1. Introdução

Pesquisas de investigação contemporâneas em biologia evolutiva e do desenvolvimento (BROUGHTON; COATES; JACKSON, 1999) revelaram dados intrincados no tocante a questões de eficiência, adaptação e robustez, bem como os fenômenos de redundância e diferenciação (HENSEL; MENGES, 2006) através do qual os sistemas vivos naturais adquirem performance competitiva. Compreender os princípios naturais de crescimento, auto-organização e adaptação em configurações de contextos variados e a aplicação desse conhecimento extrapolado para os meios digitais através da construção de um contexto dirigido por sistemas espaciais performativos (ROSENMAN, 2000) tornou-se, assim, um campo intensamente pesquisado.

A Morfogenômica, um dos vários campos de pesquisa exploratória - tais como Bio-mimética, algoritmos evolucionários (COELLO COELLO; VAN VELDHUIZEN; LAMONT, 2002) etc. - trata em específico da compreensão das complexidades da informática morfológica. Ela está intimamente ligada com o termo Morfogênese (a partir do grego morphe - forma e gênese - criação), que lida com o estudo do desenvolvimento da forma durante seus primeiros estágios celulares em biologia do desenvolvimento. Morfogenômica, no entanto, concentra-se no componente de informática por trás do surgimento de morfologias diversas. Esse constituinte informático envolve especificamente o estudo da estrutura, comportamento e interações dos sistemas naturais e artificiais que armazenam, processam e trocam informação. Este processo de comunicação em tempo real e intensivo de informação, portanto, serve como um meio dinâmico para o mapeamento do genoma morfológico para o espaço arquitetônico e de estrutura.

Ferramentas e metodologias no domínio computacional relativos à simulação da compreensão extrapolada de tais processos naturais têm sido extremamente eficientes na formação da espinha dorsal para a nossa compreensão de tais fenômenos dinâmicos. Hyperbody, TU Delft, por iniciativa própria de entender o comportamento da informática orientada pelos sistemas naturais, tem experimentado técnicas computacionais como a interação multi-agente em tempo real (OOSTERHUIS, 2006), sistemas de detecção e atuação, geometria generativa e simulações de multidão, ao longo dos últimos seis anos. Os sistemas de Pele Performativa e a Rede Distribuída na Cidade, são algumas das pesquisas de destaque e empreendimentos de design realizado pelo Hyperbody voltados especificamente sobre associações multi-escalares entre os dados contextuais e a forma construída. Modelos de dados associativos, nos quais todos têm uma existência discreta como uma entidade independente, e as relações entre eles como associações, são, portanto, utilizados como uma metodologia computacional ao longo destes dois casos de pesquisa para o desenvolvimento de associações paramétricas entre os sistemas arquitetônicos propostos e seu comportamento adaptativo.

As seções a seguir elaboradas em dois experimentos de pesquisa e design, que incidem sobre o uso de geometrias associativa e paramétrica, o desenvolvimento de sistemas generativos auto-organizados, bem como de sensores embutidos e mecanismos de atuação, que permitem a adaptação espacial em tempo real.

2. Estudo de caso a: sistemas de Pele Performativa

A pesquisa Pele Performativa depende fortemente de princípios da natureza para atender às questões do desenvolvimento evolutivo como uma inspiração para o desenvolvimento de uma forma sustentável de projetar e construir em um futuro próximo. Uma variedade de iteração e diferenciação baseados em processos operacionais em sistemas naturais tendem a desenvolver formações auto-organizadas altamente adaptativas (JOHNSON, 2001). Estas formações além de apresentar características altamente performativas sobre critérios estruturais ambientais e metabólicos, também provocam igualmente interesse, quando as entendemos no contexto de topologias polimórficas. Um processo adaptativo em tempo real de evolução no tempo, correspondente ao regulamento interno de genética e fatores ambientais externos na natureza, portanto, serviu de inspiração fundamental para esta pesquisa. A mudança de pensamento pertencente a uma formação de projeto sistêmico de pele componencial, que pode se adaptar e evoluir em relação com suas configurações contextuais via troca de informação ubíqua, em oposição ao desenvolvimento de sistemas de fachada não-sensíveis, é, assim, iniciado por meio de quatro projetos de pesquisa no âmbito da agenda de pesquisa do sistema de Pele Performativa.

A adaptação, um tema vital para a pesquisa de Pele, também forma um processo crítico no campo da Biologia Evolutiva, que trata especificamente da origem das espécies a partir de um descendente comum e descendência das espécies, bem como a sua mudança, multiplicação e diversidade ao longo do tempo. Adaptação como um processo pode ser definida como a mudança nos organismos vivos que lhes permitem viver com sucesso em um ambiente. Ela permite que os organismos vivos lidem com estresses ambientais e pressões. Adaptações podem ser estruturais, comportamentais ou fisiológicas:

• - adaptações estruturais são partes especiais do corpo de um organismo que o ajudam a sobreviver em seu habitat natural (por exemplo, cor da pele, forma, cobertura do corpo);

• - adaptações comportamentais são maneiras especiais de um organismo em particular se comportar para sobreviver em seu habitat natural (por exemplo, fototropismo);

• - adaptações fisiológicas são sistemas presentes em um organismo que lhe permitem executar determinadas reações bioquímicas (por exemplo, produzir veneno, secreções e homeostase).

Estas três características, a saber, de adaptação estrutural, comportamental e fisiológica, no domínio arquitetônico, formularam o ponto crucial para o desenvolvimento de baixo para cima de sistemas de Pele Performativa. O início foi uma abordagem baseada em componentes, semelhante às células em sistemas naturais. Os componentes podem ser vistos como entidades inteligentes construídas, dotados de capacidades de adaptações estruturais, comportamentais e fisiológicas. No caso de componentes da construção, de acordo com a ordem impulsionada pelo desempenho (por componente) os já mencionado três aspectos de adaptação são vistos como se segue:

• - adaptações estruturais são vistas como um subproduto da interdependência entre o material, a geometria e a fabricação baseadas em pertinência formal para a produção de variações estruturalmente estáveis dos componentes (por exemplo, criar variações morfológicas do mesmo componente em termos de tamanho, forma);

• - adaptações comportamentais estão intimamente associadas com o domínio de interação responsiva que o componente deve herdar para ter sucesso em sobreviver e se comunicar com seu contexto de maneira ativa e pró-ativa (por exemplo, habilidades cinéticas, capacidade de troca de informações, habilidades ambientais, habilidades sensoriais);

• - adaptações fisiológicas no caso de componentes de construção estão diretamente ligadas com a maneira em que o componente pode lidar com questões de auto-sustentação (por exemplo, conservação de energia, habilidades de conservação e dispensação, geração de energia, e habilidades de distribuição e circulação).

