscawianie otwarć, półotwartych przestrzeni i balkonów. Produkowane przemysłowo betonowe maszrabijja służyły do filtrowania światła słonecznego i wspomagały naturalną wentylację; kultura życia w Izraelu zasadzała się zatem na wpół otwartej przenikalnej przestrzeni balkonu. Dzisiaj, całkowite uzależnienie od mechanicznej kontroli warunków za pomocą klimatyzacji prowadzi do lokowania budynków w dowolnych miejscach, minimalnych balkonów i na wpół otwartych przestrzeni oraz monotonnie nieprzeniknionych powłok.

Technologiczne odkrycia doprowadziły do nowych sposobów traktowania powłok budynków – jako inteligentnych i złożonych systemów materiałów, zdolnych do niezależnego regulowania takich parametrów, jak temperatura, naturalne światło, woda i świeże powietrze. Owe nowe, rozciągliwe powłoki mają możliwość łączenia się z sobą, rozrostu oraz zamykania zewnętrznych przestrzeni, kiedy jest to potrzebne. Pionierskie technologie umożliwiają zmienianie granic budynku w dynamiczny sposób.

PASOŻYT

Słowo pasożyt (ang. parasite) pochodzi od greckiego parásitos (παράσιτος), gdzie pará oznacza „przy”, zaś sitos „jedzenie”, a złożenie tych dwóch członów: „jedzenie przy kimś, jedzenie przy cudzym stole”. Z punktu widzenia biologii pasożyt jest organizmem, który żyje w lub na innym organizmie, będącym jego żywicielem. Pasożyt otrzymuje od niego pożywienie i/lub ochronę i nie daje mu nic w zamian. Pasożyty mogą mieć bardzo różne rozmiary: od mikroskopijnych nawet do 30 metrów długości. W królestwie roślin powszechnym zjawiskiem jest sytuacja, w której miniaturowe rośliny rosną na większych, żywiąc się całkowicie ich kosztem.

Pasożytnictwo lęgowe jest praktykowane przez ptaki (głównie kukułki i starzyki brunatnogłowe), które składają jaja w gniazdach innych gatunków i porzucają je, pozwalając, aby zostały wysiedziane przez innych. Wśród nich, są takie, które nie szkodzą żywicielowi i jego potomstwu, podczas gdy inne wyrzucają jaja żywiciela, aby zmniejszyć podejrzenia związane ze swoim jajkiem. Pasożytnictwo społeczne to z kolei takie, w którym jeden gatunek zależy od pracy innego gatunku w ramach kolonii mieszanych gatunków. Tego rodzaju formę pasożytnictwa można spotkać w koloniach mrówek.

W ludzkim ciele znajduje się wiele pasożytów: grzyby, bakterie, wirusy i robaki. Skuteczne pasożyty koegzystują ze swoimi żywicielami, inne z kolei mogą wywołać szkodliwe reakcje lub wytwarzać toksyny szkodzące zdrowiu żywiciela lub zagrażające jego życiu. Żeby przetrwać, pasożyty muszą dostosować swoją działalność do działalności żywiciela, z której fizycznie i metaforycznie się utrzymują. We wszystkich przypadkach, tak długo jak związek ma charakter pasożytniczy (a nie symbiotyczny czy oparty na komensalizmie), ufundowany jest on na podstawowym braku uczciwości i równości.

Architektoniczny pasożyt to obiekt, który korzysta z zasobów przestrzennych i infrastruktury innego obiektu, nie dając nic w zamian ze swoich zasobów. W kontekście kulturowym pasożyt jest postrzegany jako wyzyskiwacz, który nie przynosi żadnej korzyści społeczeństwu i w związku z tym nie zasługuje na podstawowe prawa. Przejmuje przestrzeń, czasami osłabia funkcjonowanie systemu żywiciela i go obciąża. W wielu zakątkach świata istnieją pasożytnicze środowiska zrodzone z przyczyn anarchistycznych lub kryminalnych, albo powstałe na skutek braku zgody władz na niezależną infrastrukturę (w związku z czym mieszkańcy muszą się uciekać do praktyk pasożytniczych).

