Мегаполисы мира переживают «синдром нерезиновой» в острой стадии. По прогнозам демографов, к 2050 году в городских агломерациях будут жить в общей сложности около 7,5 млрд человек. Городская инфраструктура не поспевает за стремительной урбанизацией. Смог, дефицит ресурсов, удорожание жизни, рост преступности и разрастание трущоб перекочевали в разряд хронических болезней современных городов. Архитекторы предлагают лечить их с помощью высоких технологий: роботов-дронов, метаболических стройматериалов и штаммов бактерий-строителей.
Офисное здание Media-ICT в Барселоне, перестроенное три года назад из заброшенного склада, — один из успешных примеров футуристического градостроительства. Оно покрыто оболочкой из термопластика, которая надувается и сдувается в зависимости от воздействия солнечного света. Это позволяет поддерживать микроклимат внутри здания: летом оболочка не пропускает слишком много солнца во внутренние помещения, а зимой, наоборот, улавливает максимальное количество тепла. Надувной пластик полностью заменяет стекло и превосходит его по качественным характеристикам. Он в сто раз легче, пропускает больше света, задерживая при этом ультрафиолетовые лучи, и на 70% дешевле в установке. Удешевить удалось и энергетическую составляющую: металлический каркас здания покрывает специальная минеральная краска, которая аккумулирует солнечную энергию. Даже в пасмурный день собранной энергии хватает на восемь часов неяркого ночного освещения здания. Солнечные панели установлены также на крыше — рядом с системой сбора дождевой воды, которая собирается в огромные резервуары, очищается и используется повторно.
Все эти проекты пытаются бороться с основной проблемой традиционных городов — негибкостью инфраструктуры. Как строили раньше? Главным законом архитекторов было выполнение строительных нормативов, призванных увеличить срок жизни городов и обеспечить относительный комфорт жителям. Поэтому рассчитывали они на то, чтобы здания простояли хотя бы двести лет, инженерные коммуникации не нарушались даже во время землетрясений, а количество жилых метров и озелененной территории на душу населения попадало в установленные властями пределы. Города, построенные таким образом, вполне пригодны для жизни. Однако они с трудом адаптируются к каким-либо изменениям внешней среды — от климатических до роста популяции. В идеале они должны быть обучаемыми, легко и быстро меняться — как человек меняет одежду в зависимости от погоды. Именно этим принципом руководствовался при возведении Media-ICT испанский архитектор Эрик Руиз Гели, один из главных идеологов «зеленой» архитектуры. Он выступает за максимальный симбиоз в урбанистике человека, технологий и природы. Надувные пластиковые «лепестки» на фасаде здания, реагирующие на солнечный свет, — пример того, как строительные материалы помогают городу меняться, вступать в диалог с природой.
Природу и технологии можно соединить двумя способами. Можно внедрить живые организмы в традиционные здания и инфраструктуру, сделав их более «зелеными». Эти решения просты и очевидны: еще «отец современной архитектуры» Ле Корбюзье в 1920-е годы предложил делать крыши домов плоскими, чтобы на них можно было разбивать сады. С тех пор человечество научилось обсаживать растительностью не только крыши, но и стены жилых кварталов (например, водорослями или бобовыми, которые затем можно использовать для производства биотоплива), открывать вертикальные фермы и организовывать огороды во внутренних двориках городских домов. Другой путь — попытаться «мимикрировать» под природу: создать с нуля строительные материалы, которые будут вести себя как живые. Британский архитектор Рэйчел Армстронг, не первый год работающая над темой, называет такие материалы «метаболическими». И ведь не поспоришь: они и в самом деле запускают обмен веществ с окружающей средой, имитируя процесс метаболизма.
СПАСТИ ВЕНЕЦИЮ
Идеи, над проведением в жизнь которых сейчас работает Армстронг, пригодятся отнюдь не в строительстве городов будущего, а в сохранении города прошлого. Архитектор является автором одного из нашумевших проектов по спасению Венеции от затопления. Как известно, у города и лагуны, в которой он расположен, непростые отношения. Ежегодно уровень воды поднимается на несколько миллиметров, а резкий ветер гонит с Адриатики к суше высокие волны. Из-за оседания грунта и постоянных наводнений горожане вынуждены четыре-пять раз в год ходить по деревянным настилам.
