תנועת ארבה וטופולוגיה עירונית: גישה ביו-דינמית לניתוח זרימה בעיר

מחקר בין-תחומי חדשני על תנועה וזרימה בעיר, המשלב בין חקר עיצוב עירוני לבין מחקר על תנועת חרקים וניתוח ממוחשב, מעלה תובנות מעניינות בנוגע להשפעה של מבנה המרחב העירוני על אופי התנועה בו.

מאמר זה הוא תוצר של דיאלוג מרתק בין פרופ’ אמיר איילי, מומחה לחגבים, וביני. שיחה משותפת שהתחילה במסגרת סדנה לעידוד מחקר בינתחומי. בנינו את המחקר עם הרבה סימני שאלה, מחקר מעט יוצא דופן. אני מאמינה שחלק מהתשובות לשאלות האמיתיות סביב העתיד העירוני הן בממשק בין תחומים. נהניתי מאוד מהמחקר הזה ולמדתי המון על מתודולוגיה ועל צניעות. גם חגבים יכולים ללמד משהו אותנו בני האדם, וודאי את המתכננים. המאמר נכתב יחד עם השותפים אמיר איילי, משה גרשון ורועי מרדכי פרנקוס, והתפרסם בכתב העת iScience.

מאז תחילת הפיתוח של סביבות עירוניות, זרימה הייתה לאחד מגורמי הליבה המשפיעים על האופן שבו ערים מתפקדות ומתפתחות. זרימה זו כוללת אנשים, מכשירים וחומרים. במילים אחרות, “ערים קיימות באמצעות הרשתות היוצרות אותן, ופיתוח הרשתות הללו מותנה במאפייני המרחב העירוני”.¹ יתרה מכך, רשתות אלו משפיעות על הצמיחה הכלכלית של העיר ועל רווחת תושביה. עם זאת, זרימה היא לא רק מושג כלכלי או טכני; יש לה גם מרכיבים חברתיים ומרחביים הקשורים לצורה שבה ערים מתפתחות ולאופנים שבהם ערים מאורגנות, מנוהלות ונבנות. בעשורים האחרונים, הפורמליזציה של המושג “מרחב של זרמים” (Space of flows)² תרמה לגיוון הזרמים בערים עכשוויות. מבחינה רעיונית, זרם הוא מושג אלסטי, והגדרתו משתנה במקומות ובהקשרים שונים ולאורך ההיסטוריה. ניתוח הזרימה בערים דורש להתחשב בשיקולים של קונטסקט ושל זמניות, ולכן הוא מאתגר אך חיוני, שכן הוא תורם לשמירה על הסדר החברתי ולניהול יעיל של ערים ושל תהליכים. יתר על כן, הבנת הזרימה היא יסודית לתכנון ערים ולפיתוח שלהן. לאחרונה, רשתות של זרימה ועירוניות הפכו למוקד תשומת לב בעקבות שלושה שינויים הקשורים זה בזה ואשר משפיעים על ערים עכשוויות: (1) ציפוף וצמיחה עירונית מהירה, המטילים עומסים כבדים על תשתיות קיימות;³ (2) דיגיטציה ותחרות כלכלית, המעודדים את היעילות וסנכרון של תנועות;⁴ וכן (3) שינויי אקלים והצורך בפיתוח ערים קומפקטיות.⁵ גורמים אלו הובילו לעלייה במחקר על זרימה, שכן תפקוד יעיל של מערכות התחבורה והתקשורת של העיר חיוני לצמיחתה הכלכלית, והזרימה המסונכרנת תורמת לפיתוח של ערים ראויות יותר למגורים, עמידות ובנות קיימא. בקיצור, זרימה כרוכה בתהליכים ובגורמים שונים, ולכן נתפסת גם כפתרון לאתגרים רבים, כגון פיתוח מערכות מרחביות חדשות שיכולות לעקוב אחר ההשלכות המתרחבות והולכות של מיקום האוכלוסייה, תעסוקה ואינטראקציות מרחביות הקשורות בהן.⁶