Quatro experimentos distintos de pesquisa: A Stomata Membrane, o Hyper Human Heart, a Habitual Inversion e o H(eye)light, cada um construído sobre os princípios acima mencionados alimentando a adaptação dos dados contextuais relativos ao vento, água, luz e interação interior foram, assim, iniciados (BILORIA; SUMINI, 2009). Neste trabalho de pesquisa, irei elaborar sobre um dos quatro experimentos: A Stomata Membrane, a partir da perspectiva de adaptação descrita acima. O projeto de pesquisa tomou forma, fazendo uso da seguinte processo interativo.

2.1. Adaptação estrutural: a partir de máquinas abstratas para a lógica computacional

A fim de compreender a interdependência entre as propriedades do material e sua conotação computacional no que diz respeito ao grau de adaptação física que um componente escolhido pode passar, foram iniciadas primeiramente experimentações a partir da contraparte analógica. A criação de planos de corpo-genético topológicos, que poderão dar origem a uma variedade de morfologias incorporando diferentes estruturas do sistema métrico, tornou-se assim a meta para decifrar a logística computacional por trás do experimento da pesquisa em design. Um sistema analógico componencial foi, portanto, desenvolvido com base em ligações topológicas e morfológicas visando estabele cer inter-dependência entre o material, a geometria e a fabricação baseadas em pertinência formal para a produção de variações dos componentes estruturalmente estáveis. Neste caso, um sistema de pele com camada dupla (Figura 1) foi desenvolvido, o que poderia ser fisicamente adaptado por meio do deslizamento de cada componente sobre o outro, a fim de registrar as mudanças na profundidade (entre as duas camadas da pele), a variação da curvatura geral, flexibilidade mínima e máxima por componente, quantidade de luz solar/sombreamento, etc. Esses princípios básicos de adaptação estrutural, extraídos do sistema de componentes análogo, serviu como um modelo para adaptações físico-cinética, instrumental para a criação de um mecanismo de resposta a fatores ambientais (vento, luz , som), bem como as interações internas com o usuário .

Os valores de notação em termos de relações de alterações topológicas em uma dimensão X, por exemplo, e sua resultante afetam outras dimensões, por exemplo, Y e Z (na forma de correr, dobrar, pinçar, alongar, girar), são usados para a criação de um sistema de regras paramétricas para mapear o máximo e o mínimo de adaptações estruturalmente viáveis por componente.

2.2. Adaptação comportamental: mapeamento de informação para o desenvolvimento de associações contextuais

Depois de desenvolver uma base para adaptações estruturais via máquinas abstratas análogas como base para inter-relações materiais, topológicas e estruturais, foram desenvolvidos mapas com informação detalhadas descrevendo as relações associativas entre os múltiplos parâmetros . Parâmetros relativos aos dados ambientais, tais como chuvas, direção do sol, ângulo solar, umidade, direção e velocidade do vento, etc., foram derivadas de bancos de dados de clima, bem como em simulações baseadas no Ecotect, desenvolvidas dentro do grupo Hyperbody. Os diagramas de informação foram uma primeira iteração elaborada sobre ligações dinâmicas associativas entre parâmetros ambientais e as peças de um componente (camadas), sua transformação topológica, seus atributos e suas funções (Figura 2). A representação esquemática de como a morfologia de um componente pode variar ao longo do tempo em relação com os seus dados contextuais, bem como representações gráficas dos cenários de interação resultante de uma população desses componentes são, portanto, elaboradas nesta fase.

A segunda iteração da modelagem de informações se preocupa com o mapeamento de dados ambientais relativos a localizações geográficas específicas. Este processo permite que qualquer condição de dada superfície seja analisada e mapeada para um padrão que defina as zonas de captação mais favoráveis para o vento, a luz do sol, e a água e, portanto, sugerem um substrato adequado para preencher a adaptação estrutural de componentes dirigidos (Figura 3). Um sistema paralelo de mapeamento de informações leva em consideração a natureza do programa funcional sob a pele com base no diferencial ambiental, bem como cenários do tempo de ocupação com base no programa, para desenvolver um gradiente a partir de um padrão de colocação de azulejos na fachada. Este gradiente e sua intensidade variando em diferentes escalas de tempo fornecem um quadro sugestivo de seleção estrutural (escala, tamanho, padrão de abertura), bem como os princípios de adaptação comportamental (adaptação cinética no tempo) (Figura 4), em combinação com o tipo de melhor componente adequado para a superfície sob especulação (vento, água, princípios do ar).

2.3. Design digital e rotinas de script

Design digital e rotinas de script trabalham como uma membrana intermediária para tecer adaptações estruturais e comportamentais em um sistema abrangente de trabalho. Notações estruturais registradas através de modelos de componentes análogos, acoplados juntamente com padrões de componentes diferenciais e adaptações comportamentais cinéticas são, portanto, assimiladas em um modelo digital tridimensional associativo.

Foram desenvolvidas rotinas de script para o estabelecimento de relações paramétricas (derivadas do processo de mapeamento de informações) entre cada parte constituída por componente, usando Grasshopper (um plug-in para o Rhinoceros), bem como a utilização de Virtools (um software de projeto para jogos) e Generative Components. A definição da relação paramétrica também lidou com a geração de um sistema estrutural integral (Figura 5), que, com base na natureza de adaptação estrutural individual, bem como a variação de curvatura da superfície (como um recurso de design de cima para baixo), gerou uma armação de espaço para hospedagem de componentes baseados no vento, na água e no sol. A armação do espaço, concebido como uma estrutura de ossos ocos em aço, com acionadores telescópicos integrados, foi gerada de baixo para cima para ser modular na natureza, a fim de facilitar a inserção de componentes mecânicos otimizados, de acordo com os resultados de mapeamento de informações.

