Programmable Architecture

-Towards Human Interactive, Cybernetic Architecture-

Kensuke Hotta (B.Eng, M.Eng, Msc)
Architectural Association School of Architecture, 2013

8-1. Answer to Research Questions

The original proposition could be re-stated as follows.

If intelligent responses can be incorporated into architectural systems, integrating both autonomous systems and user input, then it follows that PA (programable architecture) can increase a building’s adaptability.

The first point in the proposition has already been tested in the early chapters. Both the hardware and software must be well-designed to create this dynamic system. Because the proposed system is a cybernetic system, both elements are inextricably connected and cannot be detached. If the hardware does not have changeability, the system cannot represent the necessary myriad of variations. On the other hand, even if the hardware works well, it is not easy to be controlled without adequate software. When the situation changes, its behaviour is affected, leading to changes in function.

The second point in the proposition relates to the autonomous system (pure GA), which was tested in chapter 6 but could not produce the required illumination level. Then from this reflection, in chapter 7, a controlling model was proposed and tested. A combination between machine optimization and human intelligence gave a relatively effective result. Effective results, in this instance, were equivalent to achieving the objective illumination level.

This research affirms the above proposition and provides an approach for developing and integrating the various aspects of programmable architecture, which will be helpful to others wanting to develop environmentally responsive buildings.

Due to time and resource limits, this thesis had a narrow focus. Several issues must be addressed before this project can be realized in a commercial setting. The first of these is scalability. This research was carried out using models, the largest size of a small room. That it is a new technology, and one cannot assume the building components exist for full-size project implementation. Instead, as the full-scale building is built, components will have to be redesigned and tested. This is further described in sections 8-2. This highlights the second concern, namely the physical testing of the models. In this research, much time-based experimentation was carried out through computer simulation. This needs to be complemented with testing of actually built systems. This is detailed in sections 8-3. Finally, this thesis focused on the issue of illumination. Similar work will need to be carried out for a fully environmentally responsive building with other environmental stimuli such as sound, heat, air quality, etc. This is further elaborated in sections 8-4.

8-1.リサーチクエッションへのこたえ

当初の命題は、次のように言い換えることができる。


自律的なシステムとユーザーの入力の両方を統合して、知的な制御応答が建築制御システムに組み込まれることができるならば、PA(プログラマブル建築)は、建物の適応性を高めることができる、というものである。

 この命題の第一点は、すでに初期の章で検証されている。このダイナミックなシステムを構築するためには、ハードウェアとソフトウェアの両方が適切に設計されている必要がある。サイバネティックなシステムである以上、両者は切っても切り離せない関係にある。もしハードウェアが変更可能でなければ、システムは無数のバリエーションを表現することはできない。また他方、ハードウェアがうまく機能しても、適切なソフトウェアがなければ制御することは困難である。状況が変われば、その挙動も変化し、機能も変化する。

第二に、第六章でテストした自律型システム(純粋なGA)は、動的な条件で必要な照度を得ることができず、この反省から第七章では制御モデルを提案しテストした。機械による最適化と人間の知能の組み合わせは、比較的有効な結果をもたらした。有効な結果とは、この例では、動的に変化する目的の照度を達成しつづけることである。

この研究は、上記の命題を肯定するだけでなく、プログラマブル・アーキテクチャの様々な側面を開発・統合するためのアプローチを提供し、(広義の)環境対応型建築の開発を望む他の人々にとっても有益なものとなるであろう。

時間と資源の制約から、本論文は限定した条件にて証明が行われた。このプロジェクトを商業的に実現するためには、いくつかの問題に取り組まなければならない。
 その第一は、拡張性である。今回の研究で使用された実模型は、小さな部屋に収まる程度のおおきさの模型を使って行われた。新しい素材技術を使用していることもあり、フルサイズのプロジェクト実現のために、同様の性能の建築部材が存在すると仮定することはできないこと。むしろ、フルサイズの建物を建設する際に、コンポーネントを再設計し、テストする必要がある。これについては、8-2節でさらに説明する。
 このことは、第二の懸念事項、すなわちモデルの物理的なテストを強調している。この研究では、多くの時間ベースの実験がコンピューターシミュレーションによって行われたが、これは、物理的に作られたシステムのテストによって補完される必要がある。これについては、8-3節で詳述する。
 最後に、この論文では照明の問題に焦点を当てた。音、熱、空気の質など、他の環境刺激に対応した完全な環境対応型建築物についても、同様の作業を行う必要がある。これについては、8-4節でさらに詳しく説明する。