ישנן שתי גישות מובחנות אך בולטות לבחינת זרימה.⁷ הגישה הראשונה כוללת ניתוח טיפו-מורפולוגי, המבוסס על שיטות תיאוריות ודדוקטיביות.⁸ ניתן להשתמש בגישה זו כדי לענות על שאלות הקשורות בהתפתחות, במקצבים ובהתאמה להליכה של ערים ואזורים עירוניים. עם זאת, גישה זו אינה מתאימה להתמודדות עם שאלות הקשורות לביצועים⁹ ו/או למורכבות הצורות האורבניות המפוזרות של העיר.¹⁰ מגבלות אלו הובילו לפיתוח גישה אחרת, המבוססת על תיאוריה מורכבת ושיטות מחקר כמותניות.¹¹ גישה זו משתמשת בהדמיות ומודלים ממוחשבים כדי לחקור כיצד שינויים במבנה העיר עשויים להשפיע על זרימה של משתמשים מדומים (זרימת הולכי רגל, תנועה מוטורית וכו’). על בסיס מאמצים מתמשכים אלה להבין טוב יותר את הזרמים בעיר ולפתח שיטות חקירה חדשות, במחקר הרב-תחומי שלנו, אנו מציעים שיטה המשלבת רעיונות מעיצוב עירוני וממדעי בעלי החיים, מתוך כוונה להבין איך טופולוגיות עירוניות ספציפיות משפיעות על הזרימה ואילו היבטים של טופולוגיה עירונית תומכים או משפרים את הזרימה בתוך ערים.

טופולוגיה עירונית מתייחסת למבנה הפיזי ולמורפולוגיה של העיר, אשר לעתים קרובות מעצבים את הזרימה ומשפיעים על התנועה בעיר.¹² הטופולוגיה העירונית היא מעין אב טיפוס מרחבי של עיר המבוסס על אלמנטים דומים, כגון רשתות רחובות, בניינים ושטחים פתוחים. יחד, האלמנטים הללו והיחסים ביניהם משקפים את הטופולוגיה של העיר. למרות שטופולוגיות של ערים עשויות להיות שונות (כלומר לעיר יכולות להיות מספר טופולוגיות), ערים מסווגות לרוב לפי הטיפולוגיה שלהן. בורק ושותפיו הציעו את הסיווג הבא של טיפולוגיות עירוניות: “עולם קטן (small world), מונומנטלי (monumental), רדיאלי (radial), גן (garden), ליניארי (linear), אטומי (atomized), אקראי (random), אורגני (organic), רשתי (grid), פרקטלי (fractal)”.¹³ סיווג זה מאפשר השוואה והכללה בין ערים שונות.

כאמור, העיר נשענת על זרימה, לרבות הצטברות ותנועה קולקטיבית. אלו נפוצות גם במערכות טבעיות רבות, החל בעדרים גדולים של אוכלי עשב ועד להקות ציפורים, להקות דגים ונחילי חרקים. היבטים חשובים של ההופעה העצמית (self-emergence) של מודלים קולקטיביים של תנועה של בעלי חיים, כוללים אינטראקציות בין פרטים, אינטראקציות בתוך הקבוצה ואינטראקציות עם הסביבה הפיזית. מבנים מרחביים יכולים להקל או לעכב את הפיתוח והשימור של תנועה קולקטיבית. ברור שלמרות ההבדלים בין עיצוב עירוני לבין מדעי בעלי החיים, היבטים חברתיים ומרחביים משפיעים על הדינמיקה והניהול של זרימה והצטברות בשני התחומים. יתרה מכך, סוכנות פועלת (agency) היא גורם מפתח המשפיע על הדינמיקה של הזרימה בשני התחומים, אשר לעתים קרובות לא ניתן לחזות על ידי הדמיות ממוחשבות.

ההשערה הבסיסית של המחקר שלנו היא שלטיפוסים מסוימים של ערים יש השפעות ברורות על אפשרויות התנועה והניידות בסביבות עירוניות. אנו סברנו כי הבחינה של השערה זו תתרום ליכולת להביא לשיפור הזרימה והתנועה בערים קיימות ולפיתוח של ערים עתידיות. על בסיס רציונל זה, פיתחנו גישה מתודולוגית חדשנית המבוססת על שלושה עוגנים משלושה תחומי ידע שונים, ועל כן במחקר השתתפו מומחים משלושת שדות הידע: ניתוח טיפו-מורפולוגי (מתחום העיצוב העירוני, עליו הופקדתי אנוכי), ניתוח רשתות וגרפים (מתחום מדעי המחשב, הוביל רועי מרדכי פרנקוס) וניתוח התנהגות בעלי חיים (מתחום הביולוגיה, הובילו אמיר איילי ומשה גרשון). בפיתוח גישה זו, בחרנו שלושה מקרים שאינם מייצגים מחקר מקיף של טופולוגיות אלא משמשים כבסיס לגיבוש ולהצגה של תובנות לגבי אופן הניתוח והגישה המתודולוגית. בהתאם לכך, המחקר כלל שלושה שלבים:

1. בניית מודלים פיזיים של ערים ממשיות: בנינו מודלים מוקטנים בקנה מידה של שלוש ערים: ניו יורק, קהיר ורומא. לכל עיר יש טופולוגיה מובחנת של רשת רחובות ותנועה (של ניו יורק רשתית; של רומא היררכית; ושל קהיר אקראית). הטופולוגיה של כל עיר מייצגת סוג שונה של טיפולוגיה עירונית (למשל, גריד עירוני, מונומנטליות ואורגניות).
2. ניסויים: ניצלנו את הנטייה הטבעית של נימפות ארבה מדברי (שלב צעיר בהתפתחות החרק, עדיין לא מעופף) להתארגן ולנוע בצורת נחיל. ארבה היא דוגמה קלאסית לתנועה קולקטיבית טבעית.¹⁴ התנהגות הארבה כוללת משיכה חזקה לבני מינו והצטברות, כמו גם תנועה מתואמת ומסונכרנת. ידוע כי תכונות התנהגותיות אופייניות אלו הן חזקות ונמשכות אפילו בנוכחות אילוצים טופוגרפיים.¹⁵ השתמשנו בטכניקות מתקדמות של ניתוח וידאו ממוחשב כדי לעקוב אחר תנועת פרטים של ארבה, לנטר את האינטראקציות בין החרקים בתוך טופולוגיות הערים השונות, ולנטר את האינטראקציה של התנועה הקבוצתית של החרקים עם מערך העיר הספציפית.
3. ניתוח: מהנתונים שנאספו, חולץ מידע על תנועה של פרטים בודדים של ארבה ועל התנועה הקולקטיבית של הקבוצה. הפרמטרים שחושבו ברמת הארבה הבודד כללו את מהירות ההליכה, המרחק שעבר, משך ההליכה ומשך ההשהיה. ברמת הקבוצה, חישבנו את המרחק הממוצע בין פרטים של ארבה, גודל מקבץ ממוצע, פרמטר סדר ופרמטרים נוספים. כדי לנתח את תוצאות הניסוי, פיתחנו את ה-LocusTracker , כלי תוכנה לראייה ממוחשבת המורכב מגששים חזותיים מבוססי וידאו, אמינים ומדויקים, כדי לזהות ולחזות את מסלולי הארבה. תוכנה זו מאפשרת הבנה משופרת של דפוסי תנועת ארבה, בכך שהיא מאפשרת לחוקרים לעקוב אחר פרטים בודדים של ארבה במודלים של סביבה עירונית לאורך תקופות ארוכות (מספר שעות), ללא צורך בסמנים פיזיים על הפרטים הבודדים. עם מתודולוגיה זו, ביצענו מחקר ביו-דינמי חדשני על האינטראקציות הפונקציונליות בין טופולוגיה עירונית לבין זרימה.

הגישה הביו-דינמית החדשה שלנו להערכת טופולוגיה עירונית וזרימה, מעשירה את ארגז הכלים הזמין כעת בעזרת תצפיות ניסיוניות של התנהגות דינמית של סוכנים טבעיים-ביולוגיים בתוך מודלים של ערים פיזיות. יתר על כן, אנו מתמקדים הן בהיבטים ברמת המיקרו של מבנה העיר והן בדפוסים גנריים של טיפולוגיות עירוניות. השימוש באורגניזמים חיים כאינדיקטורים להיבטים מסוימים של זרימה בטיפולוגיה עירונית, מספק תובנות חדשות לפיתוח עתידי של ערים, תוך התמקדות בתנועות אנושיות ולא אנושיות (למשל, דינמיקה של התקהלות, של תחבורה והתניידות, ושל כלי רכב אוטונומיים). למיטב ידיעתנו, זו הפעם הראשונה שגישה זו מוצגת.

דִיוּן ומסקנות – מה למדנו?

טיפולוגיות עירוניות הופכות למוקד בהתמודדות עם אתגרים של ניידות ושל זרימה כאחד. טיפולוגיות הן שימושיות ביצירת ערים טיפוסיות להדמיה של ניידות עתידית בקנה מידה גדול, ככל שערים ממשיכות לתרום באופן משמעותי לפליטות גלובליות של פחמן דו חמצני.¹⁶ השתמשנו בטופולוגיות עירוניות ככלים שימושיים לסיווג ולהכללה של פתרונות מרחביים חדשניים, והצגנו גישה חדשה ללמידה של יחסי הגומלין בין גורמים הקשורים לזרימה לבין הטופולוגיה המבנית של ערים. למרות שהמקרים שנותחו הם רק דוגמאות ולא ניתוח מקיף של טיפולוגיות עירוניות, הנתונים שהוצגו מצביעים על תמונה מורכבת. לדוגמה, ברחובות הרחבים של ניו יורק שאמורים להיות אידיאליים לתנועה קולקטיבית של ארבה, לא נוצרו הצטברויות. ברומא, הנתיבים האופייניים היו צפויים להיות מוקדים של תנועה קולקטיבית, אבל הזרימה ברחבי העיר הייתה די אחידה. בניגוד לציפיות, קהיר לא הייתה הטופולוגיה הכי פחות תומכת בזרימה. לפיכך, תחזיות טריוויאליות לא תמיד בהכרח התממשו, ונצפו אינטראקציות דינמיות סבוכות בין העיר לבין הארבה ובין הטופולוגיה לבין זרימה.

