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单元机与互动式建筑生态.rar

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    编号:20181101170524235    类型:共享资源    大小:22.41MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-04
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    单元 互动式 建筑 生态
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    1单元机与互动式建筑生态朱宇晨Architectural Association School of Architecture, DRL(Architecture and Urbanism)http://anti-bot.comnezumimrx@gmail.com摘要:随着数字化设计方法的不断研究深入,新的设计手段与其他领域的结合也带来了新的建筑认识和建筑观念。长期以来建筑与人类的关系当中,建筑处于固定的、绝对的地位,而人们也在某种程度上必须适应建筑。这种观念正在发生改变,建筑与人的活动应该更加紧密的联系在一起,在这里提出一个词叫 Architectural Ecology 也就是建筑生态。所谓建筑生态不是传统意义上讲的 Eco-building 环保的概念,而是一种建筑组织。这种建筑组织本身基于智能化的建筑模块,我们称其为单元机。本文从单元机这一微观层面阐述其概念和原理,并分析其可能性并提出方案,从而研究建筑生态这种组织形式中,基于人和环境的因素,建筑系统自身产生的自组织、组重构的行为。最终,建筑可以与环境和人互动,在该环境下获得生存能力,也就是随着时间推演使其自身具有可适应性。关键词: 机器人;建筑生态;互动;可适应性;自组织;Modular Robot and Interactive Architectural EcologyYuChen ZhuArchitectural Association School of Architecture, DRL(Architecture and Urbanism)Abstract. Architecture used to be deterministic and absolute form that its users has to be ‘adaptive’ to it. The situation can be changed with the idea of ‘Architectural Ecology’. It does not refer to ecological friendly building but a system of architectural system which is based on modular robots or unit robots. This article explains the concept and methodology while propose from microcosmic level with the implementation of modular robots. And with its feature of self-organizing and self-configuration, the architectural ecology interacts in response to the environment and users. Eventually, it survives through generating systemic relations that are adaptive- and time-basedKeywords. Modular Robot; Architectural Ecology; Interaction; Adaptation; Self-organization;2概述思考关于建筑、人和环境的关系作为建筑设计师来说一直从未停止,在每个特定的时期建筑都根据时代的需要有其特点。