Несколько лет назад спасти город собирались с помощью строительства специальных заградительных сооружений, призванных остановить «большую воду». Однако противников этого проекта в конечном счете набралось не меньше, чем сторонников. Дамба, разумеется, защитит город от наводнений, но при этом затруднит обновление воды в каналах — а запах застоявшейся воды моментально пресечет поток туристов. К тому же венецианские здания могут разрушиться, прежде чем жители города окончательно пересядут с автомобилей в гондолы. Дело в том, что кирпич, которым обложены старинные дома, каждый день подвергается воздействию соляных кристаллов. Они перекочевывают в каналы Венеции из Адриатического моря. А там, где кирпич не касается воды, его иссушает яркое солнце. Без укрепления фундамента городские здания очень быстро придут в аварийное состояние даже с возведенной дамбой.
Потенциальный спаситель Венеции, которого обнаружила Армстронг, настолько мал, что разглядеть его можно только в микроскоп. Это небольшой мешочек жировой ткани с химической батареей внутри, который называется протоклеткой. Протоклетку можно запрограммировать — точнее, навязать ей с помощью химических реагентов определенный алгоритм поведения. «Протоклетки работают по принципу лейкопластыря, — объясняет Армстронг в презентации своей идеи на конференции TED. — Некоторые их разновидности живо реагируют на свет и уплывают от него в тень стен и мостов. Они прилепляются к кирпичу и дереву и образуют что-то вроде второй кожи, защитного покрова». Со временем этот покров начинает добывать из проточной воды кальций и углекислый газ и образовывать известняковую корку, этакий каменный корсет для целого города. В итоге, уверена Армстронг, таким образом удастся вырастить с помощью протоклеток огромную известняковую плиту, которая станет для Венеции вторым фундаментом.
Протоклетки очень хорошо показали себя в пилотных экспериментах в Венецианской лагуне. Однако шанс провести масштабные исследования британскому архитектору еще не выпал: не хватает финансирования. Сейчас Армстронг обивает пороги инвесторов и не теряет оптимизма: она уверена, что стоит на пороге нового прорывного сегмента индустрии стройматериалов.
СТРОЙКА ПОД МИКРОСКОПОМ
Перспективы метаболических материалов и вправду выглядят чрезвычайно заманчиво. По оценкам американской исследовательской компании Navigant Research, в ближайшие семь лет мировой рынок «зеленых» строительных материалов вырастет более чем в два раза — со $116 млрд в 2013 году до $254 млрд в 2020-м. Причем речь идет не только об «умных» синтетических материалах вроде надувного термопластика или известняковых протоклеток, но и о куда более одушевленных, то есть созданных на базе живых организмов. В ход, как правило, идут микробы и бактерии, которых архитекторы «вербуют» для выполнения нестандартных задач.
Так, голландским ученым из Делфтского технического университета удалось решить проблему хрупкости бетона. Это один из самых распространенных и дешевых стройматериалов в мире, однако он плохо выдерживает постоянную вибрацию и склонен к растрескиванию. Голландцы же разработали цементную смесь, которая в составе бетона может самостоятельно «заделывать» трещины с помощью микроорганизмов, образующих известняк. Способ этот несложен и довольно дешев. Споры бактерий и питательная среда — кальциевые соли органических кислот — помещаются в виде гранул в цемент. Если в нем образуется трещина, куда проникает влага, жизненный цикл бактерий активизируется — и они начинают размножаться. Точно так же, как протоклетки, они образуют известняк и со временем заполняют трещину. В опытных условиях удалось избавиться таким образом от трещин шириной в полмиллиметра. Исследователи обещают, что массовое производство биобетона начнется в течение четырех лет.
Этот пример далеко не единственный. Архитектор Дэвид Бенджамин, основатель исследовательской лаборатории The Living, работает над новейшей отраслью науки, которую он называет программированием природы. Вместе с учеными Кембриджа он пытается построить компьютерные модели и алгоритмы, описывающие поведение бактерий. Конечная цель — научиться влиять на них, а затем при их помощи получать строительные материалы с уникальными характеристиками. Суть эксперимента Бенджамин объясняет так: «Считается, что бактерии могут создавать гибкие или плотные материалы в зависимости от их вида и способностей собираться в колонии. Мы искусственно выращиваем в чашках Петри штаммы, которые имеют очень сложную пространственную структуру. Материалы, полученные с помощью таких бактерий, обладают смешанными характеристиками: часть их гибкая, другая часть плотная».
