2011

SMAAD Surface

オーガニックアーキテクチャのプロトタイピング
近年、フランク・ゲーリーやノーマン・フォスターをはじめ多くの建築家が有機的曲面形状を有する建築物 -オーガニックアーキテクチャ- を作り出している。このような構造物のデザインプロセスでは空間把握のために3次元CADやCGシステムを利用することが不可欠である。一方で、多くの建築家は実空間の物理モデルでの形状検証を好む。そのためデジタルデータをタンジブルな物理データに変換する「物質化」のプロセスが必要になる。現状では3Dプリンタを用いるのが一般的であるが、実用的なモデルの出力には数時間から十時間程度が必要だ。さらに樹脂や石膏等の可塑性の極めて低い物質を用いているため、試行錯誤を繰り返しながらモデルの修正やリデザインをするのは困難である。

Prototyping Tool for Organic Architecture
Recently Frank Gehry, Norman Foster and many other architects produce buildings with organic surface shapes. In their design process, it is essential to model and render the buildings using 3D CAD systems and CG in order to grasp the shapes. However, Architectural designers tend to like grasping shapes and spaces through physical models in real space. Due to this, an additional process is required to materialize the virtual models into tangible ones. 3D printers are used for the purpose. Although the current 3D printers requires a long hours to output models in many cases. Besides, 3D Printers use plaster or resin to output models, so that it is difficult to quickly modify and redesign them.

スマートマテリアルを建築設計に導入する
本アプローチではスマートマテリアルをコンピュータ支援設計(Computer Aided Architectural Design, CAAD)に導入する。"SMAAD"は"Smart Material Aided Architectural Design"もしくは"Shape Memory Alloy Aided Architectural Design"の意である。SMAAD Surfaceはその有効性を検証するために実装されたインスタンスである。

Smart Material Aided Architectural Design
Our approach is to use smart materials in the process of CAAD(Computer Aided Architecural Design). SMAAD is the abbreviated form of “Smart Material Aided Architectural Design” or “Shape Memory Alloy Aided Architectural Design”. SMAAD Surface is an instance of SMAAD which is implemented as a first prototype.

プログラマブルな布、プログラマブルな曲面
SMAAD SurfaceはCADの自由曲面を擬態する実空間の布型タンジブルデバイスである。繊維状の人工筋肉と曲げセンサが編みこまれたこの布型デバイスは、キネティックテキスタイルの先行事例 Surflex[Coelho et.al 08] を参考にしながら、曲面形状のセンシングとCADとの連動機能を実現した新技術である。それ故、曲面形状をマイクロコントローラにフィードバックしながら形状の変形ができる。この布はデザイナーの自然な手操作によってその形状を変形できるスマート素材としても機能する。布の状態を曲げセンサが検知し、その形状を維持するようにアクチュエータが働くことで、あたかも手で自由曲面を捏ねているような感覚で形状デザインができる。曲面形状がマイコンを通して3次元CADに送られることで、デジタルデータを布型デバイスの形状とシンクロさせながら変形できる。同様に、3次元CAD内で変形を加えると、そのコマンドが布型デバイスに送られ、布形状がデジタルデータと同様の形に変化する。

Yet Another Programmable Surface
SMAAD Surface is a fabric input/output device that uses fibrous shape memory alloy (SMA). By referencing Surflex (the first programmable surface [Coelho et.al 08]), we have improved the ability to maintain, record and play back arbitrary surface shapes through feed-back loop. This fabric functions as a smart material and designers can modify its shape through manual operations. As the flex sensor detects the fabric shape and the actuator works to maintain the shape, a designer can model the fabric shape as if he/she manually models a free-form surface. The surface shape is sent to a 3D CAD through a microcontroller and the digital data can be modified in the same manner as the shape of the fabric device. In the same way, if the digital data is modified in the 3D CAD, the command is sent to the fabric device so that the fabric shape can be modified to follow the digital data.