8-2. Future Work, Scaling up Towards Real Buildings

Two examples of project models are shown below. The first work is a small tea room with a tensegrity roof, exhibited at the Kinetica Art fair 2013. The dimensions of this cubic were approximately 2m by 2m by 2m, so the roof dimensions were also 2m by 2m. The second project model was part of an exhibition at Tokyo Japan 2013, slightly bigger. These installations reveal some of the problems of scaling. One can see the model sagging, especially toward the middle of the roof. The balance between the roof's flexibility and weight change with the change of scale. The appropriate solution to address, for example, the stiffness of the central suspension changes with scale. On a larger scale, the structure needs something extra system to solve this issue.



8-2. 今後の課題、実建築物へのスケールアップについて

このプロジェクトの物理模型は2例ある。最初の作品は、キネティカ・アートフェア2013に出展したテンセグリティの屋根を持つ小さな茶室である。この立方体の室の寸法は約2m×2m×2mであったので、屋根の寸法も2m×2mとした。2つ目のプロジェクトモデルは、2013年に日本行われたでの展示の一部で、少し大きめのものでした。これらのインスタレーションを見ると、スケーリングの問題点が見えてきます。特に屋根の中央あたりで、模型が垂れ下がっているのがわかります。屋根の柔軟性と重量のバランスは、縮尺の変更によって変化することがわかる。例えば、中央のサスペンションの剛性など、縮尺によって適切な解決策が変わってきます。スケールが大きくなると、この問題を解決するために、何か特別なシステムが必要な構造かもしれない。

Fig8-2,1 : 'Interactive Tea Room' InstallationThis picture is a scene from the Kinetica Art fair 2013, in London. The room’s dimensions are 2m by 2m by 2m. The roof is made of the proposed tensegrity structure. The structure reacts to an array of pressure sensors on the floor under floor panel. As the visitor sits down the above part of the structure will open and give the light from the sky. The user can thus interact with the building and its surrounding environment.
Fig8-2,1:「インタラクティブ・ティールーム」インスタレーションこの写真は、ロンドンで開催された「Kinetica Art fair 2013」での一コマです。部屋の寸法は、2m×2m×2mです。屋根は、提案されているテンセグリティー構造でできています。この構造は、床下パネルに設置された圧力センサーの配列に反応する。観客が座ると、構造体の上の部分が開き、空からの光が差し込む。このように、ユーザーは建物やその周辺環境とインタラクションすることができます。
Fig8-2,2 : Hagiso InstallationThis picture is from the Japan Junction exhibition at Hagiso Japan 2013. The user can control the array of tensegritic roof panels wirelessly using an iPad. The model scale is approach one to one but in so doing it reveals some problem such as sagging.
Fig8-2,2 : ハギソーでのインスタレーションこの写真は、Hagiso Japan 2013のJapan Junctionの展示から。テンセグラスの屋根のパネルを、iPadを使ってワイヤレスで操作することができます。模型の縮尺は1対1に近いですが、その分、たるみなどの問題点が見えてきます。

8-3. Future Work, Towards Physical Experiment

In chapters 6 and 7, computer based simulated experiments were used. As you can see in the above figure, author also attempted to use constructed physical models (chapters 4-8). Two different method exist to connect the simulation with the physical robotic roof. One method uses the software 'Firefly' controlling the system through Rhino/Grasshopper. The other involves a direct coding connection between the processing computer and Arduino through a serial transformation. Both methods were tested and worked.

Physical experimentation has not used as the primary research tool for several reasons.

1. the Scaling problem (as mentioned above)

2. Sensing methods - for instance the light sensor above was required in large numbers and was prohibitively expensive.

3. Material problems - controlling the quality of the material in the physical models was problematic. For example the opacity of the material of the roof membrane fluctuated a great deal even in a small sample.

4. Space - The experiment needed an appropriate space. For example, in the above set-up the roof was placed vertically on the wall, meaning gravity affected its movement adversely.

For future realization of this proposal the physical experiment needs to be carried with the goals of generating results similar to the simulated ones.

