Programmable Architecture

-Towards Human Interactive, Cybernetic Architecture-

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

プログラマブルアーキテクチャ

ーヒューマンインタラクティブ、サイバネティックアーキテクチャーに向けてー

堀田憲祐(工学学士、工学修士、理学修士),
英国建築協会建築学校

1-1. Introduction

There are two different meanings associated with the word “architecture”. The first relates to “the style and design of a building or buildings” and the other to “the structure of a computer system and the way it works” from Longman dictionary (Ed.Various, 2009). In this thesis the former is described as ‘architecture (building)’, and is considered the “hardware”, the latter is described as ‘architecture (system) ’and is considered the “software”. This proposal will attempt to re-connect these two words because of the upsurge in computational methods, not only as an extension of the designer’s hand - such as a drawing software - but also as an extension of the designer’s intelligent, brain-like functions (mind) - such as intelligent controllable tools.

Programmable Architecture as discussed in this research proposes a new strategy for cybernetic architecture defined as a multi-scaled system that communicates with architectural components, the smallest elements are interconnected with humans by devices such as smartphones. Through both software and hardware, it has the ability to change its shapes during its interaction.(Fig1-1-1) The important thing is to ensure that the architectural space (building and system) is somehow controllable by human agents.

The core challenge is to make the hardware a lattice of discrete machines (which consist of self-contained components) that integrates numerous computers dedicated to sensing-calculating-actuating, each making its own decisions in order to produce an interactive interface. True adaptability or sustainability of architecture can result from such a system.

1-1.序論

「アーキテクチャ」という言葉にはふたつの意味がある。ひとつは構造物や建築物のスタイルやデザインに関連するもの、そしてもうひとつは、コンピュータシステムの構造とその働きである。(ロングマン現代英英辞典, ,2009年版)  この論文では、前者は建築物(物理的建造物)を表し、これをハードウェアと呼ぶこととする。後者は建築システムと表現しソフトウェアと呼ぶこととする。この提案は、今日のコンピューテション手法の隆盛によって、この二つの言葉を再び接続することを試みる。それは、設計者の手の延長線上にある図面ソフトのようなものだけでなく、設計者の知的機能の延長としての役割を担う使い方を意味する。また、これはコンピュータが知的な協働のための道具となるような可能性を示唆する。

この論文で考察される「プログラマブル・アーキテクチャ」は、サイバネティックなアーキテクチャ(※システム工学を援用したハードウェアとソフトウェアの仕組み)のための新しい戦略を提案する。それは、入れ子状の複数の大きさを持つ仕組みで、建築的コンポーネントで構成される。また、さらに小さい単位ではこの建築的コンポーネントと人間が電子デバイス(スマートフォンなど)によって相互的に接続される。プログラマブル・アーキテクチャは、ソフトウェア、ハードウェアの両方を通して、相互作用している間、その形を変えることができる。(図1-1-1)しかし、同時に重要なことは、建築的空間(建物とシステム)は、人間(というエージェント)が何らかの形で制御できるようにすることである(図1-1-1)。

核となる挑戦は、ハードウェアが自己完結型のコンポーネントの集積からつくられ、それらがラティス状にネットワークを構成することである。建築が外部(人間や環境)とインタラクティブに交信するインターフェイスになるために、各々の機械は、感知-計算-作動の機能を持ち、それぞれが独自の意思決定を行う。このようなシステムの結果として、真の適応性や持続性が担保される。

The thesis makes a contribution in below 3 points

- to the debate about cybernetic architecture, particularly real-time optimisation, and robotic architectural elements that can make real-time decisions and can learn.

- to methods of human interaction with learning algorithms in architecture

- to scientific testing through physical demonstration of a responsive roof structure

この論文は下記の3点において、学術に貢献する。

-サイバネティック・アーキテクチャ、特にリアルタイム最適化、リアルタイムの意思決定・学習が可能なロボティック・アーキテクチャーについての議論

-建築においての、学習アルゴリズムと人間の相互作用の方法について

-応答可能な屋根構造物の物理的デモンストレーションを通した、科学的評価

fig.1-1, 1 , A diagram of proposed Architecture (both in building and system and those connections.)
図1-1,1,提案するアーキテクチャの図解(物理的構造物とシステム、それらの繋がりの例)

1-1-1 : Definition of Original Words

Several key phrases are defined below. It’s worth noting that the word ‘Architecture’ is used, in this thesis, in it’s traditional context of building and construction, not as a reference to a structure of logic or as an algorithm in the computing field.

1-1-1: オリジナルの言葉の定義

いくつかのキーフレーズは、下記のように定義づけられる。「アーキテクチャ」という言葉は、この論文においては、論理の構造として、または、コンピューティング分野でのアルゴリズムとして使用され、伝統的な建物や建築物という面のみで使用される言葉ではない。

An ‘Architectural Machine’ is an architectural structure (building) which incorporates some kind of mechanism such as robotic features or mechanical engineering techniques. This contrasts with a traditional structure (building) which is a static object. In contrast to ‘Robotic Architecture’, this system does not have a metaphysical system such as a computer.