Pasożyty mogą działać jednak stymulująco na system, który jest w stanie dokonywać zmian w swoim otoczeniu, a to za sprawą utraty równowagi energetycznej. Pasożytnicza architektura może działać w tym kontekście jako pośrednik w zmianach społecznych, które pozostawią w tyle systemy miejskie, w których się sytuuje. Kiedy pasożyt zostaje wchłonięty do systemu miejskiego, stymuluje jego system odpornościowy, zakłócając w ten sposób status quo. W przeciwieństwie do żywiciela, pasożyt zawsze jest czynnikiem nieformalnym, zdolnym do podejmowania działań o charakterze spontanicznym i niesformalizowanych inicjatyw. Tym samym, w przestrzeniach miejskich istnieje całe mnóstwo miejsc rekreacji, bibliotek, parków, kin itp., które rosną na schodach, kolumnach, pustych działkach i przystankach.

SPRZĘŻENIE

Sprzężenie (biologiczne) jest dwukierunkowym procesem, w ramach którego każdy przedmiot czy organizm znajdujący się w systemie biologicznym jest kształtowany zarówno przez swoje własne działania, jak i otoczenie. Sprzężenie jest zjawiskiem o kluczowym znaczeniu dla przetrwania i rozwoju wszystkich regulacyjnych mechanizmów, które można znaleźć w przyrodzie. Mamy z nim do czynienia, gdy środowisko reaguje na działanie lub zachowanie organizmu po to, aby zapewnić zgodność między aktualnym i pożądanym biegiem wydarzeń.

Istnieją cztery etapy biologicznego sprzężenia: bodziec – zmiana w systemie, sensor – zmiana w detektorze, kontrola – odpowiedź na zmianę, efektor – efekt odpowiedzi.

Systemy oparte na sprzężeniu mogą być pozytywne lub negatywne. W systemach pozytywnych efektor procesu wzmacnia bodziec, który następnie zwiększa efekt odpowiedzi. Tego rodzaju pozytywnym systemem w organizmach żywych jest proces połogu i porodu u ssaków. W jego ramach efektorem jest oksytocyna, hormon, którego wzmożone wydzielanie zwiększa skurcze aż do momentu narodzin. Systemy pozytywne działają zwykle w oparciu o reakcje na fizjologiczny stres, a w ich ramach dokonuje się narastająca reakcja, w której każdy kolejny wytwór jeszcze bardziej intensyfikuje proces, który doprowadził do jego powstania.

W systemach negatywnych efektor procesu redukuje bodziec, prowadząc do zmniejszenia wytworu. Proces ten, powszechny wśród wszystkich żywych systemów, gwarantuje homeostazę organizmów.

Sprzężenie (architektoniczne) jest dwukierunkowym przepływem właściwym wszystkim przestrzennym interakcjom zachodzącym między ludźmi a przyrodą, ludźmi i budynkami oraz budynkami i przyrodą. Pomimo swojej biologicznej istoty, termin „sprzężenie” ma swoje korzenie w dziedzinie inżynierii obwodów elektrycznych, a literatura na jego temat sięga początków XX wieku. Za jego pomocą opisuje się pętle w układach elektrycznych, w których sygnał elektryczny uzyskany na wyjściu jest przekierowywany do wejścia, prowadząc do amplifikacji lub redukcji sygnału.

Postęp, jaki się dokonał w dziedzinie informatyki i teorii algorytmów, doprowadził do zastosowania pętli opartych na sprzężeniu na gruncie architektury, a tym samym przygotowania gruntu pod dyskurs na temat działania architektury. Zdolność do symulowania dynamicznych zachowań za pomocą cyfrowych narzędzi w trakcie projektowania i programowania pętli w systemach materialnych umożliwia ewaluację przyszłego działania projektu. Pozwala to na utrzymanie budynku w stanie „homeostazy”, a w konsekwencji zachowanie standardów komfortu dla jego mieszkańców.