Um processo que envolve divisão, estabelecendo pontos, acrescentando curvas, acrescentando vetores, e adicionando superfícies constituíram a lógica do script. Esta rotina de script trabalhou como uma sequência de loop engolindo a sequência de mapeamento de informações como uma rotina inicial, logo que qualquer manipulação 3d para uma condição de superfície é iniciada. Uma variedade de componentes para a regulação de luz, água e geração de energia eólica com base em sua população combinatória são posteriormente desenvolvidos como representações digitais no final desta fase (Figura 6). A adaptação cinética por componente como uma resposta em tempo real para dados contextuais dinâmicos, derivados da fase de adaptação comportamental funcionam, portanto, como um recurso de componente específico dentro deste experimento de pesquisa.

2.4.Adaptação fisiológica através de projeto incorporado de interação e comunicação ubíqua

A fase de geração dos componentes digitais acoplados com performances variadas baseadas em população combinatória digital desses componentes passou por uma iteração envolvendo a incorporação de sensores físicos, acionadores e sistemas de controle dentro dos componentes para atualizar fisicamente a proposta de conceitos de interação comportamental. Além do desenvolvimento de dados de informações elaboradas em sequências de fluxo para o sistema de pele, adaptações cinéticas por componente voltado para armazenar, transportar ou regular fatores ambientais (sol, vento e chuva) foram cuidadosamente coreografadas utilizando micro-controladores programados usando MaxMSP e Jitter.

A Stomata Membrane serviu como uma experiência excelente para o desenvolvimento de um sistema de pele performativa auto-sustentável. O vento, a água e os componentes baseados na luz (mostrados na Figura 6) desenvolvem protocolos de comunicação ubíqua através de uma estratégia de troca de informações cuidadosamente pensada: a geração de componentes com base em energia eólica do sistema de pele da Stomata Membrane hospeda um mecanismo giratório, que além de ser estrategicamente posicionado, de acordo com variações de curvatura da superfície (a fim de obter vantagem da pressão do vento) hospeda um detector de umidade óptico (sensor de umidade) e um sensor de luz. A energia resultante do movimento de rotação causada pelo fluxo atual de vento é colhida para unidades da bateria central de energia. Esta energia é distribuída posteriormente dentro de todo o sistema de pele para alimentar os motores e atuadores lineares em todos os outros componentes. O sensor de luz, na forma de uma matriz de fotos, um CCD ou um CMOS determina um valor correspondente às condições de luz ambiente e compara esse valor com um nível de conforto pré-determinado com base em um valor de luz por programa. O valor comparativo é comunicado aos micro controladores incorporados por um componente de controle de luz, (feito de painéis de vidro duplo laminado conectados com acionadores telescópicos) em toda a pele, iniciando assim adaptações cinéticas para controlar a abertura dos diafragmas (Figura 7).

Os sensores de umidade retransmitem especificamente informações sobre o nível de umidade e da quantidade de água para micro controladores nos componentes de captura da água. Este valor está diretamente relacionado com a quantidade de abertura a ser criada no componente de captura da água (feita de Neoprene poly-chloroprene conectado com acionadores telescópicos) de modo a canalizar a água da chuva e armazená-la em tanques subterrâneos. As águas cinza armazenadas são então utilizadas para descarga em banheiros, para regar plantas e para fins de lavagem. Adaptações cinéticas do componente de captação da água também estão inversamente relacionadas com o nível de água armazenada nos tanques subterrâneos e são, portanto, capaz de priorizar instruções de abertura sendo retransmitida pelos sensores de umidade, quando e como for necessário (Figura 8). Além de transmitir a informação para os componentes de controle de água, as leituras do sensor de umidade também são retransmitidas para os micro controladores dos componentes que controlam a luz. As informações referentes à chuva e ao aumento da umidade, quando recebidos pelos micro controladores, portanto, acionam o fechamento dos painéis de vidro laminado. A Stomata Membrane, por meio de comunicação em tempo real de informações entre seus componentes que a constituem, realiza complexas adaptações fisiológicas, a fim de servir como um sistema espacial totalmente auto-sustentável.

A segunda categoria de experimento, apesar de lidar com a natureza do tempo real de troca de informações, devido à variação de escala e a necessidade de otimização como uma qualidade inerente do sistema, lida com uma abordagem diferente para a formação de design bottom-up. A escala neste caso vai além do componente e engole o urbano e o arquitetônico. Isto implica também uma mudança de interação na natureza dentro do sistema formulado, bem como a natureza da interação colaborativa entre equipes de pesquisa e design.

3. Experimento pesquisa b: a cidade em rede distribuída

Esta seção exemplifica um caso sobre projeto de pesquisa: o desenvolvimento de uma cidade-rede distribuída ao longo da autoestrada A2, em TU Delft na Holanda, no Hyperbody, Faculdade de Arquitetura. Dentro do Hyperbody, 22 estudantes de dez países diferentes, juntamente com pesquisadores do Hyperbody foram organizados em 5 grupos (5 empresas de Design), cada um trabalhando em colaboração com os outros, a fim de produzir morfologias generativas urbanas e arquitetônicas ao longo da estrada A2. As visões das organizações governamentais responsáveis pelo desenvolvimento da A2 foram abstraídas como um conjunto de restrições/regras globais.

A natureza da interação para cada interação coletiva em tempo real exigiu que o Hyperbody desenvolvesse uma série de ferramentas computacionais, tais como: a atualização dinâmica da base de dados com uma visualização correspondente de dados e de manipulação de dados em interface web em tempo real, uma ferramenta coletiva de CAD para espacialidades globais e locais, bem como um layout programático (que opera na lógica de comportamento coletivo), uma L-Systems (LINDENMAYER, 1968) baseada em uma ferramenta de geração de padrão urbano e arquitetônico e ferramentas computacionais para a geração de soluções estruturais performativas para geometrias complexas. A natureza das ferramentas, bem como a complexidade das tarefas no que se refere a multi-otimização de rotinas para geração de padrões performativos 2d e 3d para este experimento foi, portanto, mais complexa na natureza. A escala do projeto exigiu que todo o local A2 fosse dividido em setores iguais por grupo de pesquisa. A análise por setor tornar-se-ia, assim, uma investigação local e qualquer processo de desenvolvimento do projeto por setor só seria aprovado depois de se comparar o seu impacto socioeconômico em todo o local da A2.