「アーキテクチャル・マシーン」とは、ロボティックな特徴や機械工学技術のような何種類かのメカニズムを合体させた建築の構造(アーキテクチャル・ストラクチャ)である。これは静的なオブジェクトである伝統的な建築物とは対照的なものである。「ロボティック ・アーキテクチャ」に比べ、このシステムはコンピューターのような形而上のシステムを持たない。

‘Robotic Architecture’ is a cybernetic architectural system consisting of a building and its control system. This is a combination of a physical structure and a metaphysical system. As with a robot, there are various degrees of automation, creating a system that has different degrees of intelligence. This system is a kind of automata; depending on its intelligence it may be more or less responsive. It is possible to achieve higher functions such as the distinction between right and wrong responses, and even to renew its own system (Autopoiesis). However up to the present (2014), these systems lack in intelligence.

「ロボティック・アーキテクチャ」とは、建物とその制御システムからなるサイバネティック建築システムである。これは、物理的構築物と形而上のシステムの組み合わせによってなる。ロボットと同じように、いくつかの程度の自動(化)装置があり、それにより異なるレベルの知性を持つ、加えて多かれ少なかれ、反応系である。ゆくゆくは、正しい、間違っているという返答の区別をするような、より高い機能を成し遂げることが可能であり、それ自体のシステムを更新する(オートポイエーシス的)ことさえ可能である。しかし、現在(2014年)までの時点では、現存する建築設備のシステムとしては、そこまで至っていない。(※2020年追記、至っていないというか、必要とされていなかった、この数年で、AI普及が進み、状況が変わりそうである)

‘Responsive Architecture’ is a primitive cybernetic architectural system which consists of a building and its control system which have a monotonous (or patterned) response system. This system is a simple closed loop system that can respond to stimuli from humans or the environment. It’s responses are programmed and fixed in advance creating a system with limited adaptability. If the stimulus levels or types change, an administrator, human most likely, needs to re-program the system. This system sometimes is incorporated into ‘Robotic Architecture’ (defined above). But also it can be used in other types of response systems such as a material based system.

’レスポンシブ・アーキテクチャ’は、初源的サイバネティック建築システムで、それは物理的建物と単調な(パターン化した)応答システムを持つ制御システムからなる。このシステムは、人間や環境からの刺激に反応するシンプルな閉回路システムである。その反応は、あらかじめプログラムされた範囲内で固定されており、その適応力は限定されている。刺激レベルまたはタイプが変化した場合には、管理者ーたいていの場合は人間がそのシステムを再プログラムする必要があるだろう。このシステムは時には「ロボティック・アーキテクチャ」(先に定義)と統合されるが、しかしあるときには、マテリアルベースのシステムのような別応答システムと共に使用されることもあり得る。

‘Programmable Architecture’ is a cybernetic, responsive architecture (building) which consists of robotic architecture and a flexible control system which has an interaction system (interface) between its autonomous software and its human users. This ‘autonomous’ system can be controlled by various methodologies and algorithms, as well as accepting intervention or being overridden by its human users. This hybrid system has a flexible and intelligent ecology. ‘Programmable’ here is polysemic referring to the control system which is program-able by a computer script, program-able in terms of its architectural functions which can be altered by changing its shape, and finally referring to the fact that it is control-able by the end user who may wish to alter an existing program or initiate a new program.

「プログラマブル・アーキテクチャ」とは、サイバネティックなレスポンシブ・アーキテクチャ(ときに建物)である。それはロボティック・アーキテクチャと可変性のある制御ソフトウェアよって構成される。そのソフトウェアは自律システムと、ユーザーが相互交信可能な機能を持つ。この「自律」システムは、さまざまな方法論とアルゴリズムによって制御されており、またユーザーによって介入を受け入れたり、上書きすることも可能である。このハイブリッドに構成された系は、柔軟で賢いエコロジーを成す。ここでの「プログラマブル」の意味は多義である。ひとつはコンピュータースクリプトの変更によって調整可能な中央制御システム、ふたつめにフィジカルな意味での建築機能(プログラム)の可変機能、そして最後にエンドユーザーによって書き換え、または新規にプログラムを作成して変更可能な機能などを意味する。

1-2. Research Motivation

Since this is not a conventional architectural field, it is difficult to find a specific definition for concepts such as time-based design and the meaning of ‘Programmable in architecture ’or even ‘Metabolism in architecture’. However, user-participation is considered central to the architectural design concepts developed in this work. As a familiar example of this, a house renovation, including enlarging or reducing space/volume can be used to explain these concepts. Dwelling surveys carried out in West Africa in 2007 (Hotta, 2008) show that the local inhabitants proceed to modify their own dwellings (fig1-2-1). The local woman breaks part of a mud wall, and patches it with wet mud.

