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 the 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 regarded as 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 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 to the 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点で貢献する。

－サイバネティック・アーキテクチャー、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

－応答可能なルーフ構造の物理的デモンストレーションを通した、科学的テスト

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 its 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 mechanisms 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. Its 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うる。

‘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 programmable 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 controllable 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。

     However 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 1960s, Mr A.Isozaki, who is a Japanese architect, was already aware of this issue which placed him in a critical position with respect to the Japanese Metabolist Movement (see Section 2-2). The problem is: that 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 makes and modifies their buildings without planning) The Metabolists (Isozaki, 1963.) tried to avoid those specialists’ subjective design methods by 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.研究分野の背景

1-3-1. From the Field of Architecture

In recent years, the keyword '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’.

1-3-1.建築分野から

　今日的な建築デザインの分野において、近年「アダプタビリティー≒適応性」というキーワードは、よく使われている。例えば、建築のデザイン方法論に関する文献で「アダプティブエコロジーズ≒適応適生態」（セオドア　2013）と、コンピュータープログラミングに関する文献で「アンコンベンショナル・コンピューティング：デザインメソッド・フォー・アダプティブアーキテクチャー≒型破りなコンピューティング：適応的アーキテクチャーの設計方法」（アームストロング）などが相次いで出版された。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学会の一つであるACADIA（建築におけるコンピューターエイデッドデザイン学会、北米）でも、2013年の学会カンファレンスのタイトルは「適応的建築」であった。

     There are many approaches to making architecture (both buildings and systems) adaptive and sustainable. (Fig1-3,1) The 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 the better thing in this context without description. It is problematic to speak of high ‘adaptability’ without a description of the nature and benefits of adaptability. This leads to the question - why is adaptability needed in the design process. Making this logic clear is a critical aspect of design research. 

　アーキテクチャ（建物とシステムの両方）を適応的・持続可能にするためには、実に多くの多くのアプローチがある。

（図1-3,1）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ように、たいていの「動的」建築は、数学、物理、および計算機、或いは実験などの科学に基づくツールを使用している。ただし、建築設計において「適応性」というキーワードを検討する際には、何のための適応性なのかを議論することが重要である。またこのながれで、より良いもののために高い「適応性」が必要だという論理が説明なしに用いられる、「適応」の性質と利点が何であるかの定義なしに、高い低い係わらずそれ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」という問いにつながり、この論理を明確にすることは、設計・デザイン研究の重要な側面である。 

     In this research, it was necessary to narrow the approach to certain aspects of the design. In this thesis, environmental adaptability is the centre of discussion. The aim is for architecture with higher environmental adaptability, and to develop an architectural design methodology that will address the shape, systems, and devices that constitute the building. In addressing adaptability a morphological method is taken though there are thousands of methodologies that could result in an adaptable architecture. The idea of shape-adaptive architecture, which consists of dynamic components, has been gaining 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., Weinstock, M., 2010). After a decade its popularity has also been enhanced with contributions from the theoretical side. (Hensel, M. and Menges A., 2007)

　この研究では、設計（デザイン）行為の特定部分に限定してアプローチする必要がある。そこでこの論文ではビルドエンバイロンメント（主に建築環境工学）への適応性をケーススタディーとして議論の中心とすることと設定する。そこでの目的は、構築物がそれを包含する環境に対してより高い適応性をもつことであり、そのような建築デザインの方法論を確立することである。ここではとくに以下三点；形、システム、建物を構成するデバイスに関する設計方法に集中し議論する。適応可能な建築のための方法は沢山あるが、ここでは適応性を発揮するために形態学的な方法が採用された。例えば、動的コンポーネントで構成される形状・適応型建築のアイデアが建築デザインの界隈で人気を集めている（シューマッハー、2010）。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のながれにある。また、AAスクールのエマージェント・テクノロジー・アンド・デザイン・プログラム（ヘンセル、メンゲス、ウェインストック、2010）などのアカデミズムに代表されるように近年のコンピューテーショナルなアプローチの発展によって、現代的に再解釈された。 10年後、その流れは理論的な側面からますます強化されることとなった。（マイケルヘンセル、アキムメンゲス、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 1980s in contrast to 'Classical Control Theory' and 'Modern Control Theory’.

1-3-2.制御工学分野から

　サイバネティクスに端緒を発した「制御工学」分野は、さまざまなシステムにおいて安定した動作を求める領域横断的な分野である。「制御理論」は、特に数学的な観点から動的システムを扱う仕組みで、「モデル表現方法」、「解析手法」、「制御系設計手法」と呼ばれるの3つ領域で構成されている。最近では、制御工学の手法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、先の理論群とは対照的に、「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。

     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 a 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 in 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.

     Around World War 2, mechanical applications of control devices became mainstream being used in flight control, fire control, guidance systems, sidewinder missiles, ship stabilizers, and even 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. 