3.1. Máquinas abstratas

No caso deste experimento, a natureza da máquina abstrata, em vez de desenvolver procedimentos de notação através de material de propriedade com base em experimentos aplicado, tende intensamente no sentido decorrente da complexidade conceitual via lógica ainda não-escalar impulsionando o pensamento sistêmico. A filosofia Deleuziana da população, intensiva e o pensar topológico foram incorporados durante esta primeira fase de análise e interpretação do local. Planos de corpo-genético topológico, que poderão dar origem a uma variedade de morfologias, incorporando diferentes estruturas métricas tornou-se , assim,uma base lógica para decifrar a logística computacional por equipe de design (Figura 9). Bases conceituais, tais como redes dinâmicas, agregação, fluxo, densidade etc., com uma compreensão do potencial urbano foram concebidas como experimentos físicos com potencial computacional incorporado.

3.2. Programa de distribuição de dados interativos em tempo real

A escala e a natureza dessa experiência, as quais exigiram um cuidadoso equilíbrio entre as demandas das partes interessadas e a pertinência formal contextual por setor levam, assim, ao desenvolvimento de uma ferramenta interativa computacional definida como o banco de dados auto-estrada A2 e a plot table (Figura 10). Esta ferramenta é especialmente construída como uma rede em tempo real baseada na atualização de banco de dados com uma interface gráfica relativa à distribuição do programa para o site inteiro ou em outras palavras para decifrar (provendo as exigências funcionais e de relações de fornecimento) restrições de desenvolvimento ambiental por setor.

Cada equipe de design foi provida com a sua própria interface web (desta base de dados) referente aos seus setores, dentro do qual eles começaram a introduzir valores correspondentes às suas exigências funcionais e imaginadas. Conjuntos de regras globais, as quais se relacionam as relações entre as funcionalidades/atividades exigidas no local (habitação, comércio, indústria, escritório e verde), são características essenciais dentro desta ferramenta de banco de dados A2 e devido à natureza de atualização das ferramentas em tempo real, todos os dados inseridos pelo qualquer grupo tem um impacto direto sobre conjuntos de dados a ser tratados por outros grupos também. O exercício nesta fase para todos os grupos foi, portanto, visualizado como alcançar colaborativamente uma distribuição funcional estável (adequar a oferta e as relações de demanda, indicados por sinais verdes), e, assim, de forma colaborativa estabelecer ambientes de criação específicos por setor. Esses ambientes de criação também podem ser vistos como um esboço específico de relação entre os agentes de programas com base diferencial, cada um encarnando seu próprio comportamento no que se refere às suas relações entre si, bem como as restrições ambientais em que estão inseridos. A diferença entre os dois experimentos relativos a este estágio intermediário de sustentação lógica para relações de programa de uma forma democrática, envolvendo múltiplas equipes de projeto é, assim, aparente. Assim, essa fase intermediária lança as bases para processos de design dirigidos por simulação e, portanto, crucial num processo de geração de padrão urbano iterativo.

3.3. Criando morfologias urbanas usando multi-agente coletivo baseado em aplicações computacionais

Na terceira fase, a intenção orientada do projeto acima mencionada, mutuamente negociada na definição do contexto do ambiente (por setor) é processada mais localmente (por grupo) pela aplicação de técnicas computacionais evolutivas (O’REILLY; HEMBERG, 2007). Nessa fase, definições ambientais interligadas são preenchidas com respeito a suas exigências ambientais (programa de reivindicações ou exigências nos quais os respectivos setores devem ser providos). Uma ferramenta computacional, a saber: a Highway A2 Swarm CAD (Figura 11) foi introduzida para os grupos de projeto nessa fase.

O comportamento coletivo, como uma técnica computacional para simular sistemas naturais influentes, especificamente dinâmicas de movimento (como visto em um bando de pássaros ou um cardume de peixes) foi introduzido por Creg Reynolds (REYNOLDS, 1987). A ferramenta foi desenvolvida nesse raciocínio: SwarmCAD é baseado no comportamento de um grupo de agentes que podem ser capazes de executar tarefas autônomas sem representações detalhadas do ambiente e de outros agentes, muito semelhante à maneira pela qual conjuntos de regras simples de coesão, alinhamento e separação, dentro do sistema Swarm , resultam em um comportamento coletivo complexo. Cada unidade funcional (habitação, comércio, indústria, escritório e verde), nessa fase alcança a dimensão de um agente autônomo, com regras comportamentais programadas, tais como sua afinidade/proximidade com outras funções, a multiplicação baseada em relação relacional por agente, dados volumétricos, etc. Dependente de tais módulos de comportamento, programados, rotinas de interação são automatizadas para alcançar morfologias urbanas significativas e logicamente estruturadas. Padrões urbanos podem, assim, ser vistos como sistemas auto-organizados com seus componentes semelhantes a membros de um comportamento coletivo orgânico, trabalhando constantemente para gerar atividade, usabilidade, padrões de trabalho e territorial (Figura 12).

O referido SwarmCAD baseado em rotinas de auto-organização, forneceu uma saída de duas dimensões no que diz respeito a zonas de estagnação programáticas ideais como um resultado da simulação multi-agente. Em cima dessa camada, porém, uma segunda camada de sequencias de otimização, que abrangiam especificamente os critérios, tais como formações de caminhos otimizados conduzidos por sistemas de ramificação dentro do padrão derivado foram induzidos. Para este fim, foram experimentados o L-Systems combinado com interpretações gráficas com o Turtle. Uma abordagem combinatória de experiências com a geração co-evolutiva de dois L-Systems, respectivamente: um para o projeto da rodovia existente e outro para a cidade residencial, caracterizado por unidades residenciais e comerciais. A interdependência entre os dois L-Systems foi criada para facilitar um crescimento iterativo da cidade residencial em relação às condições de contorno da rodovia gerados com base L-System (Figura 13). A estrutura L-system altamente interdependente e mutuamente interativa , que deu origem a morfologia urbana é assim visualizada.