1-2..研究の動機

従来の建築学の分野ではないので、「時間に基づいたデザイン」の概念や、「建築におけるプログラム可能性」の意味を既存の文献から見つけることは、なかなか難しい。或いは、「建築の新陳代謝」でさえも、当初は明白な定義を見つけることは難しかった。しかし、前出の概念群を実現するためには、つねに使用者の参加が中心的な課題となる。これらの概念群を説明するために、親しみやすい例題として、空間/容積を広げたり、小さくしたりすることも含め、家のリノベーションがあげられる。2007年に西アフリカで行われた、東京大学藤井研究室の住居調査(堀田、2008年)では、現地住民は彼ら自身の住居を絶え間なく改装し続けていることを記した。現地の女性は、土でできた家の一部である壁を壊し、新たな土を水でこねて部屋を切り張りし、拡張していく。

Fig 1-2,1 , A local woman plastering her house with wet mud. They do not have architectural profession, but residents mend themselves. This picture is taken in Kion village, Lele Tribe, in BurkinaFaso ,2007, at West African Survey, by Fujii Lab, The University of Tokyo . Author (K.Hotta) participated in this research trip.
(図1-2-1)現地の女性は、自分の家の壁に土を水でこねて塗っている、補修している。彼女たちは建築のプロではない。しかし、住居者たちは自分たちで修理する。この写真は、ブルキナファソ、キオン村、レレ族。2007年、東京大学、藤井研究室による西アフリカ調査で撮影された。筆者、堀田憲祐はこの調査旅行に参加した。

However in this work, ‘renovation’ does not just mean renovating size by adding a room, but also the use of adaptability to provide an equivalent architectural function. Surprisingly, in the 1960's, Mr A.Isozaki , who is Japanese architect, was already aware of this issue which placed him in a critical position with respect to the Japanese Metabolist’s Movement (see Section 2-2). The problem is: the specialist’s design cannot help but be a teleological structure as opposed to a vernacular procedure. (Vernacular procedure is architect-less architectural design, the lay-person frequently make and modify their buildings without planning) The Metabolists (Isozaki, 1963.) tried to avoid those specialist’s subjective design methods using autonomous and time-based design methods (Time-based design is the architectural system that has the ability to change after it is built), but they fell into the same trap. True autonomous design should be handled by the user.

しかし、この研究では、「リノベーション」とは、単に部屋を追加してサイズを変えるというだけではなく、同等の建築機能を提供する適応性を利用することを意味する。驚くことに、1960年代に日本の建築家、磯崎新氏はすでにこの問題に気づいており、それによって日本のメタボリストムーブメント(参照セクション2-2)に関して、彼は批判的な立場に自らをおくことになる。問題は:土着的なデザインの手続き(建築家のいない、建築デザインで、素人が計画なしで彼らの建物を度々建てたり、改造したりする。)に対して、専門家のデザインが反対の目的的な計画を逃れることができないこと、である。磯崎によると、メタボリストは自律的で、タイムベースのデザイン方法(タイムベースデザインとは、建物が完成されたあとに、変更することが可能な建築システム)を使用し、専門家の主観的デザイン方法を避けようとした。(磯崎、1963)しかし、彼らは同じ轍を踏んでいる。本当の自律的デザインは、部外者ではなく、使用者・本人によって扱われるべきだった。

1-3. Research Field's Background

1-3-1. From the Field of Architecture

In recent years, the key word 'adaptability' is increasingly used in the field of emergent architectural design. Two recent book titles are “Adaptive Ecologies"(Theodore, S., Frazer, J., Schumacher, P., 2013) and "Unconventional Computing: Design Methods for Adaptive Architecture"(Armstrong, R.(Au), Simone, F. (Ed)). Also in ACADIA (The Association for Computer Aided Design in Architecture), the most famous conference in the computational design field, the title of its 2013 conference was 'Adaptive Architecture’.

1-3.研究分野の背景

1-3-1.建築分野から

近年、「adaptability(適応性)」というキーワードは、創発的な建築デザインの分野においてよく使われている。最近の2冊の本のタイトルは「AdaptiveEcologies(適応性生態)」(Theodore、S.、Frazer、J.、Schumacher、P.、2013)と「UnconventionalComputing:Design Methods for Adaptive Architecture(型破りなコンピューティング:適応性建築の設計方法)」(Armstrong、R.(Au)、Simone、F 。(Ed))。また、コンピューテーショナルデザイン分野で最も有名な会議であるACADIA(Association for Computer Aided Design in Architecture)でも、2013年の会議のタイトルは「AdaptiveArchitecture(適応性建築)」であった。

Fig 1-3-1,1: A diagram of Contemporary Architectural Concepts.
Considering non-static architecture (building), terms related to emergent architecture have appeared which could be arranged in a ranking order of complexity, from primitive to higher level functionality: ‘time-based design’, ‘event-based design’, ‘responsive design’, ‘interactive design‘, ‘adaptive design‘, ‘intelligent design‘ (Sherbini and Krawczyk, 2004). In recent times, in addition, new keywords have also appeared (Sterk, 2009a) associated with concepts such as ‘cybernetic machine’, ‘kinetic architecture’, ‘user participation’, ‘discrete model‘.
非静的アーキテクチャ(建物)を考慮すると、複雑さのランク付け順に並べることができるような創発的建築に関連する用語が登場した。「時間ベースの設計」、「イベントベースの設計」、「レスポンシブル設計」、「相互作用性設計」、「適応性設計」、「知的設計」(Sherbini and Krawczyk、2004)。さらに、最近では、「サイバーネティックマシン」、「キネティックアーキテクチャ」、「ユーザー参加」、※「離散的モデル」などのコンセプトに関連する新しいものも登場している(Sterk、2009a)。