　制御理論の簡単な歴史をここで説明する。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「開回路制御」システムである。

　対して、「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、彼のペーパー「オン・ガバナーズ」（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。このようにして、制御理論の中でも数学的モデルの重要性が認識され、完全な方法ではないにしても、数学的システム理論が始まった。

　第二次世界大戦中、制御装置の機械的用途は、飛行制御、射撃制御、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下では宇宙開発に移行していった。確率的、ロバストネス、適応的で最適な方法群の進歩によって、この理論は著しく進歩した。

     Referred to as 'Classical Control Theory', it was formally organized in the 1950s representing the dominance of the closed-loop system 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.

　こうして、「古典制御論」と呼ばれる理論群は1950年代にかたちをなした。そこでは開ループシステムに対する閉回路システムの優位性を特徴とした。ここでは、1）時間領域では微分方程式が使用され、2）複素数-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、単一入力と単一出力（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偏差は、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。

     '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 a 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 1960s, optimized output feedback was popular in research. In the 1970s, systems with a combination of sensors and optimized regulators became the centre of academia. It resulted in a variety of regulators. 

　「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表現される。周波数領域アプローチとは異なり、状態空間表現を使用すれば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。このようにして、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の研究が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 is chosen. 

　次に「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が近年発展中である。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は極を直接配置することで実現でき、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。それぞれの仕様へ対応する能力は、検討するモデルと選択した制御戦略によって異なる。

     '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. 

　最後に、「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。これらの方法は、コンピュータの進歩だけでなく、アルゴリズムソフトウェアの発展によって普及してきた。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 compose the human lifestyle. Physical architecture interferes with environmental elements such as light (illumination), sound (volume and frequency), air (direction, speed and heat) etc. The programmable architecture will control those elements by changing their physical form. By changing form, this architecture will make different types of layered spaces. In this proposal, the space is underneath a canopy.

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）によってなる構築物が、その包含する内部環境を（この論では建築工学的環境的に）制御し、空間を再構成することが可能かを論証することである。このデザインされた空間はエフェメラル（儚い・一過性のもの）であるが、使用者のアクティビティを誘発し、そのふるまいを構成することが出来る。物理的構築物は、光（照度）、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ことで制御を試みる。ここでＰＡは、その物理的形態を変形させることにより、それらの要素をコントロールする。すなわち、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（※後に説明）を形成する。この建築提案では内包する空間はキャノピーの下に位置する。

     This approach to affordance is based on the hypothesis that environmental conditions can induce people to take specific actions. 

     For example, is ‘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.

　このアフォーダンスへのアプローチでは、建築環境によって構成されている状況が、そこに存する人間の特定行動を誘導するという仮説（※後に説明）に基づいている。

　例えとして「図書館で読書をすること」を考えてみる。この行為を誘発するような空間を再構築するのはどうすれば可能だろうか？人間の行動は予測できない側面があるにせよ、想定された行動を満足し、促す状況を用意することは可能であるだろう。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、視野のために暗すぎない、静かである、風はないか、あってもきわめて穏やかである、極端な気温などは避ける必要がある、等である。

     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 the architecture (building) is planned, drawn and built based on this principle. However, in this proposal, the functions are ephemeral, even 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.

　このようにこのアーキテクチャ（建物とシステムの混成体）は、ユーザーである人間の行動を促すであろう。この議論をサポートするために、新しいパラダイムの空間再構成の方針が定義される必要がある。特定の機能をもつ空間を計画よりも、PAは日々の生活や仕事の多能的機能を満たすことのできるしくみとしてデザインされた。どんな建築（建物）でも機能は持っている；この文脈での機能とは空間の使い方である。今日の建築設計（デザイン）では、伝統的に大抵の建築（建物）は、計画され、設計され、そしてこの根本方針をベースに建てられる。しかしこのプロポーサルでは、室・建築機能は一過性であり、それさえも建てられた後には、公共広場で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。この行動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、これは決まり切った行動をとるユーザーにとっては不便な場合があるかもしれない。そこで、提案されるPAシステムでは、ユーザーは洗練された方法でその行動に適切な環境空間を造り上げることができるように、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 of physical structure and system) which can follow an objective function more tightly than optimal or non-optimal conventional static structural fabrics. 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 theories, 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. 

　この論文の目標地点は、形状最適化された静的なキャノピー構造物よりも、変動する目的関数によりぴたりと追従する動的なシステムをもつキャノピー構造物（物理的構造物とシステムの両方）を設計/デザインし、その性能をテストすることである。ここでの目的関数は環境要因、特に照度に基づいている。 （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、それらは省略した）すべての制御理論において、そのシステムの安定性（※正しい用語ではないが直訳）は、目標値と計測値（センサー値）の差として測定される。より安定したシステムは、ある期間内で差を小さくする力が強い。（この実験で、使用された期間は便宜的に1日の設定である。）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。この結果は、建築的機能の柔軟性によってもたらされるもの、構造物のライフスパンに渡るエネルギーの消費量の両方によって、将来にわたってのこの構造物のサスティナビリティーの延長につながるであろう。 

1-5. Thesis Overview

In chapter 2, several seminal literatures is 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.