3.4. Intervenções arquitetônicas dentro da morfologia urbana

Depois de chegar aos padrões morfológicos urbanos, como mediação entre o dual das interações L-System juntamente com os gráficos do Turtle para desenvolver extrapolações 2D e 3D de layouts funcionais, os grupos de design focaram em questões arquitetônicas e estruturais referentes a partes específicas por setor. Espinhas de infraestrutura (nível global), derivados dos procedimentos L-System foram tratados como entidades estruturais entrelaçando e estabilizando os padrões arquitetônicos (nível local) que seriam hospedados dentro deles. As saídas computacionais em nível local, que eram inerentemente baseadas no percentual de área construída e pertinência por setor sobre as regulamentações de altura estabelecidas pelos órgãos governamentais, são posteriormente sujeitas a ajuste fino morfológico e articulação individual, durante o desenvolvimento de uma lógica de infraestrutura conectiva e funcional em todo o site. A linguagem de design e as estratégias de estilização individuais foram, assim, proeminentes nessa fase da iteração do design.

Processos de fabricação assistidos por computador para a modelagem física e em alguns casos, a análise estrutural das morfologias arquitetônicas foram posteriormente realizadas. As saídas arquitetônicas morfogenômicas (Figura 14), em termos de características por setor ou eram CNC moído ou eram litografadas em stereo, por grupo. Os estudantes foram, portanto, não só capazes de comparar as variações morfológicas por setor, mas também foram capazes de compreender a vitalidade da componente informática no que diz respeito aos processos de fábrica baseado em arquivos para fabricação e as vantagens de trabalhar em uma estrutura de design integrado envolvendo várias equipes.

4. Conclusão

Os sistemas de Pele Performativa e as iniciativas de pesquisa Cidade Distribuída provaram ser um exercício crítico na compreensão das implicações de forma colaborativa (geração, representação, comunicação e processamento) de composição do termo informática com a disciplina de design. As diferenças de operações computacionais com base nas variações escalares por experimento eram evidentes. A natureza da máquina abstrata, no caso dos componentes da pele, foi projetada especificamente para obter sequencias de notação, devido às propriedades do material baseado em procedimento de extração de dados digitais, em oposição ao projeto A2 Highway em que o foco principal girava em torno da derivação de uma estratégia global computacional tais como agregação, fluxos, etc, como bases inspiradoras ainda racionais para cada grupo de design. As ferramentas computacionais desenvolvidas para fins de otimização por experimento também diferem considerando a natureza de otimização. A otimização baseada na pesquisa Peles Performativas focou principalmente na articulação de adaptações cinéticas em tempo real de todo o sistema (global) de um nível de baixo para cima por componente (nível local), em oposição ao projeto da A2 Highway, que, devido à sua escala e da natureza do problema em questão trabalha com um nível de otimização dupla com L-systems e gráficos Turtle, a fim de separar sequencialmente as questões do tecido infraestrutural com os agentes funcionais estabelecidos.

As ferramentas computacionais desenvolvidas durante os dois projetos, também apresentam propriedades diferentes que variam de componentes eletrônicos integrados dirigidos de forma mecânica ao design colaborativo e sistemas de apoio à decisão. Os componentes de informática e os procedimentos computacionais, que os ligam, assim, resultam em morfologias diferenciadas, cada uma servindo uma causa performativa. O domínio dos processos de concepção digitalmente conduzidos através desses experimentos baseados em Morfogenômica não só uma base lógica para gerar morfologias interativas em um contexto de baixo para cima, não padronizado, mas também demonstrar como técnicas de design associativo acoplados com meios eletrônicos, sistemas de controle e estratégias de design participativo podem ajudar a melhorar a concepção, a performance e as perspectivas de nossas formas construídas em múltiplas escalas.

Referências

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ROSENMAN, M. A. Case-based evolutionary design. Artificial Intelligence for Engineering Design, Analysis and Manufacturing, n. 14. Cambridge: Cambridge University Press, 2000, p. 17-29.

1. Introduction

Contemporary research investigations into evolutionary and developmental biology (Broughton, Coates and Jackson, 1999) have revealed intricate data as regards issues of adaptation, efficiency and robustness as well as the phenomena of redundancy and differentiation (Hensel and Menges, 2006) via which natural living systems acquire competitive performance. Understanding principles of natural growth, self-organization and adaptation within variable contextual settings and the application of this extrapolated knowledge via digital means into constructing context driven performative spatial systems (Rosenman, 2000) has thus become an intensely researched field.

Morphogenomics, one of the several exploratory research fields (such as Bio-mimetics, evolutionary algorithms (Coello Coello, Van Veldhuizen and Lamont, 2002) etc) specifically deals with understanding the intricacies of morphological informatics. It is closely linked with the term Morphogenesis (from the Greek morphê – shape and genesis – creation), which deals with the study of the development of form during its early cellular stages in developmental biology. Morphogenomics, however, focuses upon the informatics constituent behind the emergence of diverse morphologies. This informatics constituent specifically involves studying the structure, behavior, and interactions of natural and artificial systems that store, process and exchange information. This information intensive real-time communication process thus serves as a dynamic medium for mapping the morphological genome onto architectural space and structure.

Tools and methodologies in the computational domain pertaining to the simulating the extrapolated understanding of such natural processes have been extremely efficient in forming the backbone for our understanding of such dynamic phenomena. Hyperbody, TU Delft, through its own initiative of understanding the informatics oriented behavior of natural systems has been experimenting with computational techniques such as real-time multi-agent interaction (Oosterhuis, 2006), sensing and actuating systems, generative geometry and swarm simulations over the past six years. The Performative skin systems and The Distributed Network City are some of the prominent research and design ventures undertaken by Hyperbody specifically focused upon multi-scalar associations between contextual data and built form. Associative data models, which model everything having a discrete independent existence as an entity, and relationships between them as associations are thus used as a computational methodology throughout these two research cases for developing parametric associations between the proposed architectural systems and their adaptive behavior.