There are many approaches to making architecture (both buildings and systems) adaptive and sustainable. (Fig1-3,1) Most contemporary architecture uses scientific approaches based on mathematics, physics, and computational tools and through experimentation is able to achieve higher levels of adaptability against ever changing circumstances. However, in considering the keyword ‘adaptability’ in architectural design, it is critical to discuss what adaptability is for. Also there is a problem that the high 'adaptability' is used for better thing in this context without description. It is problematic to speak of high ‘adaptability’ without a description of what the nature and benefits of the adaptability are. This leads to the question - why is adaptability needed in the design process. To make this logic clear is a critical aspect of the design research.

建築(建物とシステムの両方)を適応的・持続可能にするための多くのアプローチがある。(図1-3,1)たいていの現代建築は、数学、物理学、および計算ツールに基づく科学的アプローチを使用しており、実験を通じて、絶えず変化する状況に対してより高いレベルの適応性を発揮出来る。ただし、建築設計で「適応性」というキーワードを検討する際には、適応性が何のためにあるのかを議論することが重要である。また、説明なしでこの文脈でより良いもののために高い「適応性」が使用されるのかという問題がある。適応性の性質と利点が何であるかを説明せずに、高い「適応性」について話すことは問題だ。これは、設計プロセスで適応性が必要な理由は何かという疑問につながります。この論理を明確にすることは、設計研究の重要な側面である。

In this research it was necessary to narrow the approach to certain aspect of the design. In this thesis, environmental adaptability is the centre of discussion. The aim is for an architecture with higher environmental adaptability, and to develop an architectural design methodology that will address shape, systems, and devices that constitute the building. In addressing adaptability a morphological method is taken though there are thousands of the methodologies that could result in a adaptable architecture. The idea of shape-adaptive architecture, which consists of dynamic components, has been gaining in popularity (Schumacher, 2010a). Component-based design methods, inspired by biology, have been present in German architectural design as exemplified by Frei Otto. However, because of the development of computational approaches, it has been re-interpreted within the contemporary period through the Emergent Technology and Design Programme at the Architectural Association (Hensel, M., Menges, A., Weistock, M., 2010). After a decade its popularity has also been enhanced with contributions from the theoretical side.(Hensel, M. and Menges A., 2007)

この調査では、デザインの確実な面に絞ってアプローチする必要がある。この論文では、環境への適応性が、議論の中心となる。その狙いは、建築が、環境へのより高い適応性をもつこと、そして、建物を構成する形、システム、そしてデバイスを扱う建築デザイン方法論を発展させることである。適応性に対処する際には、形態学的な方法が採用されるが、適応可能な建築をもたらす可能性のある方法論は数千とある。動的要素で構成される形状適応型建築のアイデアが人気を集めている(Schumacher、2010a)。生物学に触発されたコンポーネント(構成要素)ベースの設計手法は、フライオットーによって例示されているようにドイツの建築設計にある。しかし、計算アプローチの開発により、AAスクールのEmergent Technology and Design Program(Hensel、M.、Menges、A.、Weistock、M.、2010)を通じて、現代で再解釈された。 10年後、その人気は理論的な側面からの貢献を受け強化されることとなった。(Hensel、M. and Menges A.、2007)

1-3-2. From the Control Engineering Field

The ‘Control Engineering’ field is an interdisciplinary field seeking stable behaviour with a cybernetic aspect, in various systems. 'Control Theory’ in particular deals with dynamic systems from a mathematical point of view. All theory consists of 3 aspects namely 'the representational model', 'the analytic methodology' and 'the control design'. Recently, Control Engineering methodologies have expanded significantly alongside advancements in Control Theory. Because of technological advancements, 'Post Modern Control Theory ' and 'Intelligent Control Theory' have become increasingly important since the 1980's in contrast to 'Classical Control Theory' and 'Modern Control Theory’.

A brief history of this theory is described here. The first so called Automatic Control Systems were developed before Christ. For example in Alexandria, Egypt there was a water-clock which had a feedback control system. Automata such as dancing figures became popular in Europe in the 17th and 18th centuries for entertainment. These systems were the typical 'Open-loop Control' systems, which repeated the same task over and over. In contrast the 'Closed-loop' control device was first invented by C. Drebbel around 1620, as temperature regulator for a furnace. J Watt is famous for inventing the centrifugal fly-ball governor for steam engines in 1788. J.C. Maxwell first described control systems with differential equations on his paper "On Governors". (Maxwell, J.C.,1868) Edward John Routh and Adolf Hurwitz analyzed system stability using differential equations in 1877. This resulted in the Routh–Hurwitz theorem. This demonstrated the importance of mathematical models and started mathematical system theory though not in a convincing way.