1－５．論文の大要

　第２章では、建築理論、および制御理論を中心とする電子計算機理論、またその他の新興の科学分野や、テンポラルデザイン理論などの影響力の強い文献を、それらの限界と共に再考察している。メタボリストやセドリックプライス等によって提案された時間軸をもつデザイン方法論は、静的な形態を持つ建築物の代わりとなるアプローチを提案する。そこでは、「計画」というものが静的な時間を前提として行われ、適応性を失いやすいという議論が展開される。すなわち物質化されるとき（建築であれば建設される際）に、結果としての静的構造物は、もともと持っていたはずの柔軟性と持続性をほとんど失っている。パラメトリシズムを含め、現在のコンピューテーショナルな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、真に適応的な建築は、継続的に更新可能で、変化する必要条件に動的に対応できる、ハードウェアとソフトウェアの両方を必要とする。そしてそれは、事前に最適化されたひとつの解に頼る方法ではない。

     In chapter 3, the 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 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 in the previous models where GA and user input operate disparately.

　第3章では、仮説とそれに続くリサーチクエッションを紹介する。その後に、あたらしいストラテジーとしてPAは、知的システムとしてのロボティック・アーキテクチャーを紹介する。その戦略的システムとは、自主的・従属的な２スキームから構成される知的制御システムで、建築物が包含する環境空間の恒常性を維持する。変化し続ける物理的形態をアウトプットするために、アルゴリズム（GA）と人間のインプット間のハイブリッドなやり取りがこのシステムの反応をより迅速にする。その建築物の空間の環境的状況は、アルゴリズム（GA）と使用者の入力が別々に作用する以前のモデルよりも、より効果的に均質に維持されうる。 

     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 are dedicated to the actions of sensing-calculating-actuating. Each local machine makes its own simple decisions, which collectively turn 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 tensegrity components of variable forms is proposed. A model of this machine is built at a one-to-one scale and tested via the electrically controlled and wirelessly connected microcomputer chip called Arduino. 

　第４章では、具体的に数理的問題へのアプローチ方法と、物理的デザインの双方を紹介する。PAを実現するためのハードウェアは、システム的に自己完結的なロボティックな部分（コンポ－ネント）の集積によって構成されている。前述の「システム的に完結している」とは具体的に感知する－計算する－作動するという、最低限の制御機能を自ら持ち合わせていることである。それぞれの部分（≒ローカルマシン≒コンポネント）は、まず自身で簡単な決断と動作ができることに加え、それが集合してより大きな問題解決のできる仕組みを構成する、これを建築ロボットと呼んでもいいかもしれない。このしくみは個別動作とは別に、中央の命令を勘定に入れることもできる。このロボットは、無数の機械が組み込まれている、自立型のビルディングエンベロープ構造として現れる。この論文のケーススタディとして、このエンベロープはテンセグリティ構造からなる多数のコンポーネントで組織されている。1対１のスケールで作られタコの建築物のモックアップは、アデュイーノと呼ばれるマイクロコントローラで電気制御され、その性能を測られる。 

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

　第5章では、データと分析方法について検討される。以下の章では、筆者の行った実験群について、その意義と方法について説明する。建築機能的に必要とされる照度をもとに、動的に変動する目的関数を設定する。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、採用されたアルゴリズム（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。 

     In chapter 6, the first experiment done by pure GA with grasshopper is shown. Causes, of why GA does not work effectively, are assumed and tested in different settings, though the results are unsavoury. Hence this failure will be 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. 

　第6章では、実験１；グラスホッパーによる、デフォルトのGAによる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、それを改善するように設定を変えながらテストしたが、結果は芳しくなかった。その結果、典型的なGAの欠点が浮きぼりになった。計算時間が長引くこと（すぐに結果が出ない）、変動する目的関数へ適応性（本来建築の用途でも目的関数は時間によって変動する）、システム過負荷や、突発的環境変位などの異常時へアドホックな対応がうまくできないなどである。 

     In chapter 7, reflecting the previous chapter, a hybrid system consisting of automated GA and manual user inputs is examined. The software for PA consists of operating systems and control systems. The latter subsists on a combination of automatic responses and user manipulations for a faster and higher degree of adaptation. 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. 

　第7章では前章を反映して、アルゴリズム（GA）による自動制御と、ユーザによる手動入力のハイブリッドシステムを評価した。PA用のソフトウェアは、基本システムと制御システムとからなる。後者は、より高速で高度な適応性を発揮するために、自動応答とユーザ操作の組み合わせで構成されている。このモデルではGAの欠点を補うために、純粋にランダムな突然変異の代わりに、多少でも意味のあるユーザ入力に代替した。また、匿名ユーザの実際の要望を組み込むことで、あらかじめ想定されたアルゴリズムのみ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。こうしてユーザ入力は、個人の好みを反映するためにシステムを局所的に制御し、同時に、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。 

     In chapter 8, the 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 the 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８章では、論の全体を通しての議論と、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、この研究では独自指標を用いて、システム性能測定値を定義づけた。この指標は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。この提案されているハイブリッド制御システムの結果は、まず、パラメトリカルな手法で最適化された静的なモデルと比較される。加えて、いくつもあるシステムのさじ加減も変更しながら動的モデルの応答をみる、例えばユーザーインプットと純粋にランダムなゲノムの比などである。