The following sections elaborate upon two research and design experiments, which focus upon the usage of associative and parametric geometries, the development of self-organizing generative systems as well as embedded sensing and actuation mechanisms enabling real-time spatial adaptation.

2. Research case a: Performative skin systems

The Performative Skin research relies heavily on principles of nature catering to issues of evolutionary development as an inspiration for developing a sustainable manner of designing and building in the near future. A variety of iteration and differentiation based processes operating in natural systems tend to develop highly adaptive, self-organizing formations (Johnson, 2001). These formations apart from displaying highly performative traits concerning structural, environmental and metabolic criteria are also equally interest provoking when understanding them in the context of polymorphic topologies. A real-time adaptive process of evolution in time, corresponding to internal genetic regulations and external environmental factors in nature thus served as an imperative inspiration for this research. A shift in thinking pertaining to designing systemic componential skin formations, which can adapt and evolve in relation with their contextual settings via ubiquitous information exchange as opposed to developing non-sentient façade systems, is thus initiated through four research projects under the Performative skin system’s research agenda.

Adaptation, a vital theme for the skins research also forms a critical process in the field of Evolutionary Biology which is specifically concerned with the origin of species from a common descent and descent of species, as well as their change, multiplication and diversity over time. Adaptation as a process can be defined as the change in living organisms that allow them to live successfully in an environment. It enables living organisms to cope with environmental stresses and pressures. Adaptations can be structural, behavioral or physiological:

• - Structural adaptations are special body parts of an organism that help it to survive in its natural habitat (e.g., skin color, shape, body covering).

• - Behavioral adaptations are special ways a particular organism behaves to survive in its natural habitat (e.g., phototropism).

• - Physiological adaptations are systems present in an organism that allow it to perform certain biochemical reactions (e.g., making venom, secreting slime, and homeostasis).

These three features, namely structural, behavioral and physiological adaptation, in the architectural domain formulated the crux for developing the bottom-up performative skin systems. A component based approach is embarked upon where akin to cells in natural systems, components can be seen as intelligent building entities endowed with abilities of structural, behavioral and physiological adaptations. In the case of building components, adhering to a performance driven agenda (per component) the aforementioned three aspects of adaptation are seen as the following:

• - Structural adaptations is seen as a by-product of the inter-dependence between geometry, material and fabrication based affordances in order to produce structurally stable component variations (e.g. Creating morphological variations of the same component in terms of shape, size)

• - Behavioral adaptations is closely associated with the domain of responsive interaction which the component should inherit in order to successfully survive and communicate with its context in both active and pro-active ways (e.g. kinetic abilities, information exchange abilities, ambient abilities, sensorial abilities)

• - Physiological adaptations in the case of building components is directly linked with the manner in which the component can deal with issues of self sustainment (e.g. energy conservation, retention and dispensation abilities, power generation, distribution and circulation abilities)

Four distinct research experiments: The stomata membrane, Hyper Human Heart, Habitual inversion and the H(eye)light, each built upon the above mentioned adaptation principles catering to contextual data pertaining to wind, water, light and interior interaction were thus initiated (Biloria and Sumini, 2009). In this research paper, I shall elaborate upon one of the four experiments: The Stomata Membrane, from the perspective of adaptation outlined above. The research projects took shape by making use of the following iterative process.

2.1. Structural adaptation: from abstract machines to computational logic

In order to understand the interdependence between material properties and its computational connotation as regards the degree of physical adaptation that a chosen component could go through, experimentations from the analogue counterpart were firstly initiated. The creation of topological genetic-body plans, which could give rise to a variety of morphologies embodying different metric structures, thus became the goal for deciphering computational logistics behind the design research experiment. An analogue componential system was hence developed on the basis of topological and morphological linkages via establishing inter-dependence between geometry, material and fabrication based affordances for producing structurally stable component variations. In this case, a double layered skin system (Figure1) was developed, which could be physically adapted by means of sliding each component over the other in order to register changes in the depth (between the two skin layers), overall curvature variation, minimum and maximum flexibility per component, amount of sunlight/shadow etc. These structural adaption basics, extracted from the analogue component system served as a blueprint for physical-kinetic adaptations, instrumental for setting up a responsive mechanism to environmental factors (wind, light, sound) as well as interior based user interactions.

The notational values in terms of ratios of topological alterations in one dimension e.g. x and its resultant affect on other dimensions e.g. y and z directions (in the form of sliding, folding, pinching, stretching, rotating) are used for setting up a parametric rule system for mapping out the maximum and minimum structurally feasible adaptation per component.

2.2. Behavioral adaptation: Information mapping for developing contextual associations

After developing a basis for structural adaptations via analogue abstract machines as the basis for topological, material and structural inter-relations, detailed information maps outlining associative relations between multiple parameters were developed. Parameters concerning environmental data such as rainfall, sun direction, solar angle, moisture content, wind direction and speed etc were derived from weather databases as well as Ecotect based simulations developed within the Hyperbody group. The information diagrams as a first iteration elaborated upon associative linkages between dynamic environmental parameters and a component’s parts (layers), its topological transformation, its attributes and its functions (Figure 2). A diagrammatic representation of how a component’s morphology will vary over time in relation with its contextual data as well as graphical portrayals of the resulting interaction scenarios of a population of these components is thus elaborated upon at this stage.

The second iteration of the information modeling concerns environmental data mapping pertaining to specific geographic locations. This process enables any given surface condition to be analyzed and mapped for a pattern which outlines the most favorable catchment zones for wind, sunlight and water and thus suggest a suitable substrate for populating structural adaptation driven components (Figure 3). A parallel information mapping system takes into consideration the nature of functional program beneath the skin and based upon the differential environmental as well as time based-occupancy scenarios of the program develops a gradient based tiling pattern on the façade. This gradient and its varying intensity at different time frames provide a suggestive framework for selecting structural (scale, size, opening pattern) as well as behavioral (kinetic adaptation in time) adaptation principles (Figure 4) in combination with the type of component best suited for the surface under speculation (wind, water, air based).