1-3-2.制御工学分野から

「制御工学」分野は、さまざまなシステムにおいて、サイバネティックスの側面を備えた安定した動作を求める学際的な(多くの分野にまたがる)分野である。特に「制御理論」は、数学的な観点から動的システムを扱う。すべての理論は、「表現モデル」、「分析方法論」、「制御設計」の3つの側面で構成されている。最近では、制御工学方法論は,制御理論の進歩と共に、著しく発展している。技術の進歩により、「古典制御理論」や「現代制御理論」とは対照的に、「ポスト現代制御理論」と「知的制御理論」が1980年代以降ますます重要になっている。


この理論を簡単に説明する。第一に、いわゆる自動制御システムは紀元前に開発されている。例えば、エジプトのアレクサンドリアには、フィードバック制御システムを備えた水時計があった。踊る人物などのオートマタは、17世紀から18世紀にかけてヨーロッパで娯楽として人気を博した。これらのシステムは、同じタスクを何度も繰り返す典型的な「開ループ制御」システムである。対照的に、「閉回路」制御装置は、暖炉の温度調節器として、1620年頃にC.ドレベルによって最初に発明された。ジェームス ワットは1788年に、蒸気機関のための遠心力を使ったフライボール調整器を発明したことで有名である。J.C.マクスウェルは、彼の論文「On Governors」(マクスウェル、J.C.、1868年)で、微分方程式を使用した制御システムについて最初に説明した。エドワード・ジョン・ラウスとアドルフ・フルビッツは、1877年に微分方程式を使用してシステムの安定性を分析した。この結果が、ラウス-フルビッツの定理である。これにより、数学的モデルの重要性を論証し納得のいく方法ではないにしても、数学的システム理論が始まった。

Around World War 2, mechanical applications of control devices became mainstream being used in flight control, fire control, guidance systems, sidewinder missiles, ship stabilizers, even in electronics. This technical competition shifted into the Space Race during the Cold War. Building on progress in stochastic, robust, adaptive and optimal control methods, this theory made significant progress. Referred to as 'Classical Control Theory', it was formally organized in the 1950's representing the closed-loop systems dominance over open-loop systems. following Classical Control Theory, 1) in the time domain differential equations are used, 2) in the complex-s domain the Laplace transform is used and 3) in the frequency domain one uses a transformation from the complex-s domain. In this way, single input and output (SISO) are dealt with in a linear system called the 'Transfer Function'. When the frequency domain approach is taken, the Laplace transform is frequently used on the variables. 'PID control' or short proportional-integral-derivative is one representative example of this. These theories are still at the centre of the field of Industry. 'Modern Control Theory' is distinguished from Classical Control Theory through its use of time-domain 'State Space' representation (also known as the "time-domain approach") in contrast to 'the frequency domain analysis' of the ‘Classical Control Theory’. The sets of inputs and outputs are represented as first-order differential equation. Unlike the frequency domain approach, the use of the state space representation is not limited to systems with linear components and zero initial conditions. “State space" refers to the space whose axes are the state variables. The state of the system can be represented as a vector within that space. (Donald M Wiberg, 1971). Because of this, it can be applied to more complex problems. In the 1960's, optimized output feedback was popular in research. In the 1970's, systems with a combination of sensors and optimized regulators became the centre of academia. It resulted in a variety of regulators.

第二次世界大戦中、制御装置の機械的用途は、飛行制御、射撃統制、誘導システム、サイドワインダーミサイル、船舶安定装置、さらには電子機器で使用されるようにもなった。この技術競争は冷戦中に宇宙開発競争に移行していった。確率的で、強固で、適応性があり、最適な制御方法の進歩によって、この理論は著しく進歩した。「古典制御論」と呼ばれ、1950年代に正式に組織化され、開ループシステムに対する閉回路システムの優位性を表している。古典制御理論に従って、1)時間領域では微分方程式が使用され、2)複合体-s領域ではラプラス変換が使用され、3)周波数領域では複合体-s領域からの変換が使用される。このように、単一の入力と出力(SISO)は、「伝達関数」と呼ばれる線形システムで処理される。周波数領域アプローチを採用する場合、変数に対してラプラス変換が頻繁に使用される。「PID制御」または短い比例-積分-微分は、この代表的な例の1つである。これらの理論は、いまでも産業分野の中心である。「現代制御理論」は、「古典制御理論」の「周波数領域分析」とは対照的に、時間領域「状態空間」表現(「時間領域アプローチ」としても知られる)の使用によって古典制御理論と区別される。インプットとアウトプットの組み合わせは、一次の微分方程式として、代表される。周波数領域アプローチとは異なり、状態空間表現の使用は、線形の構成や初期条件がゼロのシステムに限定されない。「状態空間」とは、軸が状態変数である空間を指し、システムの状態は、その空間内のベクトルとして表される。(ドナルドMウィバーグ、1971年)。これにより、より複雑な問題に適用することが出来る。1960年代には、最適化された出力フィードバックが研究でポピュラーであった。1970年代には、センサーと最適化されたレギュレーターを組み合わせたシステムは,学界の中心となった。その結果、さまざまなレギュレターが生まれた。