比如工业革命带来的是如同机器般的建筑,也就是以 Le Corbusier 所表达的人类的居所是‘a machine for living in ’传达出来的机器美学特点。而在当今这个时代,不同于以往的是数字化进程所带来的多样性,设计师根据自己的判断可以有很多选择,比如强调美学以及个性化、私人化的设计,比如理性的、依据数据分析所产生的参数化设计,甚至是将不同学科的成果予以融合的交叉学科设计,等等。这些设计方法的多样性正是数字化进程的魅力,它为设计师们提供了工具和平台,藉此建筑师得以反复思考、探索,与此同时新的建筑认识和建筑观念就诞生了。本文所要阐述的,就是在这样的时代背景下,所产生的新的建筑认识之一。这种认识的产生首先是基于系统论的概念,它把建筑理解为某种子系统去思考而不是静态的去对待它。那它就具有系统所具有的开放性、自组织性、复杂性,整体性、关联性,等级结构性、动态平衡性、时序性等特征。为什么要抽象到这种层面呢?因为这是对长期以来建筑、环境和人类关系当中,建筑一直处于固定的、静态的、绝对的地位的一种反思。这一点并不绝对,但在大多数情况下是如此。因此随之而来的就是单方面的,由人或者环境在一定程度上被动的但是又无能为力的去适应建筑,甚至可以理解为这种情况下,使用者和环境是‘被决定’其行为的一方。这种情况归根结底就是建筑的完整性过于绝对,从而导致其失去了可适应性,但这也恰恰是因为设计师在从宏观角度处理建筑问题时所不可避免的。即使是像解构主义这样打破现有结构、反对其总体统一的特征也解决不了最后总归是要落到一个确定的形式上去。因此在这里所要提出的就是一个‘互动式建筑生态’的概念。生态这一词原本是指生物的生存状态以及生物和它所处环境之间密不可分的关系,那么建筑生态所强调的就是建筑作为生态系统中的一分子应该有其自身的‘生存’行为,并且这种行为应当与环境(包括与人在内)的关系密不可分。建筑的生态而不是生态的建筑就是强调其主动性,而这种主动性就在于将建筑视为具有生物特性的子系统去考虑,使其具有可行为的能力。与其行为能力相辅相成的就是建筑的互动性,与环境互动、与使用者互动甚至是作为城市硬件本身可以与信息互动。因此,单单是钢筋混凝土的构成元素就不足以实现上述功能,而应当与数字化相结合从应用科技的角度将建筑元素进行转变。也就是通过‘单元机’——这种模块化的智能机器来实现。建筑生态建筑生态这一概念并不是近几年才有的,早在上世纪 60 年代,建筑电讯派(Archigram)由 Peter Cook 提出的‘Plug-in City’以及 Ron Herron 提出3的‘Walking City’就具有建筑系统会根据所处环境的不同进行职能转变的特点。在这之后,1960 年由日本著名建筑师黑川纪章(Kurokawa)提出‘新陈代谢’的观点,而后成为新陈代谢派建筑师的代表观点——他们认为‘城市和建筑不是静止的,而是像生物新陈代谢那样处于动态过程中’也就体现了建筑生态的特征,并且他后期的‘共生思想’更是体现了这一点。其中最具有代表性作品的是在1972 年黑川纪章设计的中银舱体楼也被称为胶囊公寓。关于这栋建筑已经有许多的论述,它最具有革新性的是将每一个房间设计为独立的‘单元’模块,这种模块在整个建筑系统当中可以被替换、更新甚至淘汰。将这140 个模块嵌套在一个固定的框架结构下并且提供根据时间的推演和使用的需要进行调整、重组,这种关系体现了这一建筑系统下成分之间的关联性、等级性、时序性以及动态平衡性等特征。然而这个建筑系统实际上仍然是人为的、宏观的,每一个胶囊的位置、更换时期、功能甚至存在与否都是从宏观层面进行决断的,它作为‘生物’的自我调整、自我组织性并未体现在整个系统中,但这已经是一个非常有特点的建筑体系。为什么整个系统没有办法自我调整、自我组织呢?有两方面原因,其一是内部‘智能’的缺失,其二是整个‘单元’过于庞大而且黑川纪章将整个建筑视为一个‘生物体’去对待。