8-3. 今後の課題、物理実験に向けて

6章と7章では、コンピュータを使った模擬実験を行った。上図にあるように、筆者は構築された物理モデルを用いることも試みた(第4章~第8章)。シミュレーションと物理的なロボットキャノピーの接続には、2つの異なる方法がある。1つは、ソフトウェア「Firefly」を使って、Rhino/Grasshopperでシステムを制御する方法。もう1つは、処理用コンピュータとArduinoをシリアル変換で直接コーディング接続するものである。どちらの方法もテストして問題のないことだけは確認済みである。

いくつかの理由から、物理的な実験は主要な研究ツールとして使用されていません。

1.スケーリングの問題(前述)

2. センシング方法 - 例えば、上記の光センサーは大量に必要であり、法外に高価であった

3. 材料の問題 - 物理的なモデルで材料の品質をコントロールすることは問題でした。例えば、屋根の膜材の不透明度は、少量のサンプルでも大きく変動していた。

4.スペースの問題 - 実験には適切な実験スペースが必要でした。例えば、上記の実験では、屋根が壁に垂直に設置されているため、重力の影響を受け、動きが悪くなってしまう。

今後、本提案を実現するためには、物理的な実験を行い、シミュレーションと同様の結果を得ることが必要である。

8-4. Future Work, Addressing Various Environmental Stimuli and Other Concerns

All the experiments in this thesis focused on lighting illumination levels. However in the original thesis aims and objectives (p.18) various types of environmental stimulus, such as sound, heat, air, temperature, etc. are mentioned. A true cybernetic architectural system has to deal with all those elements. There is no doubt GA would able to mediate a great number of environmental sources but the methodology needs to be expanded and tested.

In this case a single structure is considered but if this sort of cybernetic architecture is realized, what going to happen between two buildings? Can they boost each others adaptability? Will they attempt to compete against each other? Alongside adapting to environmental factors and human input, the system has to have adaptability to other buildings. This relationship will also need to be tested.

8-4. 今後の課題、様々な環境刺激への対応、その他の懸念事項

本論文では、すべて照明/太陽光の照度に着目して実験を行った。しかし、本来の論文の目的(p.18)には、音、熱、空気、温度など様々な種類の環境刺激について言及されている。正確なサイバネティック建築システムは、それらすべての要素に対処しなければならない。GAが多くの環境ソースを媒介できることは間違いないが、その方法論を拡張し、検証する必要がある。

本論文の実験群は単一の構造物を想定したものにかぎられる。このようなサイバネティック建築を実現した場合、2つの建物の間では何が起こるのでであろうか?互いの適応性を高めることができるのか?互いに競争しようとするのか?仮に単一の建築物に関して考慮したとしても、環境要因や人間の入力への適応と同時に、他の建築物への適応も必要である。この関係も検証していく必要がある。

8-5. Future Structures

While sections 8-2 through 8-4 highlight the rather formidable work ahead to realize fully programmable architecture, there is scope to start creating structures incrementally. Section 8-2 highlights two human-scale implementations of programmable architecture. These could be expanded and tested in other small to mid-size structures, slowly building up a portfolio of successful implementations of cybernetic architecture. In chapter 4, when addressing the issue of environmental input, the term ‘layers’ is used to refer to illumination, sound, air and other environmental. One could see a series of future structures successively adding more and more ‘layers’ that address more and more environmental factors and become increasingly intelligent. Thus, while this proposal is somewhat theoretical, as presented, it could be implemented soon with the application of adequate resources.

8-5. 将来の構造体

このセクション8-2から8-4は、提案するプログラマブル・アーキテクチャを実現するためのかなり手ごわい作業群を強調したが、段階的に構造を作り始める余地もある。セクション 8-2 では、プログラマブルアーキテクチャのヒューマンスケールの実装を 2 つ紹介した。これらは他の小中規模の構造物にも拡張してテストすることができ、サイバネティック建築の実装を成功させるためのポートフォリオを徐々に構築していくことができるだろう。第4章では、環境入力の問題を扱う際に、照明、音、空気、その他の環境を指す言葉として「レイヤー」が使われている。将来的には、より多くの環境要因に対応する「レイヤー」を順次追加し、よりインテリジェントな構造になっていくという一連の流れを見ることができるだろう。このように、この提案はやや理論的ではあるが、提示されたように、十分なリソースを適用すれば、部分的にはすぐにでも実現可能なものである。