In terms of recent development, there are various types of methodologies referred to as 'Post-modern Control Theory'. The most common examples are Adaptive control, Hierarchical control, Optimal control, Predictive Control (MPC) and Linear-Quadratic-Gaussian control (LQG), Robust control, Stochastic control, Energy-Shaping control and Self-Organized Criticality control. Every control system must guarantee first the stability of the closed-loop behaviour. For linear systems, this can be obtained by directly placing the poles. Non-linear control systems use specific theories (normally based on Aleksandr Lyapunov's Theory) to ensure stability without regard to the inner dynamics of the system. The ability to address different specifications varies according to the model considered and the control strategy chosen. 'Intelligent Control Theory' uses various AI (Artificial Intelligence) computing approaches such as neural networks, Bayesian probability, fuzzy logic, machine learning, evolutionary computation, Intelligent agents (Cognitive/Conscious control) and genetic algorithms to control a dynamic system. These methodologies have become popular not only because of computational advancement but also because of the development of algorithmic-software. A feature of these methodologies is that when the model or controllers are constructed, they don’t require a specific physical character giving them great versatility.

最近の開発に関しては、「ポストモダン制御理論」と呼ばれるさまざまなタイプの方法論がある。最も一般的な例は、適応制御、階層制御、最適制御、予測制御(MPC)および線形二次ガウス制御(LQG)、ロバスト制御、確率的制御、エネルギー整形制御、および自己組織化臨界制御である。すべての制御システムは、まず、閉回路動作の安定性を保証しなければならない。線形システムの場合、これは極を直接配置することで実現できる。非線形制御システムは、特定の理論(通常はAleksandr Lyapunovの理論に基づく)を使用して、システムの内部ダイナミクスに関係なく安定性を確保する。さまざまな仕様に対応する能力は、検討するモデルと選択した制御戦略によって異なる。「インテリジェント制御理論」は、ニューラルネットワーク、ベイズ確率、ファジー理論、機械学習、進化的計算、インテリジェントエージェント(認知/意識制御)、遺伝的アルゴリズムなど、さまざまなAI(人工知能)コンピューティングアプローチを使用して動的システムを制御する。これらの方法論は、コンピューテーショナルの進歩だけでなく、アルゴリズムソフトウェアの開発のためにも普及している。これらの方法論の特徴は、モデルまたはコントローラーを構築するときに、特定の物理的特性を必要とせず、優れた汎用性を提供することである。

1-4. Aim and Objectives

The aim of this thesis is to demonstrate that the architectural fabric made by programmable architecture (PA) can reconfigure space in order to control its environment. This set space is ephemeral but can support the various activities that are compose human lifestyle. Physical architecture interferes with the environmental elements such as light (illumination), sound (volume and frequency), air (direction, speed and heat) etc. Programmable architecture will control those elements by changing its physical form. By changing form, this architecture will make different types of layered spaces. In this proposal the space is that underneath a canopy. This approach to affordance is based on the hypothesis that environmental conditions can induce people to take specific actions. For example reading in the library-how is it possible to reconfigure the space and induce the action? Though human action is unpredictable, it is possible to prepare circumstances which encourage the desired behaviour. In this instance, there is a comfortable environmental range of conditions for reading. For instance, there should be no rain, it shouldn’t be too dark for visibility, it should be silent, there should be a calm wind or no wind, extreme ranges of temperature need to be avoided etc. Thus this architecture (a combination of building and system) will encourage human activity. To support this argument, a new paradigm for spatial reconfiguration policy needs to be defined. Rather than planning based on spatial functions, PA is designed as a system which can fulfil the pluripotent functions of day to day living and working. Any architecture (building) has functions; functions are a way of using space in this context. In architectural design, traditionally most of architecture (building) is planned, drawn and built based on this principle. However in this proposal the functions are ephemeral, even it after being built the building’s functions are ever changing in the same way as the events in a plaza. Users are searching for an appropriate space which has an optimal environment for a specific action. When this action is complete, they are encouraged to engage in a new activity or simply leave this space. However this may sometimes be inconvenient for stable users. So In the proposed PA system the user can control the character of space in a more advanced way creating spaces environmentally appropriate for their activities.

1-4. 狙いと目的

この論文の狙いは、プログラマブルアーキテクチャ(PA)によって作成された建築物の構造が、その環境を制御するために空間を再構成することが可能かを証明することである。このセットスペースは一過性であるが、人間のライフスタイルを構成する様々な動きをサポートすることができる。物理的に建築は、光(照明)、音(音量と周波数)、空気(方向、速度、熱)などの環境要素に干渉する。PAは、その物理的形態を変更することにより、それらの要素をコントロールする。形態を変えることによって、この建築物は異なるタイプのレイヤードスペースを作る。この提案では、スペースは、キャノピーの下である。このアフォーダンスへのアプローチでは、環境的状況は、人々が特定の行動をするように誘導するという仮説に基づく。