首先来解释‘智能’的缺失,所谓智能就是指思考的能力,智能的缺失就会导致成分的被动,在中银舱体楼整个建筑体图 1. 1972 中银舱体楼,黑川纪章图 2.中银舱体楼建造过程4统中,每一个独立的‘单元’由于智能的缺失而无法自我判断是否存在合理或者应当被更新和替换,而且整个系统也并未能整合信息做出这样的判断,因此无法产生真正意义上的‘新陈代谢’ 。另外其‘生物体’过于庞大,内部每一个成分也就是单元模块也因为过大失去了其能动性,致使整个代谢的过程缓慢而无法从动态的角度得以实现,人工成本也相当高。反观‘蚁群’这一自然界中的生物系统,则实际上非常科学,每一个‘单元’ ,也就是每一只蚂蚁都具有一定的‘智能’ ,而且体量很小、能动性很高。整个蚁群则是由数量庞大的蚂蚁个体所组成,而非一个生物体。每个蚂蚁又通过相互之间的‘交流’组织在一起,并且在蚁群系统内部又具有‘等级性’ ,这种等级性使得系统效率得以提升。这些特点就与黑川纪章的胶囊公寓形成了很明显的对比,再通过借鉴胶囊公寓的拼装组合的理念,就为‘建筑生态’这个观念提出了新的启示。首先,个体应当具有一定的‘智能’并且相对于整个系统而言体量较小、具有能动性。其次,个体与个体之间应当有关联性,通过特定的方式相互交流从而组织在一起。同时,为了形成建筑体系,就应当具有结构功能。当上升到更高一级时,则应该具有与人互动的能力以及个体等级的划分。这就是‘建筑生态’中建筑系统所应当具有的特点。单元机为了实现建筑系统以及‘建筑生态’ ,就应该从微观角度考虑设计问题,有两方面原因,首先由于系统会自我组织、自我调整,因此无法从宏观角度来解决问题,这更超出了一个设计师的设计能力,当然这也会让人联想到混沌理论,但是在这里就不涉及这么多。其次,在整个系统动态演变的过程中(包括了迭代) ,唯一可掌控的就是个体以及个体的行为方式,就像著名的 Mandelbrot 图像 1,唯一可控的就是起源的公式。明确了以微观作为系统的切入点,就会思考如何完成这个建筑系统。本文给出的答案是通过‘单元机’来实现,也就是借助人工智能以及模块化机器人来实现。同时,实现建筑系统的答案并不唯一,随着参数化设计的不断深入,会有更多的可能性值得建筑师去验证。当然机遇的同时也同样是挑战,第一个挑战就是如何以建筑师的身份去结合另外的学科为我所用的问题。对此,同样没有明确的答案,传统的建筑系统已经存在于历史中有数千年的历史,自老子开始就提出 ‘凿户牅以为室,当其无,有室之用 ’,发展至今明确的是一套很成熟的系统。成熟的系统就意味着系统的确凿,也就有很难改变的地方,而新的设计手段和思维的出现也就近几年的时间,跨领域的探索更是很难,建筑师将‘梁板柱’传统且成熟的思考与其他学科相结合就会发现新的建筑可能性,同时也是其他领域的可能性。1 Benoit Mandelbrot (1924–2010),《 分形、机遇和维数 》 , 19755所谓单元机,就是结合了模块化的建筑思想与人工智能和智能硬件产生的。单元机一词来源于英文 modular robot,也就是模块化的机器人。在 2005 年康奈尔大学的 Hod Lipson 教授和他的学生研制出了名为 Molecubes 的机器人系统,每个单元机是重量为 0.65kg、边长为 100mm 的立方体,在立方体的每个面又设有电磁铁,用来连接或者断开连接。同时电能和信息可以在模块之间传递,并且具有最大斜截面可以旋转的特点。这使得他们可以进行复杂的自我组织行为。它展示的是以这些拥有一定智能的单元机为基础进行自我重组、自我复制的系统能力,并且为大量单元机组织大型结构提供了可能。而后在 2008 年以Molecubes 为基础的单元机程序成为开源软件,并且在之后发表的论文——Molecubes Extended:Diversifying Capabilities of Open-Source Modular Robotics(2008)中也谈到了将其视为建筑系统的可能性。