[論文レビュー] Flora robotica -- An Architectural System Combining Living Natural Plants and Distributed Robots

Heiko Hamann, Mohammad Divband Soorati+14 more|IT University Of Copenhagen (IT University of Copenhagen)|Sep 13, 2017

Plant and Biological Electrophysiology Studies参考文献 11被引用数 25

ひとこと要約

Flora Roboticaは、生きた植物と分散型で固定されたロボットを統合することで、編組されたラフターを介して適応的で自己修復可能な構造物を育成するバイオハイブリッド建築システムを提案する。光およびホルモン的刺激を用いて、ロボットは植物の成長をリアルタイムで誘導し、継続的な建築的発展と現場での自己修復を可能にする。実際に窓が開いた壁を穿孔した状態から自律的に修復する機能的プロトタイプが実証された。

ABSTRACT

Key to our project flora robotica is the idea of creating a bio-hybrid system of tightly coupled natural plants and distributed robots to grow architectural artifacts and spaces. Our motivation with this ground research project is to lay a principled foundation towards the design and implementation of living architectural systems that provide functionalities beyond those of orthodox building practice, such as self-repair, material accumulation and self-organization. Plants and robots work together to create a living organism that is inhabited by human beings. User-defined design objectives help to steer the directional growth of the plants, but also the system's interactions with its inhabitants determine locations where growth is prohibited or desired (e.g., partitions, windows, occupiable space). We report our plant species selection process and aspects of living architecture. A leitmotif of our project is the rich concept of braiding: braids are produced by robots from continuous material and serve as both scaffolds and initial architectural artifacts before plants take over and grow the desired architecture. We use light and hormones as attraction stimuli and far-red light as repelling stimulus to influence the plants. Applied sensors range from simple proximity sensing to detect the presence of plants to sophisticated sensing technology, such as electrophysiology and measurements of sap flow. We conclude by discussing our anticipated final demonstrator that integrates key features of flora robotica, such as the continuous growth process of architectural artifacts and self-repair of living architecture.

研究の動機と目的

• 植物とロボットの相互作用に基づく、生きた構造物を育成するバイオハイブリッド建築システムの開発。
• 編組されたロボットが生産するラフターを初期構造的フレームワークとして用いることで、継続的かつ適応的な建築的成長の実現。
• 損傷（例：窓の穴）の後、植物の再生を誘導することで、建築的製品の現場での自己修復を達成すること。
• ライブストリーミングインターフェースを通じたリモートユーザーによる植物-ロボットシステムとの社会的相互作用を可能とするプラットフォームの構築。
• 材料の蓄積、レジリエンス、環境への適応を支援する、スケーラブルで原理的根拠を持つ生きた建築のためのメソドロジーの確立。

提案手法

• ロボットが連続素材を用いて編組ラフターを生産し、植物の成長が開始する前に初期建築的フレームワークとして機能する。
• 編組構造に沿って配置された固定型ロボットノードが、局所的刺激（例：誘導に向けた可視光、排斥に向けた遠赤外光）を供給し、植物の成長方向を制御する。
• 近接センサ、電気生理学的センサ、および樹液の流れモニタを用いて、植物の反応と環境条件を追跡する。
• 仮想形態形成制御（VMC）アプローチにより、局所的および全体的な設計目標に基づき、植物-ロボット複合体の形態発達を予測・誘導する。
• Twitchチャットボットを介したユーザーインタラクションにより、リモートでロボットの形状と植物の成長パターンを制御可能にする。
• 内部の植物ダイナミクスと外部の感覚フィードバックを統合する生成的・発達的アルゴリズムをシステムに統合し、適応的成長を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型で固定されたロボットは、建築的文脈において生きた植物の方向性の成長をどのように誘導できるか？
• RQ2 どの刺激（例：光、ホルモン）が望ましい建築的形状を形成するために植物の成長を効果的に制御できるか？
• RQ3 編組されたロボットが生産するラフターは、連続的な植物成長を通じて人工的建築から生きた建築への移行を可能にするか？
• RQ4 生きた建築システムは、壁の穿孔といった構造的損傷後に自律的に自己修復できるか？
• RQ5 リモートユーザーは、リアルタイムでどのようにして植物-ロボットの成長ダイナミクスに参加・影響を与えることができるか？

主な発見

• 窓が開いた壁を穿孔した機能的デモンストレータが正常に構築され、穿孔部が植物の再生によって自律的に自己修復された。窓部は植物に覆われず、空のままであった。
• 編組ラフターの使用により、建築的発展プロセスが顕著に加速され、長期間にわたる植物成長サイクルへの依存が軽減された。
• 可視光は植物の成長を効果的に誘導するが、遠赤外光は効果的に排斥することができ、植物形態の空間的制御が可能になった。
• センサを統合したロボットノードにより、樹液の流れや電気的活動を含む植物の生理的状態をリアルタイムでモニタリング可能となった。
• Twitchチャットボットを介したリモートユーザーインタラクションにより、ロボットの形状と植物の成長パターンをリアルタイムで制御可能となり、システムに対する社会的関与が実証された。
• システムは、人間の通行検出などの環境変化に応じた動的刺激調節を通じて、継続的な建築的成長と適応的反応を示した。