טנסגריטי (Tensegrity) הוא עיקרון מבני המבוסס על השימוש ברכיבים בודדים שנמצאים בדחיסה בלתי רציפה בתוך רשת של מתח מתמשך כך שרכיבי הדחיסה (בדרך כלל, מוטות או תומכנים, struts) אינם נוגעים זה בזה, ואילו רכיבי המתח (בדרך כלל, כבלים, cables) מתווים את המערכת מבחינה מרחבית.
המונח טנסגריטי הוטבע על ידי האדריכל והממציא האמריקני, בקמינסטר פולר (Buckminster Fuller) בשנות ה-1960 כמושג המורכב מצרוף המילים 'Tension' ו'Integrity', שמשמעותו, יציבות מבנית שנוצרת כתוצאה מכוחות מתיחה, להבדיל ממבני אבן המתבססים על כוחות דחיסה להשגת יציבות.
בספרו 'סינרגטיקה' ('Synergetics') פולר מגדיר: "טנסגריטי מתאר עיקרון של מערכת יחסים מבנית המתקיימת בתוך מערכת סגורה (finitely closed), שבה הצורה המבנית מובטחת על ידי התנהגויות המתיחה הרציפה של המערכת ולא על ידי התנהגויות הדחיסה הלא רציפה והמקומית".
פולר גילה כי ארכיטקטורת הטנסגריטי אחראית לביסוס מאזן הכוחות המייצב כיפה גיאודזית, על אף שבניגוד למבנה התומכנים והכבלים, היא בנויה מרכיבים נוקשים בלבד. מבנה גיאודזי יוצר תילות (טריאנגולציה) בין הרכיבים ומכוון אותם לאורך גיאודזיות (נתיבים מינימליים) כדי להגביל באופן גיאומטרי את התנועה (ה"חופש" במפרקי המבנה).
כיפה גאודזית. מוזיאון הביוספרה שבמונטריאול, קנדה. עוצב על ידי באקמינסטר פולר.
עם זאת, היה זה תלמידו של פולר – הפסל קנת' סנלסון (Kenneth Snelson) – אשר יצר כבר בשנת 1948 את פסל הטנסגריטי הראשון שבו רכיבי הדחיסה הנוקשים לא נגעו זה בזה אלא הוחזקו על ידי רכיבי מתיחה רציפה. סנלסון כינה את הפסל שלו, 'דחיסה צפה' (Floating Compression).
'דחיסה צפה'. מודול ה-X של הפסל קנת' סנלסון (Wikimedia Commons).
מבני טנסגריטי של תומכנים וכבלים
מבני טנסגריטי של תומכנים וכבלים נקראים מבני 'מסבך' (truss) המבוססים על שילוב של כמה תבניות עיצוב פשוטות:
- במבנה מתקיימת יציבות עצמית. כלומר, המבנה יתמוטט רק אם הכבלים יכנעו או המוטות יתכופפו.
- כדי לשמור על יציבות, המבנה מחייב את נוכחותו של מתח קיים או מאמץ איזומטרי הנקרא, דריכה (prestress) לפני שהופעל כוח חיצוני. בהיעדר דריכה ראשונית זו, מודל טנסגריטי בודד מאבד את שלמותו המבנית ומתמוטט תחת עומס חיצוני הפועל עליו.
- רכיבי המתיחה והדחיסה נתונים לעומסים ציריים. התומכנים יכולים לשאת כוחות מתיחה ודחיסה, ואילו הכבלים יכולים לשאת כוחות מתיחה בלבד.
- בשל דפוסים אלה, רכיבי המבנה לא חווים מומנט של כפיפה. מצב זה יכול לייצר מבנים עמידים במיוחד ביחס למסה שלהם ולאזור חתך הרוחב של הרכיבים.
יישומי הטנסגריטי
מבנים מעשה-אדם ומבנים ביולוגיים רבים, המורכבים מרכיבי מתיחה ודחיסה, יכולים להיחשב כטנסגריטי. במהלך העשורים האחרונים, מבנים אלו מושכים תשומת לב רבה במגוון רחב של תחומים, למשל, אדריכלות, מתמטיקה, מדע החומרים, מדע החלל, וביולוגיה. האנליזה והעיצוב האדריכלי בקנה מידה גדול של מבני טנסגריטי מורכבים שונים בברור מאלה הנהוגים במכניקת מבנים קלסית. למשל, כל מבני הטנסגריטי אינם מוגדרים מבחינה סטטית. כלומר, משוואות שיווי המשקל הסטטי אינן מספיקות לקביעת הכוחות הפנימיים והתגובות על אותו מבנה. לכן, אחד האתגרים הגדולים הוא קביעת התצורה המבנית העצמית של מבנה הטנסגריטי, הידועה כ"מציאת הצורה".
ארכיטקטורת גשרים
גשר קורילפה (Kurilpa Bridge) הוא גשר להולכי רגל ורוכבי אופניים על נהר בריסביין, בקווינסלנד, אוסטרליה. גשר קורילפה הוא גשר הטנסגריטי ההיברידי הגדול ביותר בעולם. רק חלק ממבנה הגשר תואם את עקרונות הטנסגריטי.
גשר טנסגריטי היברידי. גשר קורילפה בבריסביין, אוסטרליה.
רובוט טנסגריטי לחלל
סוכנות החלל האמריקנית, נאס"א, מתכננת לשגר רובוט מחקר לירח בשם Super Ball Bot, הפועל על פי עיקרון הטנסגריטי. יתרונותיו יהיו משקל ונפח קטנים, דבר שיוזיל את עלויות ההטסה לחלל. בנוסף, רכות המבנה תספוג את אנרגיית הנחיתה כך שלא יידרש התקן נוסף.