除此之外,基于单元机思想开发出的机器人还有很多,比如哈佛大学设计研制出的 The Kilobot Project (以集群行为— —swarm system 为基础将拇指大小的机器人通过自我组织形成不同形状),由斯图加特大学 Alan Winfield 教授带领研制出的Symbiotic Evolutionary Robot Organisms(SYMBRION)(同样以集群行为基础,通过算法将大量的单元机组织在一起,并且使其可以根据环境进化成不同组织从而达到可适应性的目的),等等。这些类似生物体的单元机都会面对至少两个问题需要回答,其一是如何在2D 或者 3D 空间内交流以及自我组织的原则是什么?其二是如何在 2D 或者 3D层面上进行自我建构?同时在回答这两个问题的过程中就伴随着原型机其自身构造和应用算法的研究,而这项研究也贯穿始终。对这几个问题的回答,接下来将会以作者自身的项目 Anti-Bot 的研究方法为例进行阐述。交流和组织首先是单元机的交流和组织,自平面层面开始思考的某种机制。这种机制被应用于每个单元机,但是在谈这个问题之前有个大前提,就是能动性,不管是自然界还是人工,没有能动性就不会产生行为,没有行为也就没有自我组织。在自然界中,有些物质也会通过化学反应来进行移动,有些则在液体中实现移动。而这里所谈到的单元机是具有一定规格的机器人,因此就要通过机械手段让它可以移动,这同时也关系到了单元机的结构,对此我们也做了很多尝试比如下图的两种类型,方案 1 和方案 2。其中方案 2 结构相对复杂,而另一个由两个较大的轮子驱动也比较精简,想到后续的研究可能会有更多功能添加进去,因此我们选择了方案 1。图 3. Anti-Bot 研究流程图6根据这个方案我们进一步研究如何让这个单元具有交流的能力,而这里所说的交流实际上是单元机的一种认知能力和信息交换能力。根据交流的等级主要有两种,全局的(global communication)以及局部的(local communication) ,这两种交流方式分别代表了两种处理问题的方式。全区层面产生的信息传递就具有自上而下也就是 Top-Down 的意思,但是也不绝对,因为也可以只传递个体信息。但是相对的,局部交流就意味着局部到整体 Bottom-Up 的思考方式,也就是说个体并不了解全局范围内的状况,只接受一定范围内的信息,而根据本地规则(local rules)形成全局范围内的效应。在自然界中大多数交流方式属于后者,比如蚁群的行为,这样做是因为个体处理信息的能力以及交流信息的能力有限,同时也为系统的坚韧性提供保证,也就是说不会因为个体出现错误或者问题整个系统就瘫痪,但同时也会产生多余信息(redundancy) 。虽然根据现在科技的发展,大数据都可以被处理和分析,但是单元机毕竟体积和能力有限,同时也遵循着局部到整体的逻辑,因此单元机也会以局部交流为主,而后将全局交流融入进去。初步测试是将传感器(温度、光、距离传感器,以及方位罗盘、导航器)加入到单元机中,这样做可以使单元机与人产生互动,但是这种没有规则的感应无法形成系统,而系统就需要一个算法的支持。因此根据我们做过诸多的尝试之后,将一套根据磁场原则产生的算法规则应用到我们的单元机中。同时我们通过Processing2这个可视化的编程软件进行模拟,下图的图案就是不同数量单元机模拟出的行动轨迹,而这种轨迹根据输入的参数不同会有很多变化,同时也具有不可预测性,我们称其为 Magnetic Behavior 也就是磁力行为。在没有指定其目的2 Casey Reas & Ben Fry, Processing 互动变成软件 www.processing.org图 4. 方案 1 图 5. 方案 2图 6. Magnetic Behavior 磁力行为7情况下是没有意义的,但是当我们将其应用在数量庞大的单元机时,并且给出特定规则,就可以达到自我组织的目的,比如将一定数量的单元机个体随机散乱在一个平面上,他们就可以根据这个算法重新组合成一个规则的网络并且相互连接,这个操作并没有通过全局的信息交换。而在三维层面上的交流则由另一套算法支持,这个算法的目的是将一个二维平面的组织转化为三维层面的立体结构,当然这个规则的设定也必须和单元机的结构特性直接相关。下图所示为模拟以及实物的交流演示。图 8. 实物单元机交流和组织演示图 7. 