Пока технология производства метаболических материалов еще очень далека от того, чтобы серьезно повлиять на рынок. Однако как только Бенджамин построит компьютерный симулятор поведения бактерий, он сможет получать их синтетическим путем, без использования чашки Петри: например, печатая на 3D-принтере. А это значит, что до массового создания биоматериалов рукой подать. Потенциальное применение таких материалов и возможные прибыли почти безграничны! Печатать можно будет не только строительные материалы и покрытия, но также живые ткани и органы, уникальные материалы для космической и аэровоздушной индустрии, даже биологических нанороботов.
Сегмент биоматериалов уже заинтересовал корпорации с мировым именем, хотя ни один проект по созданию программируемых материалов за пределы лабораторных стен пока не вышел. Полгода назад компания Autodesk, разработчик программного обеспечения CAD, объявила о совместном проекте с одним из лидеров рынка биопринтеров Organovo. Софтверная компания предоставила партнеру возможность виртуально моделировать живые ткани на микроскопическом уровне. Правда, на то, чтобы напечатать опытные образцы, уйдет пять-семь лет. В эру смартфонов это время кажется вечностью, однако для медицины и строительной отрасли такой срок можно считать скоростным.
ЗАМКИ ИЗ ПЕСКА
Трехмерная печать, к слову, становится вполне самостоятельным методом градостроительства. Сейчас архитекторы используют 3D-принтеры в основном для создания макетов зданий, а также послойного производства предметов интерьера и малых архитектурных форм. Однако перспектив у них громадье. Итальянец Энрико Дини, основатель компании Monolite, мечтает в один прекрасный день напечатать полноразмерное здание — исключительно силами роботизированного принтера, без человеческого вмешательства. Принтер уже есть: Дини является автором крупнейшей в мире системы трехмерной печати D-Shape, которая может создавать здания из песчаника и неорганического связующего вещества. Это вещество (смесь кальция, алюминия, кремния и некоторых других химических элементов) заставляет песок превращаться в твердейший минерал, которому, в отличие от цемента, даже не нужна арматура для усиления конструкций. В принтер закладываются проекты любых домов. Он напечатает арки, окна, лестницы, трубопроводы под канализацию и вентиляцию. Послойно возводя по одному и тому же эскизу серии домов, принтер может в четыре раза быстрее традиционного способа построить целые жилые кварталы: останется лишь продумать элементы городской инфраструктуры. Причем себестоимость таких домов будет примерно на треть дешевле, чем обычных. Можно было бы добиться еще большей экономии, если бы связующее вещество не обходилось так дорого, утверждает Дини. Дешевого заменителя пока не нашлось.
На сегодня с помощью D-Shape удалось создать в три приема небольшой дом; для здания в полный рост нужен принтер большей мощности и размера. Инвестиции, с которыми у архитектора пока туговато, скоро появятся. Проектом заинтересовалось Европейское космическое агентство (ESA), предложившее Дини поработать над созданием домов из лунного грунта. Если принтер сработается с новым материалом, который представляет собой грязь пополам с пылью, на Луне может возникнуть напечатанная им база из нескольких жилых модулей. Такая технология, по словам представителей ESA, обойдется гораздо дешевле, чем доставка готовых модулей на поверхность Луны с Земли.
Впрочем, речь идет не только об удешевлении и ускорении темпов возведения зданий. Трехмерная печать может породить совершенно новую логику градостроительства. Запрограммированные машины будут постоянно создавать, достраивать и перестраивать целые города, добывая строительные материалы из близлежащего карьера. Только представьте: в семье родился ребенок — и принтер «допечатывает» еще один этаж к дому. Во время крупного спортивного события забиты все отели? Не проблема, нужно всего лишь заказать за неделю нескольким принтерам типовые гостиницы. Разумеется, сегодня строительная индустрия к столь колоссальным изменениям не готова: в ней слишком силен институт посредников. Энрико Дини, тем не менее, уверен, что рано или поздно все стройки отдадут на откуп роботам — и произойдет это, по мнению архитектора, еще на его веку.