例えば、図書館で読書をするような状態は、スペースを再設定し、この行動を誘導することが可能であるか 人間の行動が予測できない場合でも、要求された行動を促す状況を用意することは可能である。この場合、読書するための心地よい環境の条件範囲がある。例えば、雨は降らない、視界が暗すぎない、静かである、穏やかな風が流れているかまたは風はない、極端な温度差は避ける必要がある、等々。このようにこの建築物(建物とシステムの結合)は、人間の行動を促進するのである。この議論をサポートするために、空間的再構成のポリシーのための新しいパラダイムが定義される必要がある。空間機能をベースとした計画よりもPAは、日々の生活や仕事の多能性機能を実現することが可能なシステムとしてデザインされた。どんな建築物(建物)でも機能は持っている;この文章での機能とは、空間の使い方である。建築デザインでは、大抵の建築物は伝統的には、計画され、設計され、そしてこの原理をベースに建てられいる。しかし、この提案では、機能は一過性であり、それさえ、建てられた後には、その建物の機能はプラザのイベントと同じように変わり続けていくのである。ユーザーは、特定の行動に最適な環境を持つ適切な空間を探している。このアクションが完了すると彼らは、新しい行動をしようという気になるか、単にこの空間を去るのである。ただし、これは安定した行動をとるユーザーにとっては不便な場合がある。そこで、提案されたPAシステムでは、ユーザーは、より進歩した方法で、彼らの行動に環境的に適切な空間を造り上げることができるよう、空間をコントロールできるのである。

This thesis’ objective is to design and test an architectural fabric (a combination physical structure and system) which can follow an objective function more tightly than optimal or non-optimal conventional static structural fabrics. In here the objective function is based on an environmental factor, the amount of illumination. (Ideally this experiment should be done with each of the above environmental factors, but those are omitted because of limited time and space) As in all control theory, the system's stability is measured as the difference between the desired value and the measured (sensor) value. The more stable system has a smaller difference over a predetermined period of time. (In this experiment one day was used). This proposed architectural system will test whether it is able to fulfil the chosen environmental requirements over the period of one day. This result will lead to determining the sustainability of the structure with regards to its functional flexibility as well as its energy consumption over the lifespan of the building.

この論文の目的は、最適または、最適ではない様式化された静的な構造の建物よりももっとしっかりと目的関数に従っている建築物(物理的な構造とシステム)をデザインし、テストすることである。ここでの目的関数は、環境要因、つまり照明の量に基づいている。 (理想的には、この実験は上記の環境要因のそれぞれで行われるべきでだが、時間とスペースが限られているため、それらは省略されている)すべての制御理論において、そのシステムの安定性は、目標値と計測値間の差として測定される。より安定したシステムは,所定の期間との差異は少ない。(この実験で使われたのは1日である。)この提案された建築システムは、一日を通して、選択された環境的条件を満たすことができるかどうかをテストする。これは、その建物の寿命を超えたエネルギーの消耗と同様に、機能の柔軟性における構造の持続的可能性を決定づける結果をもたらす。

1-5. Thesis Overview

In chapter 2, several seminal literatures are reviewed in the context of proceeding among architectural theories and computational theories especially control theory, and other emergent fields on temporal design methods while addressing their limitations. The temporal design methods presented by the likes of Metabolists and Cedric Price offered alternative approaches to the static forms of architecture, where predominant discussions were inclined to address adaptability solely in the phase of planning as a representation of frozen time. When materialized, the resultant static architecture had already lost most of its flexibility and sustainability. The current computational design methods, including parametricism, also typify these issues. Yet true adaptability in architecture necessitates both dynamic hardware and software with the potential for continually renewable forms capable of all possible variations for the changing demands and conditions, without having to resort to the one supposedly optimal solution.

In chapter 3, hypothesis and following research questions are introduced. then, Programmable Architecture (PA) introduces a new strategy for robotic architecture as an intelligent system, consisting of both autonomous and subservient schemes that maintain a constant homeostasis within its contained environment. Transmissions between genetic algorithms (GA) and user input prompt this hybrid system to output the consequent, ever-changing physical form. The contained environmental conditions are maintained more effectively than the previous models where GA and user input operate disparately.

In chapter 4, a concrete research approach and physical design will be introduced. The hardware for PA is an accumulation of self-sufficient machines that is dedicated to the actions of sensing-calculating-actuating. Each local machine makes its own simple decisions, which collectively turns into a larger problem-solving machine, or architectural robot, that simultaneously takes central orders into account. This robot manifests itself as a self-supporting skin structure, in which numerous machines are embedded. As a case study for this thesis, the machine that is organized with tensegritic components of variable forms is proposed. A model of this machine is built at one-to-one scale and tested via the electrically controlled and wirelessly connected microcomputer chip called Arduino.

1-5.論文の大要

第2章では、建築理論と計算理論、特に、制御理論の進行状況、そして、その他の制限を指定している時間軸をもつデザイン方法論における新興の分野の状況の面で,将来性のある文献を再考察している。メタボリストやセドリックプライス等に提示された時間軸をもつデザイン方法論は、建築の静的な形態の代わりとなるアプローチを提案し、そこでは、フローズンタイムの表現として計画する段階で、顕著な議論が適応性を単独で指示する傾向がある。実現されるとき、結果として静的建築は、すでに柔軟性と持続性をほとんど失っている。パラメトリックな設計手法を用いた方法論も含め、現在の計算的設計方法論もまた、これらの問題の典型的なものである。しかし、本当の建築上の適応性は、ひとつの推定される解決に頼ることなく、要求や状況を変更するすべてのバリエーションを可能にできる継続的に再生可能な形態の潜在性をもつ動的なハードウェアとソフトウェアの両方を必要とする。