2.3. Digital design and scripting routines

Digital design and scripting routines work as an intermediate membrane to weave structural and behavioral adaptations into a comprehensive working system. Structural notations registered through analogue component models coupled together with differential component patterns & behavioral kinetic adaptations are thus assimilated in an associative three-dimensional digital model.

Scripting routines for setting up parametric relations (derived from the information mapping process) between each constituting part per component were developed using Grasshopper (a plug-in for Rhinoceros) as well as using Virtools (a game design software) and Generative components. The parametric relation set-up also dealt with the generation of an integral structural system (Figure 5), which based on the nature of individual structural adaptation as well as the surface curvature variation (as a top down design feature), generated a space frame for hosting wind, water and sun based components. The space frame, conceived as a hollow steel bone structure with integrated telescopic actuators, was generated bottom-up to be modular in nature in order to facilitate the insertion of optimized mechanical components, in accordance with the information mapping findings.

A process involving dividing, setting points, adding curves, adding vectors, and adding surfaces constituted the scripting logic. This scripting routine worked as a looped sequence engulfing the information mapping sequence as an initiating routine as soon as any 3d manipulation to a surface condition is initiated. A variety of components for regulating light, water, and wind based energy generation and their combinatorial population are subsequently developed as digital representations at the end of this phase (Figure 6). The kinetic adaption per component as a real-time response to dynamic contextual datasets, derived from the behavioral adaptation phase thus work as a component specific feature within this research experiment.

2.4. Physiological adaptation via embedded Interaction design and ubiquitous communication

The digital component generation phase coupled together with varying performance based combinatorial digital population of these components went through a further iteration involving physically embedding sensors, actuators and control systems within the components for physically actualizing the proposed behavioral interaction concepts. Apart from developing elaborate information data flow sequences for the skin system, kinetic adaptations per component geared towards storing, transporting or regulating environmental factors (sun, wind and rain) were carefully choreographed using micro-controllers programmed by using MaxMSP & Jitter.

The Stomata membrane served as an excellent experiment for developing a self-sustainable performative skin system. The wind, water and light based components (shown in Figure 6) develop ubiquitous communication protocols via a carefully thought information exchange strategy: The wind based energy generating components in the Stomata membrane skin system host a rotary mechanism, which apart from being strategically positioned in accordance with curvature variations of the surface (in order to take advantage of wind pressure) host an optical moisture detector (humidity sensor) and a light sensor. The energy resulting from the rotary motion caused by wind based current flow is harvested to power central battery units. This power is further distributed within the entire skin system for powering motors and linear actuators in all other components. The light sensor, in the form of a photo array, a CCD or a CMOS determines a value corresponding to ambient light conditions and compares this value with a pre-determined comfort level based light value per program. The comparative value is communicated to embedded micro-controllers per light controlling component (made of laminated double glass panels connected with telescopic actuators) in the entire skin, thus initiating kinetic adaptations for controlling aperture openings (Figure 7).

The humidity sensors specifically relay information about the level of moisture content and the amount of water to micro-controllers in the water capturing components. This value is directly related with the amount of opening to be created in the water-capturing component (made out of Neoprene poly-chloroprene connected with telescopic actuators) in order for it to channel and store rainwater in underground tanks. This stored gray water is then used for flushing toilets, for watering plants and for washing purposes. The water capturing component’s kinetic adaptations are also inversely connected with the level of water stored within the underground tanks and are therefore capable of over-riding opening instructions being relayed by the humidity sensors as and when needed (Figure 8). Apart from relaying information to water controlling components, the humidity sensor readings are also relayed to the light controlling components micro controllers. The information pertaining to rain and increased moisture when received by the micro-controllers thus result in shutting the laminated glass panels. The stomata membrane, by means of real-time information communication between its constituting components performs complex physiological adaptations in order to serve as a fully self-sustaining spatial system.

The second category of experiment, despite of dealing with the nature of real-time information exchange, owing to scalar variation and the need for optimization as an inherent quality of the system deals with a different approach towards bottom-up design formation. The scale in this case goes beyond the component and engulfs the urban and the architectural. This also implies a change in the nature of interaction within the formulated system as well as the nature of collaborative interaction between research and design teams.

3. Research experiment b: The Distributed Network City

This section exemplifies upon a design-research case: the development of a Distributed Network-city along the A2 highway, Netherlands at Hyperbody, Faculty of Architecture, TU Delft. Within Hyperbody, 22 students from ten different countries along with Hyperbody researchers were organized into 5 groups (5 Design firms), each working collaboratively with the other in order to produce generative urban and architectural morphologies along the A2 Highway. The visions of the governmental organizations in charge of the A2 development were abstracted as a set of global rules/constraints.

The nature of interaction for such collective-interaction in real-time required Hyperbody to develop a series of computational tools such as: a dynamic updating data-base with a corresponding data visualization and real time data manipulation web based interface, A swarm CAD tool for global and local spatial as well as programmatic layout (operating on the logics of swarm behavior), an L-Systems (Lindenmayer, 1968) based urban and architectural pattern generation tool and computational tools for generating performative structural solutions for complex geometry. The nature of tools as well as the complexity of tasks as regards multi-optimization routines for performative 2d and 3d pattern generation for this experiment was thus more complex in nature. The scale of the project demanded that the entire A2 site be divided into equal sectors per research group. The analysis per sector would thus become a local investigation and any design development process per sector shall only be approved after comparing its socio-economic impact on the entire A2 site.

3.1. Abstract machines

In the case of this experiment, the nature of the abstract machine, instead of developing notational procedures via material property based applied experiments, tended intensively towards deriving conceptual complexity via non-scalar yet logic driven systemic thinking. Deleuzian philosophy of population, intensive and topological thinking were incorporated during this first phase of analysis and interpretation of the site. Topological genetic-body plans, which could give rise to a variety of morphologies, embodying different metric structures thus became a logical underpinning for deciphering computational logistics per design team (Figure 9). Conceptual underpinnings such as dynamic networks, bundling, flow, density etc with an understanding of the urban potential were conceived as physical experiments with embodied computational potential.