בשונה משימוש במודלים ממוחשבים וסימולציות, אנחנו שקלנו גישה ניסיונית, תוך שימוש במודלים פיזיים של טיפוסים שונים של סביבות עירוניות ובבעלי-חיים פעילים וחיים, המעורבים באינטראקציות פיזיות ממשיות עם המבנים בעיר. למתודולוגיה שלנו היו כמה היבטים חדשים. ראשית, ניצלנו את הנטייה הטבעית של החיה שנבחרה – נימפות ארבה – לנוע כפרטים. בנוסף, ניצלנו את הנטייה החזקה שלהם להצטברות ולתנועה קולקטיבית. דפוסי התנועה של הפרטים והתנועה המסונכרנת של מקבצים או קבוצות, היו תלויים מאוד באינטראקציות שלהם זה עם זה ועם הסביבה הפיזית שלהם, כלומר, באילוצים של מודל העיר הספציפי. מחקרים עתידיים יכולים להפיק תועלת משינוי מספר החרקים המשתתפים בניסוי. ניתן לגוון את גודל החרקים על ידי בחירה בשלבי התפתחות מוקדמים יותר של הארבה. יתר על כן, על ידי שימוש באורגניזמים חיים (ולא בסוכנים מדומים או מכשירים רובוטיים), נוכל לנצל את ההיבטים העשירים והמורכבים והטבע הדינמי של התנהגות בעלי חיים. למשל, במקרה של ארבה, נוכל להשתמש בארבה החי בנחילים, כפי שנעשה כאן, או בארבה שגודל בבידוד (ארבה בודד), המפגינים דחייה חזקה יותר (ולא משיכה ותנועה קולקטיבית). באופן דומה, ניתן להשתמש בחרקים אחרים הנבדלים ביכולתם להראות תנועה קולקטיבית. לדוגמה, במקרה של שימוש בנמלים כחרק המודל, נוכל להשתמש בנמלים שעוקבות זו אחר זו באמצעות שבילי פרומונים או נמלים בודדות המחפשות מזון. אותם עקרונות וגישה יכולים להיות מיושמים גם על אורגניזמים אחרים וגדולים יותר (למשל, מינים שונים של מכרסמים החיים במושבות לעומת מכרסמים בודדים), עם מגבלות ברורות הקשורות לגודל.

שנית, פותחו מדדים מותאמים ייעודיים, שאפשרו לנו לקבל תיאורים כמותיים של התנהגות הקשורה לתנועה ולזרימה. פרמטרים נפוצים המשמשים לתיאור תנועה קולקטיבית של בעלי חיים מתמקדים באינטראקציות בין פרטים ובאינטראקציות בין פרטים לקבוצה. כאן, התמקדנו גם באינטראקציות עם הסביבה הפיזית. נציין, למשל, את הנתונים המוצגים לגבי אזורים מועדפים לעומת פחות מועדפים בעיר, המראים כי פרטי ארבה העדיפו לנוע ברחובות ברוחב ספציפי ולהתאסף בשטחים פתוחים. הניתוח אפשר לנו לזהות מבני עיר התומכים בתנועה קבוצתית ומבני עיר המגבילים היווצרות מקבץ שיצרו העדפה להליכה אינדיבידואלית. ניסויים עתידיים יכולים לחקור היבטים ספציפיים של הטופולוגיה העירונית, תוך שימוש במודלים שנבנו בקפידה כדי לחקור ישירות את ההשפעה של מאפיינים ספציפיים על מאפייני הזרימה.

לסיכום, זרמים הם גורמים משפיעים על תפקוד הערים. הם מעוצבים על ידי הפריסה הפיזית של ערים ומשפיעים על ניידות האדם, כמו גם על הכלכלה, התרבות, הבריאות והסביבה. על ידי השפעה על פליטת CO2, יש להם גם השפעה משמעותית על שינויי האקלים. הגישה הביודינמית שלנו לוקחת בחשבון מימד אנליטי חסר, ומאפשרת לנו לייעל את היחסים בין זרימה לבין מערכים מרחביים בפיתוח של עולם עירוני בר-קיימא.