Как и почему трехмерная модель паутины дает много удивительных результатов

Когда художник Томас Сарасено впервые приехал в Массачусетский технологический институт в 2012 году в качестве приглашенного художника Центра искусства, науки и технологий (CAST), он недавно вместе с исследователями из Технического университета Дармштадта в Германии впервые разработал новый метод сканирования трехмерных полотен с использованием листовых лазеров. Вдохновленный идеей, что ранняя надстройка Вселенной могла напоминать паутину, он затем использовал эти изображения для создания инсталляции 2010 года «14 миллиардов (рабочее название)», связанной вручную реконструкцией, увеличенной в 17 раз по сравнению с первоначальным размером сети. .

Эта спектрограмма мелодического диапазона характеризует частотный состав звуков, генерируемых паутиной, которая подвергается возрастающему напряжению. По мере роста напряжения частота звука увеличивается, пока шелковые нити не лопаются. Предоставлено: Изабель Су, Томас Сарасено, Элли Бишоп, Роланд Мюлетхалер, Эван Ципорин и Маркус Бюлер.

Тем временем материаловед Маркус Бюлер, профессор инженерии McAfee в Массачусетском технологическом институте, в течение многих лет изучал орб-паутину — плоские радиальные скобы для Хэллоуина, анализируя, как прочный, но гибкий шелк может вдохновить на создание новых строительных материалов. Он давно интересовался пересечением материалов и музыки. Используя подход к математике, называемый теорией категорий, он показал, как естественные иерархические материалы, такие как паучий шелк, проявляют свойства, сопоставимые с различными формами музыки, с точки зрения их иерархической структуры и функций.

На основе этого исследования он разработал музыку, основанную на структуре шелка. Но до тех пор он никогда не пытался моделировать трехмерную сеть. «Мы всегда хотели работать с трехмерной сеткой, — сказал он, — но у нас не было точных моделей таких сложных структур».

Вскоре родилась коллаборация. К 2014 году лаборатория Бюлера, с особыми усилиями постдока Чжао Циня и аспиранта Богды Демьян, создала компьютерную модель и имитацию данных, сгенерированных сканированием Сарасено для проекта «14 миллиардов», которые они представили на конференции. панельная дискуссия в MIT Museum. Впервые они смогли не только точно визуализировать сеть, но и воспроизвести ее внутреннюю структуру, получая точную информацию о каждой шелковой нити — толщине, натяжении и длине — и о том, как они взаимодействовали для создания такой сложной архитектуры. Эта новая аналитическая модель, разработанная лабораторией, привела к новому подходу к изучению паутины, и возможности ее применения были безграничными.

Позже Сарасено принес в лабораторию Массачусетского технологического института паутину-паутину, которая, как говорят, вдохновила архитектора Фрея Отто на проект олимпийского стадиона 1972 года в Мюнхене. Установленный в карбоновый каркас, Cyrtophora citricola начал плести сеть, которую исследователи могли задокументировать на месте. «Это сотрудничество становится двигателем для продолжающихся спекуляций об« умвельтене »пауков / паутины, открывая новые возможности для экспериментов с методами, масштабами и техниками межвидовых отношений», — сказал Элли Бисшоп, исследователь из Лаборатории исследования арахнофилии Сарасено, которая возглавляет сообщество студии и междисциплинарный исследовательский проект Arachnophilia.

На протяжении многих лет Бюлер и Сарасено совершенствовали трехмерные модели, используя все более совершенные методы визуализации и моделирования. В последующее ближайшее десятилетие при поддержке CAST их модель паутины привела к огромному количеству проектов, как вместе, так и с их соответствующими лабораториями: цифровым веб-архивом, симуляцией виртуальной реальности, живыми музыкальными выступлениями и « космическое варенье »с пауками и их паутинами, несколько рецензируемых научных работ по структурным и механическим свойствам паутины, ультразвуковой обработке белков паучьего шелка, 3D-печать паучьего шелка и приложение для гражданских арахнофилов, которое запустило Венецианскую биеннале 2019 года, среди других проектов. Временами сами коллаборации напоминают трехмерную паутину: сложные формы, запутанные с неожиданными и запутанными связями, удивительно стойкие и часто очень красивые.