Obecnie tworzone są biomateriały, które otwierają nowe sposoby ujmowania mechanizmów opartych na sprzężeniu. Oznacza to, że mechaniczny materialny system, kiedy zostanie wyposażony w sensor, elementy wykonawcze i kontrolery, może zostać zastąpiony przez integracyjny system biologiczny oparty na cyklu sprzężeń. Tego rodzaju dająca się programować materia architektoniczna będzie działać niczym żywy organizm i reagować na środowisko.

WŁÓKNA

Włókna to zorganizowane molekularne agregaty ułożone w określonym kierunku. Organiczne składniki strukturalnych tkanek biologicznych tworzących wszystko: od roślin aż po skorupiaki i ludzi, są białkowymi łańcuchami, które w hierarchiczny sposób budują kilka rodzajów włókien. Polipeptydy, takie jak kolagen, można odnaleźć w kościach, zębach, ścięgnach i organach wewnętrznych, podczas gdy keratyna znajduje się w paznokciach, piórach i szponach; polisacharydy, na przykład celuloza, znajdują się w roślinach, chityna zaś – głównie u owadów i skorupiaków. Wewnętrzna struktura włókien i ich orientacja w ramach całości, którą tworzą, ma wpływ na działanie struktury oraz jej właściwości, wytrzymałość czy sztywność.

Kolagen jest jednym z głównych składników licznych zwierzęcych (w tym ludzkich) tkanek; jest podstawowym budulcem elastycznych i sztywnych ciał. Jego struktura molekularna jest oparta na prawoskrętnej spirali złożonej z trzech nici, z których każda składa się z aminokwasów w lewoskrętnej spirali. Włóknotwórcze molekuły kolagenu tworzą mikrofibryle budujące włókna. Wewnętrzne pomarszczenie na różnych poziomach włókien zapewnia ścięgnom i wiązadłom ich właściwości mechaniczne – elastyczność i odporność na napięcia.

Celuloza jest najbardziej rozpowszechnionym polimerem na ziemi i stanowi budulec ścian komórkowych roślin. Wysoka anizotropia, właściwość polegająca na zależności od kierunku, jest główną cechą drewna. Włókienna organizacja równoległa do pnia w połączeniu z komórkową budową materiału nadają całej strukturze wysoką odporność na siły rozciągania i ściskania oraz wytrzymałość na złamania.

Na początku był węzeł. Włókna tworzą wiązki, liny, a na końcu tkaniny. Węzeł oraz struktura tkaniny są – dla Gottfrieda Sempera – historycznymi i konceptualnymi źródłami architektury. Jeśli podążyć za jego podejściem do zrozumienia materiałów jako form działania, włókna we współczesnej praktyce architektonicznej widać najlepiej w wypadku stalowych kabli – cienkich elementów skierowanych zwykle w jednym kierunku, które działają zgodnie z napięciem. Kable te przypominają wewnętrzną spiralną strukturę kolagenu, a różnią się tylko tym, że są wykonane z materiału nieorganicznego i mają relatywnie wysoką gęstość. Jeszcze bliższe pokrewieństwo względem naturalnych włókiennych konstrukcji można dostrzec we włóknach węglowych, z których stworzone zostały przestronne struktury o włókiennej tektonice, czy na przykład w pawilonach badawczych ICD-­Stuttgart, w których włókna zostały umieszczone w przestrzeni za pomocą robotycznego ramienia i utrwalone za pomocą polimerów.

Prawdopodobnie najważniejszą zaletą włókien jest ich naturalna zdolność do tworzenia hierarchicznych konstrukcji, budowania nowej całości o zróżnicowanych właściwościach. Źródła rzemiosła leżą w tworzeniu tkanin poprzez mechaniczne splatanie włókien w przestrzeni: tkanie, zaplatanie, filcowanie itp. Zróżnicowanie zastosowań włókien w architekturze obejmuje wykorzystywanie ich zarówno jako elementów konstrukcyjnych, jak i dekorację wnętrz; mogą być wykorzystywane jako pojedynczy materiał lub kompozyt ze względu na ich zdolność do samoorganizacji.