רובוט טנסגריטי לחלל (NASA)
מודל הטנסגריטי התאי
השימוש במבני טנסגריטי איננו מוגבל רק למערכות סטטיות. אחת התכונות של מבנים אלו היא היכולת לשנות את הצורה ואת קשיחות המבנה, תכונה זו משותפת גם ליצורים חיים.
תאוריה של טנסגריטי בביולוגיה מולקולרית וביולוגיה של התא פותחה בשנת 1993 על ידי ד"ר דונלד אינגבר (Donald Ingber), רופא ומדען מאוניברסיטת הארוורד, על מנת להסביר את המבנה וההתנהגות המכנית של התא באמצעות מודלים תיאורטיים שמנבאים התנהגויות כמותיות ואיכותיות של סוגי תאים. למשל, מאפייני הצורה של תאים, תכונותיהם המכניות, והאינטראקציות שתא מקיים עם סביבתו החיצונית, כלומר, המטריצה החוץ-תאית או תא סמוך.
מושג זה עשוי להיראות ברור מאליו כיום לאלה שמכירים את הביולוגיה המודרנית של תא, אבל היה זה רעיון שכפר בתפיסה הקיימת כאשר הוצע לראשונה שכן עד אז רוב המדענים התייחסו לתא חי כאל קרום מתוח סביב ציטופלזמה צמיגה עם גרעין שצף במרכז (בדומה לבלון מלא מים).
מודל טנסגריטי תאי. שלד התא האיקריוטי.
וכך נכתב באתרו של ד"ר אינבר:
מודל הטנסגריטי התאי מציע כי התא השלם הוא מבנה טנסגריטי דרוך, על אף שניתן למצוא גם מבנים גיאודזיים בתאים בקנה מידה קטן יותר. במודל הטנסגריטי התאי, כוחות המתיחה והדחיסה נוצרים על ידי רכיבים בתוך ומחוץ לתא:
- רכיבי המתיחה – קורים זעירים (מיקרופילמנטים, קורי אקטין) וקורי ביניים – ממרכיבי שלד התא/הציטוסקלטון.
- רכיבי הדחיסה – צינוריות זעירות (מיקרוטובולים) – ממרכיבי שלד התא, וכן מתחמי היצמדות ממוקדת עם המטריצה החוץ-תאית.
עם זאת, לקורים בודדים עשוי להיות כפל תפקידים ולכן הם יכולים לשאת מתח או דחיסה בהקשרים מבניים שונים או בקני מידה שונים.
מצב הדריכה (prestress) המייצב את התא כולו נוצר בכמה אופנים:
- באופן אקטיבי על ידי מנגנון הכיווץ של קורי האקטין-מיוזין.
- באופן פסיבי על ידי מתיחה באמצעות מתחמי היצמדות התא אל המטריצה החוץ-תאית ואל תאים אחרים, כוחות אוסמוטיים הפועלים על קרום התא, וכוחות המופעלים על ידי פילמור קורים (תהליך שבו מולקולות "קטנות" – מונומרים- מתחברות יחד לשרשרות ארוכות והופכות לפולימר).
- קורי הביניים המתחבררים בנקודות רבות לאורך המיקרוטובולים, אל קורי האקטין ופני השטח של גרעין התא, מספקים נוקשות מכנית לתא בהתבסס על תכונות החומר שלהם ועל יכולתם לשמש כבלים המחבררים ומקשיחים את שלד התא כולו ואת גרעין התא.
- בנוסף, שלד התא מתחברר בפריפרית התא עם רשת ציטוסקלטלית גיאודזית אלסטית מאוד (אקטין-ספקטרין-אנקירין), ישירות מתחת לקרום התא. יעילות הצימוד המכני בין רשת מבנית תת-קרומית זו לבין סריג שלד התא הפנימי תלוי בסוג מתחם ההיצמדות המולקולרית שנוצר על פני השטח של התא.
- הנוזל התוך תאי הצמיג מחלחל לאחר מכן אל שלד התא המשולב, והתא כולו מוקף על ידי קרום תא חדיר למחצה.
מבני טנסגריטי נוספים בטבע
על בסיס יישום עקרונות הטנסגריטי ניתן להבין גם מבנה ותכונות של בעלי חיים אחרים בטבע כגון, הכיפה הגיאודזית של אצת הכדורון (volvox), ודג המנטה בירוסטריס (Manta birostris) אשר נע במים בתנועת מעוף. השקפה זו נתמכת על ידי ההבנה כי אינטראקציות המתח-דחיסה של טנסגריטי ממזערות את מידת החומר הנדרש, מוסיפות גמישות מבנית, ומכוננות את השימוש המרחבי האפשרי היעיל ביותר. לפיכך, ניכר כי ההעדפה הברורה של לחצי הברירה הטבעית היא למערכות ביולוגיות המאורגנות על פי עקרון הטנסגריטי.
הכיפה הגיאודזית של אצת הכדורון.
טנסגריטי בתנועה. דג המנטה בירוסטריס.
מקורות:
- ויקיפדיה
- ארגון הביומימקרי הישראלי
- A Monte Carlo form-finding method for large scale regular and irregular tensegrity structures. Li Y, Feng X Q, Cao Y P and Gao H 2010.
- https://apps.childrenshospital.org/clinical/research/ingber/Tensegrity.html
תמונות: pixabay ,dreamstime, Wikimedia Commons.