3.2. Real-time Interactive program distribution database

The scale and the nature of this experiment, which demanded a careful balance between stake holder based demands and the contextual affordance per sector, thus lead to the development of an interactive computational tool termed as the A2 highway database and plot table (Figure 10). This tool is specifically built as a real-time web based updating database with a graphical interface pertaining to the program distribution over the entire site or in other words for deciphering environmental (catering to functional demands and supply ratios) developmental constraints per sector.

Each design team was provided with their own web based interface (of this database) pertaining to their sectors, within which they started inputting values corresponding to their functional and envisioned demands. Global rule sets, which correlate the ratios between demanded functionalities/activities of the site (housing, commercial, industrial, office and green), are inbuilt within this A2 database tool and owing to the tools real-time updating nature, any data entered by any group has a direct impact on datasets being handled by other groups as well. The exercise in this phase for all the groups was thus visualized as collaboratively attaining a stable functional distribution (match the supply and demand ratios, indicated by green signals), and thus collaboratively setting up specific breeding environments per sector. This breeding environment can also be seen as a specific ratio outline between differential programs based agents, each embodying their own behavior as regards their relationships amongst each other as well as environmental constraints within which they are embedded. The difference between the two experiments concerning this intermediate stage of logical underpinning for program ratios in a democratic manner, involving multiple design teams is thus apparent. This intermediate stage thus lays the foundations for simulation driven design processes and is thus crucial in an iterative urban pattern generation process.

3.3. Breeding Urban morphologies using Multi-agent Swarm based computational applications

In the third phase, the above mentioned design intent oriented, mutually negotiated contextual environmental setup (per sector) is further processed locally (per group) by the application of evolutionary computational techniques (O’Reilly and Hemberg, 2007). At this stage the interlinked environmental set-ups are populated with respect to their environmental demands (program of demands or rather demanded requirements which the respective sectors should be catering to). A computational tool, namely: the A2 highway Swarm CAD (Figure 11) was introduced to the design groups at this stage.

Swarming, as an influential computational technique for simulating natural systems, specifically movement dynamics (as seen in a flock of birds or a school of fish) was introduced by Creg Reynolds (Reynolds, 1987). The tool developed on this understanding: SwarmCAD is based on the behavior of a group of agents that may be able to perform autonomous tasks without detailed representations of the environment and other agents, much like the manner in which simple rule sets of alignment, cohesion and separation, within Swarm systems result in complex flocking behavior. Each functional unit (housing, commercial, industrial, office and green), in this phase attains the dimension of an autonomous agent with programmed behavioral rules such as its affinity/closeness with other functions, relational ratio based multiplication per agent, volumetric data etc. Dependent upon such programmed behavioral modules, interaction routines are automated for attaining meaningful and logically structured urban morphologies. Urban patterns can thus be seen as self organizing systems with its constituent components akin to members of an organic swarm, working constantly to generate activity, usability, occupational and territorial patterns (Figure 12).

The aforementioned SwarmCAD based self-organization routines, provided a two-dimensional output as regards the optimal programmatic stagnation zones as an outcome of the multi-agent simulation. On top of this layer, though, a second layer of optimization sequences, which specifically dealt with criteria such as branching systems driven optimized path formations within the derived pattern were induced. For this purpose, L-Systems combined with Turtle graphics interpretations were experimented with. A combinatorial approach for experimenting with the co-evolutionary generation of two L-systems respectively: one for the design of the existing highway itself and one for the residential city, characterized by residential and commercial units. Inter-dependency between the two L-systems was set up for facilitating an iterative growth of the residential city in relation with the generated boundary conditions of the highway based L-system (Figure 13). A highly interdependent mutually interactive L-system structure, giving rise to urban morphologies is thus visualized.

3.4. Architectural interventions within the urban morphologies

After arriving at urban morphological patterns, as mediation between the dual L-System interactions coupled with Turtle graphics to develop 2d and 3d extrapolations of functional layouts, the design groups focused on architectural and structural issues pertaining to specific portions per sector. Infrastructural spines (global level) derived from the L-system procedures were treated as structural entities interweaving and stabilizing the architectural patterns (local level) they would host within them. The local level computational outputs, which were inherently based on the percentage of built-up area and the affordance per-sector concerning height regulations set forth by the governmental agencies, are subsequently subjected to morphological fine-tuning and individual articulation, while developing a connective infrastructural and functional logic in the whole site. Design language and individual stylization strategies were thus made prominent at this phase of the design iteration.

Computer aided manufacturing processes for physical modeling and in some cases structurally analyzing the architectural morphologies were subsequently carried out. The morphogenomic architectural outputs (Figure14), in terms of characteristic features per sector were either CNC milled or were stereo lithographed per group. The students were thus not only able to compare the morphological variations per sector but were also able to understand the vitality of the informatics component as regards file to factory-based manufacturing processes and the advantages of working in an integrated design framework involving multiple teams.

4. Conclusion

The Performative skin systems and the Distributed City research initiatives proved to be a critical exercise in collaboratively understanding the implications (generation, representation, communication and processing) of compounding the term informatics with the discipline of design. The differences in computational operations based on scalar variations per experiment were evident. The nature of the abstract machine, in the case of the skin components was specifically designed to derive notational sequences owing to the material properties based digital data extraction procedure as opposed to the A2 Highway project in which the main focus revolved around deriving a global computational strategy such as bundling, flows etc as inspirational yet rational underpinnings for each design group. The computational tools developed for optimization purposes per experiment also differ considering the nature of optimization. The Performative Skins research based optimization primarily focused on articulating real-time kinetic adaptations of the entire system (global) from a bottom-up per component level (local level), as opposed to the A2 Highway project, which owing to its scale and the nature of problem at hand works with a dual level optimization with L-systems and turtle graphics in order to sequentially break-down the issues of infrastructural weaving with nested functional agents.

The computational tools developed during the two projects, also exhibit different properties ranging from embedded electronics driven mechanical control to collaborative design and decision-making support systems. The informatics components and the computational procedures, which bind them, thus result in differential morphologies, each serving a performative cause. The domain of digitally driven design processes through these Morphogenomics based experiments not only lay a logical underpinning for generating non-standard bottom-up contextually interactive morphologies but also demonstrate how associative design techniques coupled together with electronic media, control systems and participatory design strategies can help enhance the conception, performance and outlook of our built forms at multiple scales.

References

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