ZRÓŻNICOWANIE

Parametry działania organizmów są określane przez kilka typów komórek spełniających różne funkcje. Zróżnicowanie odnosi się do procesu, w ramach którego komórka zostaje wyspecjalizowana i przekształca się z pospolitej wielofunkcyjnej komórki w taką, która ma określoną formę i funkcję. Jest to kluczowy proces dla wszystkich etapów życia organizmów wielokomórkowych, począwszy od rozwoju pojedynczej komórki w fazie embrionalnej do w pełni rozwiniętego organizmu, a skończywszy na regeneracji i procesie zdrowienia dojrzałych organizmów.

Operacje chemiczne związane z różnicowaniem mogą zachodzić w czasie i przestrzeni. Tkanka może ewoluować od stanu embrionalnego do w pełni rozwiniętego dorosłego organizmu, który będzie odznaczał się bardziej rozbudowanym zestawem cech, za pośrednictwem zmiany dokonującej się w czasie, w ramach procesu znanego jako histogeneza. Regionalizacja odnosi się do zmian związanych z obszarem, kiedy na przykład jednorodna masa tkanki jest przekształcana w różne obszary o odmiennych właściwościach, jak to ma miejsce w wypadku kości i ścięgna. W ramach tego procesu właściwości, takie jak kształt komórek i ich rozmiar, metabolizm i reakcje na sygnały, ulegają zmianie, dzięki czemu komórka się specjalizuje i staje się gotowa do spełniania określonej roli.

Kiedy w proces dookreślania ostatecznych form i miejsca w przestrzeni włączają się siły fizyczne, wówczas zaczyna być on określany mianem morfogenezy.

Architektura tradycyjnie tworzy zróżnicowanie za pomocą formy i doboru materiału. Zróżnicowanie jako naturalna strategia stosowana w architekturze wprowadza pojęcie zmienności właściwości przejawiających się już na poziomie samego materiału. Gdyby odwołać się do definicji biologicznej, mielibyśmy tutaj do czynienia z miejscowym zróżnicowaniem, podczas gdy oparta na czasie wariacja architektoniczna podpadałaby pod adaptowalność.

Materiały inżynierskie umożliwiają lokalne zróżnicowanie poprzez ich wewnętrzną strukturę, która może się urozmaicać w miarę stopniowego narastania kolejnych materiałów.   Przykładem takich konstruktów przestrzennych są tkaniny i kompozyty. Tkaniny są tworzone dzięki trójwymiarowemu układowi włókien łączonych z sobą za pomocą splatania, tkania, zaplatania, filcowania itp. Różnice w parametrach – wzór, gęstość czy rodzaje włókien – mogą zachodzić w ramach ciągłej, powstałej w wyniku tych procesów, powierzchni tkaniny i jako takie mają wpływ na jej lokalne właściwości i zachowanie. Podobnie wygląda to w wypadku konstrukcji z włókiennych kompozytów, takich jak laminaty, w których dzięki układaniu w warstwy tkanin (lub włókien) w określony wzór i ich impregnacji za pomocą żywicy uzyskuje się zróżnicowany materiał o heterogenicznych właściwościach, opracowany w odpowiedzi na określone oczekiwania związane ze sposobem działania końcowego produktu.

Szybkie technologie prototypowania pozwalają na stopniowe budowanie materiałów poprzez nakładanie cienkich warstw. Standardowy druk 3D oparty na jednym materiale ewoluuje w stronę druku wielomateriałowego pozwalającego na dynamiczne mieszanie, stopniowanie i różnicowanie proporcji właściwości materiałów. Zróżnicowanie materiału otwiera możliwości optymalizacji związane z oczekiwanymi efektami i wydajne wykorzystanie materiału na gruncie projektowania i wytwarzania funkcjonalnych elementów.