ЭТО НЕПРАВИЛЬНЫЕ ПЧЕЛЫ
В стенах лабораторий это уже отчасти случилось. В начале этого года на видеосервисе YouTube появился ролик, в котором несколько миниатюрных летающих роботов возводят башни и различные кубообразные конструкции из строительных модулей. Авторами ролика стали ученые из лаборатории GRASP Пенсильванского университета: им одним из первых удалось создать коллективную «стаю» роботов-дронов. Каждый из роботов, называющихся квадроторами, оснащен четырьмя пропеллерами, работающими по принципу вертолета, программируемым модулем, батарейкой питания и захватывающим механизмом. Этими «лапками», как строительными кранами, они зацепляют детали и, плотно удерживая их, переносят на строительную площадку. Там роботы определяют, куда лучше вписывается выбранная деталь, и монтируют ее в конструкцию, пока та не станет устойчивой. Три робота собирают несложную башню за полчаса — и могут повторять действия до тех пор, пока у них не кончатся строительные модули. Для того чтобы определить свое текущее положение в пространстве и не столкнуться друг с другом, квадроторы используют камеру и автоматическую систему идентификации. В более крупном масштабе им пришлось бы прибегнуть к помощи GPS-навигации.
Автоматическому строительству обучены и наводные роботы, созданные в том же университете. Они представляют собой программируемые блоки, дрейфующие по водной поверхности. При необходимости эти блоки могут соединиться в мост, вертолетную площадку или любую другую желаемую конструкцию. В другом ролике на YouTube боты участвуют вместе с квадроторами в импровизированной сцене спасения человека. Вначале игрушечный человечек Lego в машине скорой помощи перебирается через бурное течение по понтонному мосту, собранному прямо у него на глазах из «умных» наводных блоков, а затем достигает вертолетной площадки, где его перехватывает робот-коптер.
Координированные стайки быстрых роботов, размерами и внешним видом напоминающие насекомых, можно научить многому. Пока что квадроторы и очень похожие на них роботы гарвардского проекта Robobees, представленные публике месяц назад, не слишком умны. Они могут летать, избегая столкновений с подвижными и неподвижными объектами, образовывать сложные фигуры вроде «восьмерки» и двигаться по заложенным в них алгоритмам и траекториям. Однако и этого достаточно, чтобы возлагать на них большие надежды. Роботы-насекомые могут решить главную проблему сельского хозяйства, связанную с сокращением популяции пчел. Лишившись главных переносчиков пыльцы, растения рискуют остаться неопыленными. Особенно остра ситуация в городской черте, где медоносы часто не могут выдержать загрязненной атмосферы и погибают. На этот сегмент четко нацелены создатели Robobees: они хотят обучить роботов полетам от цветка к цветку и искусственному переносу пыльцы с растения на растение.
Затором на пути роботов к городским садам и паркам становятся аккумуляторные технологии. Заряда батарейки в легчайших миниатюрных роботах хватает ненадолго. Впрочем, это не единственная проблема: автор проекта Robobees Роберт Вудс говорит, что до имитации поведения пчел интеллекту роботов пока далеко. Да и способ промышленной сборки роботов и материалы, из которых они делаются, еще не отточены. К тому же одно дело — жужжать в уютной лаборатории с искусственными цветами, и совсем другое — отправиться на реальную улицу с дождями, ветром, живыми людьми и хищниками, которые, очевидно, не будут замечать разницу между настоящими насекомыми и их роботизированными двойниками.
Увы, вопрос о том, когда именно нанороботы, трехмерные принтеры и программируемые материалы перейдут из лабораторных условий в реальную жизнь, пока остается без ответа. Известный футуролог Рэй Курцвейл, который сейчас занимает должность технического директора по машинному обучению в Google, ставит на 2020-е годы. По его мнению, меньше чем через десять лет наноботы и «умные» технологии будут окружать человечество сплошь и рядом. Правда, гораздо чаще звучат предположения, что поворотной точкой станет середина XXI века, 2050 год.
В частности, свои прогнозы, которые пока еще читаются как фантастический роман, недавно представили инженерное агентство Arup и немецкая автомобильная компания Audi. Они разнятся в деталях, но общие черты городов будущего схожи. Дома из метаболических материалов будут адаптироваться под внешние условия. Обмен информацией и доступ к беспроводному интернету будет повсеместным. Общественный транспорт станет главным способом передвижения. В стройках наравне будут участвовать роботы и микроорганизмы. Архитектура перестанет ориентироваться на «строительство на века», а здания и города начнут развиваться и постоянно совершенствоваться, как живые растения. Насколько справедливы эти предсказания, покажет время. Оно же ответит на вопрос, ащ поспеют ли технологии за ростом населения планеты. ИВ
(c) Наталья Югринова