実空間のUNDOとREDO
曲げセンサを通して曲面形状はマイコン（そしてPC）へフィードバックされ続けるため、変形の操作履歴を保存／再生することが可能になる。これはモデリングにおけるUNDO/REDOと同様の操作を実空間で実現することを意味する。作業履歴を再生し続け、形状の創作過程を追体験する機能も想定できる。

UNDO and REDO function in real-space
The surface shape data sent continuously from the flex sensor is saved as operation history and used for the operation replay. This allows the UNDO/REDO operations of the modeling. With this function, a new function to relive the modeling process may also be realized.

キネティックアーキテクチャ
操作履歴の保存と再生は、モーションデザインの録画と再生機能としても利用することができる。この作業は2つのステップで実行される。最初のステップでは、曲げセンサを通してダイレクトな操作を一定時間記録し続ける。次のステップでは、記録された動きを同じ再生時間でSMAに反映し、動きを再現する。この機能は近年注目を集めているHyposurface [Goulthorpe and dECOi, 2000] やThe Muscle Projects [Oosterhuis et al. 2008]に代表されるキネティックアーキテクチャのデザイン環境として利用できる。

Kinetic Architecture
The operation history saving and replay are also available as the function to record and reproduce motion design, executed in the two steps below. In the first step, the direct operations sent from the flex sensor are recorded in a certain period of time. In the next step, the recorded motion is applied to SMA in the same period of time to reproduce the motion. This function will be used for the design environment of kinetic architecture such as Hyposurface(Goulthorpe and dECOi, 2000) or The Muscle Projects(Oosterhuis et al., 2008), which are attracting attention in recent years.

即時的プロトタイピングのためのプログラマブル・マター
SMAADのビジョンはデジタルデザインのプロセスとフィジカルデザインのプロセスをシンクロさせることにある。現状では4枚の布型デバイスを連結させることに成功しているが、将来的に数十枚単位での接続が可能になれば、汎用的な形状のアクチュエートが可能になるだろう。これはSMAADがデザインシステムを超えて、即時に反応するラピッドプロトタイピング環境として機能することを意味する。3Dプリンタから数時間かけて形状が出力されるのを待つことなく、即時に形状を把握できるシステムにより"Immediate Prototyping"が可能になるかもしれない。

A Programmable Matter for Immediate Prototyping
At present, we succeeded in connecting four fabric devices. In the future, if several dozens of the devices can be connected, it will be possible to actuate versatile shapes. This means that the SMAAD functions as a rapid prototyping system beyond design systems. Ling time to wait for the output from the 3D printer will not be necessary anymore and immediate prototyping will be possible to grasp shapes in a moment.

  • pSurface 001
  • pSurface 002
  • pSurface 003
  • pSurface 004

PUBLICATION

- Akira Wakita, Akito Nakano, Michihiko Ueno, SMAAD Surface: A Tangible Interface For Smart Material Aided Architectural Design, in Proceedings of CAADRIA 2011 - Circuit Bending, Breaking and Mending (The 16th International Conference of the Association for Computer-Aided Architectural Design Research in Asia), pp.355-364, Newcastle Australia, April 27-29, 2011. Best Paper Award

- Akira Wakita, Michihiko Ueno, Akito Nakano, pSurface: Fabric I/O Device for Architectural Algorithmic Design, in Proceedings of the International Symposium on Algorithmic Design for Architecture and Urban Design, ALGODE TOKYO 2011, March 14-16, 2011, Tokyo, Japan.

- 脇田 玲, 上野 道彦, 中野 亜希人, pSurface: 自由曲面モデリングとアニメーションのための布製入出力デバイス, インタラクション2011, 2011/3/12.

DESIGN TEAM

Concept and Direction: Akira Wakita
Hardware and Middleware: Michihiko Ueno
Software: Akito Nakano

コンセプト＋ディレクション：脇田玲
ハードウェア＋ミドルウェア：上野道彦
ソフトウェア：中野亜希人