[논문 리뷰] Flora robotica -- An Architectural System Combining Living Natural Plants and Distributed Robots

Heiko Hamann, Mohammad Divband Soorati외 14명|IT University Of Copenhagen (IT University of Copenhagen)|2017. 09. 13.

Plant and Biological Electrophysiology Studies참고 문헌 11인용 수 25

한 줄 요약

Flora Robotica는 살아있는 식물과 분산형이며 이동성이 없는 로봇을 융합하여, 꼬임 구조를 통해 적응형이고 자가수리 가능한 구조물을 자생적으로 성장시키는 생체하이브리드 건축 시스템을 제안한다. 빛과 호르몬 자극을 이용해 로봇이 실시간으로 식물 성장을 이끌어내어 지속적인 건축 발전과 현장에서의 자가수리를 가능하게 하였으며, 창문이 있는 벽을 가진 기능성 프로토타입을 통해 창문이 뚫린 후 자동으로 회복되는 것을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 식물과 로봇 간의 상호작용을 통해 살아있는 구조물을 자생적으로 성장시키는 생체하이브리드 건축 시스템을 개발하는 것.
• 꼬임으로 만들어진 로봇이 생산한 구조물을 초기 건축 프레임워크로 사용하여 지속적이고 적응형 건축 성장을 가능하게 하는 것.
• 손상(예: 창문 구멍) 이후 식물 재성장을 이끌어내어 건축물의 현장에서 자가수리를 실현하는 것.
• 실시간 스트리밍 인터페이스를 통해 원격 사용자가 식물-로봇 시스템과 상호작용할 수 있는 사회적 상호작용 플랫폼을 제공하는 것.
• 자재 축적, 내구성, 환경 적응을 지원하는 확장 가능하고 원칙적인 방법론을 마련하는 것.

제안 방법

• 로봇이 연속적인 재료를 사용해 꼬임 구조를 만들어내어 식물 성장 이전의 초기 건축 프레임워크로 활용한다.
• 꼬임 구조에 따라 배치된 고정형 로봇 노드가 식물 성장을 이끄는 타겟팅 자극(예: 유도를 위한 가시광선, 밀도를 줄이기 위한 적외선)을 제공한다.
• 근접 감지기, 전기생리학, 수액 흐름 모니터를 포함한 센서들이 식물 반응과 환경 조건을 추적하는 데 사용된다.
• 가상 형태발생 제어(Virtual Morphogenesis Control, VMC) 방법론을 통해 지역적 및 전반적 설계 목표를 바탕으로 식물-로봇 복합체의 형태 발달을 예측하고 이끈다.
• 사용자 상호작용은 Twitch 챗 봇을 통해 가능해져 원격에서 로봇 형태와 식물 성장 패턴을 제어할 수 있다.
• 내부 식물 역학과 외부 감각 피드백을 융합한 생성적 및 발달적 알고리즘을 통합하여 적응형 성장을 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분산형이며 이동성이 없는 로봇은 건축적 맥락에서 살아있는 식물의 방향성 성장을 어떻게 이끌 수 있는가?
• RQ2 어떤 자극(예: 빛, 호르몬)이 원하는 건축 형상을 형성하도록 식물 성장을 효과적으로 이끄는가?
• RQ3 꼬임으로 만들어진 로봇이 생산한 구조물은 지속적인 식물 성장을 통해 인공 구조에서 살아있는 구조로의 전환을 가능하게 하는가?
• RQ4 살아있는 건축 시스템은 벽이 뚫리는 등의 구조적 손상 후 자동으로 자가수리를 할 수 있는가?
• RQ5 원격 사용자는 실시간으로 어떻게 식물-로봇 성장 역학에 상호작용하고 영향을 줄 수 있는가?

주요 결과

• 창문이 있는 벽이 뚫린 기능성 프로토타입이 성공적으로 제작되었으며, 식물 재성장을 이끌어내어 자동으로 자가수리되었고, 창문 영역은 식물이 자라지 않도록 유지되었다.
• 꼬임 구조의 사용은 건축 발전 과정을 크게 가속화하여 장기적인 식물 성장 주기에 의존하는 데서 벗어나게 하였다.
• 가시광선은 식물 성장을 효과적으로 유도하고, 적외선은 성장을 효과적으로 억제하여 식물 형태의 정밀한 공간 제어가 가능하였다.
• 센서를 통합한 로봇 노드는 수액 흐름과 전기 활동을 포함한 식물 생리 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있었다.
• Twitch 챗 봇을 통한 원격 사용자 상호작용을 통해 로봇 형태와 식물 성장 패턴을 실시간으로 제어할 수 있었으며, 시스템에 대한 사회적 참여를 입증하였다.
• 시스템은 인간의 통과 감지와 같은 환경 변화에 대해 동적 자극 조절을 통해 지속적인 건축 성장과 적응 반응을 보였다.