Паутина как музыкальный инструмент

Структура паутины также вдохновила на создание множества новых музыкальных произведений. Во-первых, Бюлер и его команда разработали метод гранулированного синтеза, который имитировал биохимический процесс производства шелка. Подобно тому, как шелк состоит из молекулярных компонентов, гранулярный синтез использует частицы звука, которые затем собираются в новую форму. Совсем недавно Бюлер объединил этот вид ультразвуковой обработки паутиной со своей молекулярной музыкой, наложив частоты и мелодии, извлеченные из белков, из которых состоит шелк, а также другие ключевые особенности пауков, такие как молекулы яда. В 2020 году Бюлер снял видео для Studio Saraceno, который продемонстрировал его работу, подвергающую пауков вибрации.

Еще один дополнительный доход возник, когда композитор и кларнетист Эван Зипорин, заведующий кафедрой CAST, в 2015 году сделал пит-стоп в студии Сарасено, проезжая через Берлин. Они познакомились с работой друг друга во время визитов Сарасено в Массачусетский технологический институт. «Томас всегда мечтал о коллективном инструменте, основанном на паутине», — говорит Зипорин.

«Это было что-то вроде космического барабанного круга, как он его задумывал». В лабиринте старых складских зданий студия Сарасено представляла собой свободный коллектив дизайнеров, архитекторов, антропологов, биологов, инженеров, искусствоведов, кураторов и музыкантов. «В нем была какая-то сумасшедшая фабрика Энди Уорхола, сочетающаяся с восточноевропейскими стартапами», — говорит Зипорин.

Сарасено сообщил ему, что в день прибытия Зипорина паук был необычайно активен. Вскоре он обнаружил, что импровизирует со своим бас-кларнетом вместе с пауком, чьи движения были усилены изготовленными на заказ пьезомикрофонами, которые годами разрабатывались в Studio Saraceno.

Несколько лет спустя, в 2018 году, Сарасено пригласил Зипорина выступить в рамках своей выставки «ON AIR» во Дворце Токио в Париже. Раннее импровизированное выступление Зипорина, наряду с другими межвидовыми музыкальными экспериментами, уже было включено в выставку студии «Оркестр пауков. Jam Sessions », и они хотели еще больше расширить идеи. «Меня поразило, что сама паутина — тысячи струн — могла быть чем-то вроде арфы. Таким образом, это связано с первоначальной идеей Томаса много лет назад о создании инструмента-паука », — говорит Зипорин. Затем он набрал команду соавторов — Изабель Су, Яна Хаттвик и Кристин Саутворт — для дальнейшего развития проекта, а лаборатория Бюлера разработала модель и коды, включая интерактивные инструменты, для пьесы, которая была позже исполнена.

Результатом совместной работы Использовала 3D-модель отсканированной паутины Cyrtophora citricola для создания иммерсивного интерактивного звукового ландшафта, переводящего структуру в визуальную и звуковую форму. В этом материале Су, докторант лаборатории Бюлера, которую наняли после посещения выступления Бюлера и Сарасено в 2014 году в музее Массачусетского технологического института, ведет аудиторию через виртуальную версию Интернета. Хаттвик, звукорежиссер и преподаватель музыкальных технологий в Массачусетском технологическом институте, моделирует звуковую информацию в цифровом виде, в то время как Зипорин и Саутворт добавляют звуковые текстуры, используя гитары, электронные духовые инструменты, электронные луки и обработку сигналов в реальном времени. Результатом проекта стал еще один рецензируемый исследовательский документ, а также новая незавершенная работа Зипорина и Саутворта при поддержке MAP Fund и Школы гуманитарных наук, искусств и социальных наук Digital Humanities Fellowship на основе структуры снежинок.

Для Ziporyn этот опыт предоставил новую возможность для творческой импровизации, когда каждый участник ансамбля импровизировал вместе друг с другом в своей уникальной среде. «Каждое выступление — это что-то новое, — говорит он. «Это никогда не будет прежним. Мы никогда не знаем, что получим. Получается настоящая интерактивная импровизация. В этом для меня суть художественной междисциплинарности ».

