Архитектор материалов. Скайлер Тиббитс и 4D-печать с параметром времени

Мы до сих пор не рассказывали читателям «Гранита науки» о таком ученом, как Скайлар Тиббитс (SkylarTibbits), и это досадное упущение пора исправить. Американский архитектор материалов знаменит своим открытием 4D-печати, которое создало для нас бесчисленное количество возможностей в области материалов будущего, способных приспосабливаться к окружающим условиям. Создание предметов, которые сами себя собирают, может положить начало разнообразным технологиям, применимым где угодно: от скорой помощи до быстрого строительства после стихийных бедствий.

Вообразите мир, в котором вещи только совершенствуются во время носки, мосты подстраиваются к нагрузке, а береговые линии наращивают себя сами. Нет, это все не из области фантастики. «Если мы научимся сотрудничать с материалами, вместо того, чтобы силой заставлять их занять уготованное нами место, мы можем построить более устойчивое будущее», — пишет Скайлер Тиббитс в своей книге «Самособирающиеся вещи: гид к Революции новых материалов» (Things Fall Together: A Guide to the NewMaterials Revolution). «Манифест рассвета эры активных материалов» только что, в 2021 году, вышел в издательстве Princeton University Press.

Тиббитс разработал 4D-печать, которая добавляет объектам, распечатанным на 3D-принтере, временное измерение как способность самосборки: напечатанный объект может собирать себя сам. Для этого Тиббитс использует материалы и определенные геометрические приемы, благодаря которым объект будет разворачиваться и сворачиваться особенным образом. Потом он добавляет источник энергии (это может быть тепло, гравитация, магнетизм или что-то еще), чтобы запустить взаимодействие, которое переводит материал из одного состояния в другое. 

Изобретатель прошел школу таких всемирно известных дизайнерских компаний, как Zaha Hadid Architects, Asymptote Architecture и Point b Design. В настоящее время он является содиректором и основателем Self—Assembly Lab, которая фокусируется на технологиях самособирающихся и программируемых материаловдля новаторского производства и строительства. «Неупорядоченные части самопроизвольно образуют структуру предмета или вещества, взаимодействуя между собой», — так объясняет сам Тиббитс термин «самосборка» (self-assembly). Лаборатория расположена в Международном центре дизайна Массачусетского технологического института  (MIT’s International Design Center) – собственно, в самом институте он состоит ассоциированным профессором исследования дизайна на факультете архитектуры. В 2007 году Скайлар Тиббитс основал и возглавил мультидисциплинарную дизайнерскую практику SJET LLC. 

Признание пришло к нему довольно скоро. В 2008 году посвященный дизайну выпуск журнала SEEDMagazine назвал его «революционным умом», в 2012 году он стал senior fellow (стипендиатом) TED, в 2013 году на выставках Ars Electronica и Manufacturing Leadership Summit получил награды Next Idea и VisionaryInnovation соответственно, а также приз от Архитектурной лиги. В 2014 году его причислили к «одаренным гражданам» (премия Gifted Citizen), в 2015 году он получил звание Emerging Explorer (подающий надежды исследователь) от журнала National Geographic и титул «Изобретатель года» от журнала R&D Magazine.

Трудозатраты, которые влекли за собой технологии грубой сборки, явно бесили Тиббитса; изучая невиданное развитие технологий на микро- и наноуровнях (возможность программировать неживую и живую материю на изменение формы и свойств и даже на выполнение вычислений без использования кремниевых устройств), он нашел способ явить эти «чудеса» и в большем масштабе. 

Использовать нанопринципы самоорганизации и адаптации для нашего мира – почему бы нет? «Если мы обратимся к проектированию и производству, то увидим постоянные препятствия, излишнее потребление энергии и неэффективные методы работы, — говорит Тиббитс. — Например, трубопровод. По существующей технологии они производятся ограниченной пропускной способности, требуются насосы, чтобы проталкивать воду через этот трубопровод; мы зарываем их под землю, но если что-то изменится, например тектоника, то выкапывай и заменяй, без вариантов… Но почему бы не сделать трубы способными сжиматься и расширяться, вследствие чего делать пропускную способность регулируемой? Почему не имитировать перистальтику в трубе, чтобы она могла проталкивать воду через себя, так что не нужны будут дорогие насосы?»

Созданные человеком системы, говорит изобретатель, лишены способности иметь желания, нуждаться в чем-то, меняться в направлении объекта желания. Природные системы и механизмы способны адаптироваться и чего-то хотеть: растения, например, хотят расти и двигаться к свету, они сами генерируют энергию. Механически копировать природные механизмы нельзя, но вот если суметь соединить свойства естественных систем со свойствами искусственных (программируемость, масштабируемость, структура), можно создавать «чрезвычайно масштабные квазибиологические и квазисинтетические архитектурные организмы». Они будут изготавливаться промышленным способом, но дальше жить своей жизнью: мы, получается, создаем части, которые хотят быть вместе (ну как тут не вспомнить Ветхий Завет..).

«Я пытаюсь понять, – рассказывает Тиббитс, – сколько информации материалы могут хранить, как они могут сами воспроизводиться, как они могут двигаться и собирать себя, и так далее. Перенести механизм самоструктурирующейся молекулы белка в большой масштаб, вплоть до самоисправления возникающих ошибок, которые возникают в процессе. В самих материалах вовсе не обязательно есть все эти свойства. Скорее это другой способ посмотреть на материалы и на то, как мы строим что-либо». 

На «Книжном Арсенале» в конце июня в Киеве харьковское издательство «Жорж» представило книгу Труди Труит «Академия исследователей: Тайна “Туманности”», выпущенную по лицензии National Geographic. В этой истории о приключениях 12-летнего гавайца, попавшего в элитную академию в Вашингтоне, визионерские идеи и уже готовые изобретения Скайлера Тиббитса настолько талантливо беллетризированы, что, пожалуй, это едва ли не первый случай, когда поводом для увлекательной научной фантастики стали результаты реальных ученых, а не наоборот.

Там, к примеру, есть такой фрагмент: «Закладка зашевелилась, будто бабочка раскрывала крылья: из центра квадрата бумажка разворачивалась и разворачивалась, а затем начала сгибаться, вроде того, как кто-то создавал скульптуру-оригами, только делалось это без человеческих рук! Несколько десятков быстрых сгибов – и образовался объемный шар, сложенный из треугольников. Когда ее вид стал совершенным, конец одного бумажного треугольника загорелся светло-оранжевым. Шар закрутился, а потом направил свет на Рука. Из него вышел луч. Он коснулся его головы и легко, неспешно отправился гулять по телу». Но узнавания не состоялось, голограмма с дальнейшим заданием не возникла, так что «за 10 секунд сфера начала складываться, все сплющивалось – это напоминало видео, которое запустили в обратную сторону. За несколько секунд бумажка уже была такой, как раньше».

Итак, профессор Тиббитс приглашает нас «из мира современных технологий в совершенно переосмысленный новый мир, где предметы могут изменять свою форму». Да, для этого не обязательно лететь в космос! Научному визионерству вполне найдется место и на Земле. Интересно, как скоро уже ученые подберутся к воплощению самых невероятных материаловедческих изобретений братьев Стругацких из «Пикника на обочине»?