第3章では、仮説と続くの調査の疑問点を紹介している。そして、PAは知的システムとしてのロボティック アーキテクチャーの新しい戦略を紹介している。それは、自主的、従属的なスキームの両方から構成され、抑圧した環境の中で一定の恒常性を維持する。GAとユーザーのインプット間の通信は、必然的な、変わり続ける物理的形態をアウトプットするために、このハイブリッドシステムを迅速にする。その抑制した環境的状況は、GAとユーザーのインプットが別々に作用する以前のモデルよりも、より効果的に維持される。


第4章では、具体的な調査のアプローチと物理的デザインを紹介する。PAのためのハードウェアは自己充足的な蓄積型の機械で、それは感知する-計算する-作動するという作業に貢献する。それぞれの局地的な機械は、それ自身で簡単な決断をし、それが合体し、より大きな問題解決できる機械、または建築ロボットへと変化し、同時に主要な命令を計算に入れるのである。このロボットは、自立型の肌の構造として、それ自身が証明となり、その中には、多数の機械が組み込まれている。この論文のケーススタディとして、その機械は様々な形態のテンセグリティな組み立てから構成されていることが提案されている。この機械のモデルは、1対1のスケールで作られ、電気制御を経由してテストされる。そして、アルディーノと呼ばれるマイクロコンピューターチップにワイヤレスで繋がる。

In chapter 5, data and analytical methods will be discussed. Referencing several previous experiments done by author, the meaning of experiments in following chapters are explained. Based on the illumination which functionally required, fluctuating objective function are set. The difference between measured value and desired value are compared and discuss how can it be minimized. Also GA will be explained, its procedure and feature including positive point and negative points.

In chapter 6, first experiment which done by pure GA with grasshopper is shown. Several cause, why GA does not work effectively, are assumed and tested in different settings, though results are unsavory. Hence this failure will highlighting typical GA's shortcomings: protracted calculation time, adaptability for fluctuating objective functions, which represents the ideal condition at any given time, and the ability for ad hoc responses when the system experiences usage overload or environmental irregularities.

In chapter 7, reflecting previous chapter, hybrid system consists of automated GA and manual user inputs are examined. The software for PA consists of operation system and control system. The latter subsists on a combination of automatic responses and user manipulations for faster and higher degree of adaptations. Utilizing the versatility of GA, this model applies multiple user input to partially substitute its purely random mutations, thus resolving GA’s shortcomings. Incorporating the anonymous user input, the system can respond rationally to actual conditions unanticipated by GA. Therefore user input simultaneously controls the system locally to reflect individual preferences and contribute to the global optimization and increased efficiency for the system as a whole.

In chapter 8, discussion and conclusion are described. Through the example of proposed hardware and software, this research provides a case of defining system performance measurements using original indicators, which aids in evaluating the ability of the system to react to environmental changes. The outcomes of this proposed hybrid system will be compared with a computationally static model, as in a case of parametrically optimized form, in addition to testing different arrangements, i.e. varying ratios of user input versus random mutations, within the dynamic model.

第5章では、データと分析方法について述べる。いくつかの過去の筆者が行った実験について、以下の章では実験の意味を説明する。機能的に必要とされる照明をもとに、目的関数の変動を設定する。測定値と目的値との差を比較し、その差を最小化する方法を議論する。また、GAについても説明し、その手順とポジティブ、ネガティブな点を含めた特徴を説明する。

第6章では、純粋なGAを用いてグラスポッパーを用いた最初の実験を紹介している。GAが効果的に動作しない原因をいくつか想定し、様々な設定でテストしたが、結果は芳しくなかった。その結果、計算時間の長さ、常に理想的な状態を表す目的関数の変動への適応性、システムの過負荷や環境の異常時のアドホックな対応など、典型的なGAの欠点が浮き彫りにされた。

第7章では、前章を反映して、自動GAと手動ユーザ入力のハイブリッドシステムを検討した。PA用のソフトウェアは、操作系と制御系からなる。後者は、自動応答とユーザ操作の組み合わせで構成されており、より高速で高度な適応が可能である。このモデルでは、GAの汎用性を利用して、複数のユーザ入力を適用し、純粋にランダムな突然変異を部分的に代替することで、GAの欠点を解消している。また、匿名のユーザ入力を組み込むことで、GAでは予測できなかった実際の状況にも合理的に対応することができる。そのため、ユーザ入力は同時にシステムを局所的に制御して個人の好みを反映させ、システム全体の大域的な最適化と効率の向上に貢献する。

第8章では、議論と結論を述べる。提案されたハードウェアとソフトウェアの例を通じて、この研究が、独自指標を用いて、システム性能測定値を定義づける事例を提供し、環境の変化に反応するシステムの能力を評価するのに役立つ。この提供されたこのハイブリッドシステムの結果は、動的モデル内で異なる配置、すなわちユーザ入力とランダム突然変異の比率を変化させることをテストすることに加えて、パラメトリックに最適化された形態の場合のように、計算的に静的なモデルと比較される。