Design for Living: die verborgene Natur der Fraktale
Kim Tingley wird regelmäßig auf OnEarth Magazin, veröffentlicht von der Natural Resources Defense Council und der New York Times Magazine. Diese Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht durch OnEarth Magazin. Tingley beigetragen haben, diesen Artikel zu LiveScience Experten stimmen: Op-Ed & Einblicke.
Klassische Geometrie ist glatt und regelmäßig: gerade Linien, Rechte Winkel, perfekte Kreise. Vom Menschen geschaffenen Objekte von Wolkenkratzern, iPhones, seine Regeln entsprechen, aber fast nichts in der Natur tut. Natur ist etwas chaotisch, schroffen und chaotischen – oder so es bis 1975, das Jahr ein Maverick schien Mathematiker, Benoît Mandelbrot, erfand die Begriff fraktalen Muster beschrieben, er in scheinbar unregelmäßigen Formen in der Natur gefunden erkannte hatte.
Mandelbrot zeigte, dass natürliche Phänomene wie Wolken, Berge, Brokkoli, menschliche Lunge und (ja) sogar Galaxien, trotz ihrer zufällige Erscheinung sind, in hohem Grade organisiert, die größeren Formen bestehend aus Miniatur-Repliken jener gleichen Formen. Und diese Repliken selbst enthalten sogar kleinere Repliken. Auf der grundlegendsten Ebene zeigte er, dass jeder Fuß Küstenlinie die gleiche grundlegende gezackte Textur hat und Form wie eine Meile davon tut, oder wie 100 Meilen.
Die Art der Fraktale
Mandelbrots Offenbarung präsentiert eine neue Art der Wahrnehmung der Natur, nicht als etwas ungeordnet und Chance geregelt, sondern als etwas aufwendig konstruiert. Das resultierende Feld der Fraktalgeometrie bietet Menschen mit einer Art der Definition und Messung dieser geheimnisvollen Formen und – wenn es gilt auf dem Gebiet der Bionik – neu zu erstellen. Und der Menschheit neu gewonnene Fähigkeit, grundlegende Strukturen der Natur kopieren wirft eine offensichtliche Frage: Warum nicht Designer so öfter tun?
Diese Frage steht im Zentrum der Biomimetik, dem Naturs erfolgreichsten Designs schaffen effiziente und nachhaltige Städte, Gebäude und verbrauchernahen Produkten angebracht werden soll. "Nach 3,8 Milliarden Jahren der Forschung und Entwicklung, Ausfälle sind Fossilien, und was uns umgibt, ist das Geheimnis des Überlebens," schrieb der Biologe Janine Benyus in ihrem bahnbrechenden Buch 1997, Biomimicry. Benyus denkt, dass Fraktale uns eine Vielfalt von Design-Herausforderungen lösen helfen können.
Für eine Sache "Fraktale wirklich Fläche zu steigern", sagte sie. Bild einer einfachen Sechseck. Dann stellen Sie sich einen sechseckige Schneeflocke Kristall in seiner Form ein barocken System von Graten, die die Grundform erheblich erschwert, ohne dass es, über seine ursprünglichen Grenzen hinaus zu erweitern. Handy-Hersteller, spielen aus dieser Idee haben bereits herausgefunden, neue Wege zur Maximierung der Signalempfang durch Biegen Antennen in fraktale Formen hinzufügen Länge ohne Erhöhung der Menge der Raum, den die Antennen aufnehmen.
Strukturelle Eigenschaften sind nicht nur Chemie, Architektur
Akustiker und Konzertsaal Architekten wissen bereits, dass wenn Klang eine glatte, flache Wand trifft, es prallt und Echos. A Wand mit einer rauhen Oberfläche auf der anderen Seite – eine, die die Fraktal strukturierte Oberfläche von, sagen wir, eine Rinde bedeckten Baum imitiert – hat einen viel besseren Job der Schallabsorption. Bäume sind wie Fraktale Idee Fabriken: Benyus sieht in ihnen eine Vorlage für hoch effiziente Wasserverteilung, zum Beispiel.
"Beginnen Sie mit einem Durchmesser" (d. h. den Kofferraum), sagte sie. "Verzweigen Sie es zu, fallen Sie bis auf einen kleineren Durchmesser, dann wieder verzweigen Sie." Dieses Muster, die wiederholt Ausdruck in einem Äste, die Stängel und die feinen Adern der einzelnen Blätter findet, kann Wasser ungehindert über ein Maximum an Fläche. "Nichts in unserem Sanitärsysteme alles so aussieht," sagte sie und stellt fest, dass unsere Rohre "immer 90-Grad-Winkel einnehmen. Deshalb haben wir große Pumpen, die viel Energie benötigen. "
Es stellt sich heraus, dass strategisch Einbettung fraktale Formen in fast alles, was hilft, was stärker machen. Physiker haben konkrete haltbarer und undurchlässig mithilfe von Fraktalen, um seine Inhaltsstoffe zu entwickeln. Und Forscher an der Harvard University Wyss Institut für biologisch inspirierte Engineering vor kurzem erstellt eine biologisch abbaubare Alternative zu Kunststoff bekannt als Shrilk, die einige seiner außergewöhnlichen Stärke die Inspiration für seine Technik verdankt: die fraktale Schichten eines Insekts Häutchen. "[Viele] die strukturellen Eigenschaften, die in der Natur sind nicht nur Chemie," Donald Ingber, Direktor des Instituts, sagte der Harvard Gazette. "sie sind Architektur."
Suche nach Inspiration in der Natur ist natürlich nicht neu. Aber aktiv das Abfragen von Natur über seine besten Praktiken ist. Der schwierigste Teil der Bionik ist zu wissen, nicht nur was zu kopieren, sondern auch Wenn und wo. Wenn wir wirklich mit der Natur auf neue Gebäude und Design Projekten zusammenarbeiten, müssen wir unsere Rolle darin zu überdenken. Wir müssen sicherstellen, dass wir unsere Bedürfnisse mit den Bedürfnissen unseres größeren Ökosystems Ausgleich sind die – während es chaotisch aussehen kann – besteht aus unzähligen miteinander verbundenen Systemen, Fraktal-wie Spiegel das ganze.
Fraktale laden uns ein, die Natur für seine Schönheit und Funktionalität zu bewundern, um außerhalb zu bekommen, Jagd auf diese Formen auf mysteriöse Weise zu wiederholen, und dann versuchen, herauszufinden, was ihren Zweck sein könnte.
"Die Natur von Fraktalen soll schrittweise von der Leser entdeckt zu werden," schrieb Mandelbrot, "nicht offenbart in einem Blitz des Autors." Es braucht Übung, Geduld und eintauchen zu beginnen, sie zu sehen. Aber sobald Sie tun, sie sind überall.
Dieser Artikel erschien zuerst als " Design for Living " in OnEarth Magazin. Die Meinungen sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Meinung des Herausgebers. Diese Version des Artikels erschien ursprünglich am LiveScience.