Создание сети с течением времени

Этим летом Бюлер был главным следователем новое научное исследование, опубликовано в PNAS и озаглавленный «Построение и механика трехмерной паутины на месте». Среди других авторов были Сарасено и члены его студии, а также студенты Массачусетского технологического института Неоша Нараянан и Маркос А. Логроно. Автоматизируя свой метод веб-сканирования с помощью сложных вычислительных алгоритмов, исследователи могли изучать не только готовые сети, но и те, которые еще находятся в стадии разработки.

Компьютерная модель и симуляции позволили им изучить сеть, не разрушая ее. Лаборатория обнаружила, что Интернет, как и сотрудничество, представляет собой объект, который со временем трансформируется: по мере роста плотности сеть становилась все сильнее и жестче. После создания первоначального фундамента паук продолжает вносить изменения: добавлять, укреплять и ремонтировать.

Кроме того, Бюлер разработал методы не только для моделирования паутины, но и создал физические артефакты, используя методы аддитивного производства: печать на основе смолы, которая превращает жидкость в твердое тело, подобно тому, как паук прядет шелк в природе, а также формование методом наплавления, в котором используется нагрев и охлаждение полимеров. Изучение паутины может вдохновить на создание новых самодостаточных и самовосстанавливающихся умных структур.

«Мы были просто потрясены тем фактом, что существует большая внутренняя структура», — говорит Бюлер. «Некоторые из них похожи на сети, туннели, менее организованные области Интернета. С точки зрения материалов это очень, очень интересно, потому что дает много дизайнерских идей ».

Паутина, как обнаружил Бюлер, — это живой материал — настраиваемый, изменяемый и отзывчивый благодаря способности паука изменять сеть с течением времени. Это будущее направление дизайна материалов, так как инженеры сейчас пытаются создавать материалы, которые более живые, чем статичные, чтобы служить множеству и разнообразным целям, обеспечивая устойчивый жизненный цикл, который облегчает повторное использование.

Создание инфраструктуры для совместной работы

Резиденции в CAST являются открытыми, организованными больше вокруг свободного поиска идей, чем любого предопределенного продукта, и, как следствие, особенно в случае Saraceno, они часто приводят к безумным и неожиданным результатам. В то время как первые визиты являются ознакомительными, включают экскурсии по лабораториям и беседы за кофе, многие амбициозные проекты таких художников, как Лара Балади, Карим Бен Хелифа, Агнешка Курант, Джамшид Шарифи и Аника Йи, развиваются в течение месяцев и лет. То, что начинается как НИОКР в Массачусетском технологическом институте, часто перерастает в крупномасштабные выставки в таких местах, как Музей современного искусства Сан-Франциско, Гуггенхайм и Сарай.

Живой концерт «Spider’s Canvas / Arachnodrone» был создан совместно композитором и директором факультета MIT CAST Эваном Зипорином, композитором / визуальным художником Кристин Саутворт ’02, звукорежиссером Яном Хаттвиком и исследователем пауков Изабель Су в сотрудничестве с художником Томасом Сарасено, чья идея легла в основу концерта, и профессор гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института Маркус Бюлер. Предоставлено: Орели Ченно, Дворец Токио, Париж.

Иногда эти масштабные и многогранные проекты бросают вызов традиционным представлениям о том, как выполняется работа. «Эти коллаборации противоречат традиционным представлениям об авторстве в различных дисциплинах — от индивидуума, соавторства, коллективов, ансамблей, совместного творчества и побочных продуктов. Ни одно из этих существующих соглашений не отражает в полной мере характер работы и ее различных компонентов », — говорит Лейла Кинни, исполнительный директор CAST.

Сети предлагают нам новые способы мышления о мире и наших взаимодействиях с ним. «Музеологические коллекции, как правило, сосредотачиваются на пауке в отрыве от его паутины. Мы утверждаем, что важно обращать внимание на материальные структуры (сети), которые соединяют паука с миром », — пишет Studio Saraceno.

И хотя исторически произведения искусства считались статическим объектом, создаваемым отдельными людьми, эта совместная и продолжающаяся творческая работа демонстрирует, как Интернет — сложная инфраструктурная сеть, поддерживающая паука, — столь же важна, как и само животное.