模拟单元机交流和组织演示8结构和组装单元机的结构各不相同,比如 Molecubes 采用立方体作为基本型,而 The Kilbot 采用圆柱体,两者的区别在于是否形成结构,之所以 Molecubes可以作为建筑系统考虑就是因为它具有结构特性。因此,在设计单元机的时候,考虑结构是必不可少的,尤其是作为建筑系统成分来说,如何形成建筑结构是首要问题。为了形成结构就需要单元之间的组装,系统内部通过尝试几何体之间的连接,再结合我们现有的双轮结构,得出的结论是通过增加两翼来连接每个单元机。除此之外,由于我们的单元机并不具有攀爬特性因此需要通过已形成的网状结构进行内部的调整,因此两翼不仅仅是相互连接还具有旋转的特性。这样的结构可以使我们对待单元机组成的网络像对待由节点组成矩阵网格一样,每一个连接处都具有一定可以活动的能力,而单元机本身就是连接的杆件。同样的,通过 Processing的模拟,可以直观的看到数量上升之后会产生怎样的结构(如下图 10) 。首先,测试通过小规模的结构入手,再在尝试生成不同的形态的同时,调整参数、总结规律就可以发现在三维层面上具体交流方式。就我们的单元机组团而论,由二维至三维的形变是分阶段由个体之间进行角度的调整,从点扩散形成类似于波的传递一样从一点向外扩散开来,这样的过程很像水母在游动时包裹体的变化。整个形变过程中都是由个体判断周围单元机的形变量调整自己的形变量,类似 Cellular Automata 元胞自动机的原理。同时,当结构不再被需要,就可以从新分散,成为一个个‘生物体’在环境中参与互动或者收集能量。图 9. 两翼旋转改变内部结构图 10. Processing 模拟数量上升后网状结构的改变9除了模拟,我们对实体机进行改造和调试,使其结构与模拟中一样并且设计其中的内部机制减少摩擦力和多余结构以及加大连接力度。其中最具挑战的是摩擦力和结构稳定性。与模拟不同,随着单元机数量的增加,连接节点强度下降以及力臂的延长导致其结构稳定性下降。另外的,当数量上升时,根据结构的角度不同,处于地面的单元机就需要提供不同强度的摩擦力,此类问题也是在设计单元机结构时必须要考虑和解决的。除了以上这些机械问题,还有信息的传递、延迟等等数据上的问题。有些可以通过调整算法、原则等软件手段来解决,而有些则需要硬件上的升级,比如传感器的能力、个体之间信号传输的速度等。在不断解决这些问题的同时,单元机经历了数次迭代,再通过增加对环境信息的采集、处理以及和人互动的能力,单元机会越来越成熟。单元机与互动式建筑生态以形成建筑系统为出发点,从微观角度说,通过应用自组织的单元机可以为建筑本身提供类似于生物组织一样的能动性,也就是自我调整、自我改变的特性。基于这种特性,单元机通过接受环境信息,比如日照、风、人流、温度等等环境因素改变组织结构,从而达到真正意义上对环境的适应。也可以通过与人互动,针对人们的需要可以产生相应的反应。这种反应产生的行为也许不是像人们所预期的那样完美的结果,这就需要单元机通过‘学习’也就是优化算法的应用进化自己的行为,同时人们也会学着去了解单元机这种‘类生物系统’ ,这就形成了非常有趣味性的双向互动从而建立起一种环境随时间变化的动10态演变过程。下图所示是一个动态过程的模拟演示,那些圆环就是抽象的单元机,他们从城市的各个方向来到一个场地,然后对场地进行分析并通过交流互相传递信息,再根据需要形成结构,这种结构是多样的,并没有一个特别的限定。比如在这个动态过程中可以根据 Delaunay 三角网算法用最少的单元机数量覆盖最大的面积,也可以通过平行线分割覆盖整个区域。这只是一个非常初级的演示,单元机目前并不具备形成完整建筑空间的能力,这是因为单元机还不完善,能力只允许其形成一些零星的建筑构件。然而人们可以参与到这个系统中来,不同的人会对这个系统做出截然不同的反应,比如孩子们会和单元机玩耍,大人也许会在这个建筑组织里好奇的伸手互动,也许需要私密的会话空间等等。随着数字化进程和人类科技的进步,单元机将被完善,而这种互动式建筑生态也将会真正融入我们的生活。参考图片图 11. 建筑生态中过程的动态模拟演示
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