[论文解读] 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 25

一句话总结

Flora Robotica 提出了一种生物混合建筑系统，通过将活体植物与分布式的固定机器人结合，利用编织支架实现自适应、自修复结构的生长。通过光照和激素刺激，机器人可实时引导植物生长，实现持续的建筑演化与现场自修复，已在具备窗户的墙体原型中得到验证，该墙体在被刺穿后能自主修复。

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.

研究动机与目标

• 开发一种生物混合建筑系统，通过植物与机器人的共生互动实现活体结构的生长。
• 通过机器人编织产生的支架作为初始结构框架，实现持续、自适应的建筑生长。
• 通过引导植物再生，实现建筑构件在受损后（如窗户孔洞）的现场自修复。
• 创建一个社交互动平台，允许远程用户通过直播界面参与植物-机器人系统。
• 建立一种可扩展、有原则的活体建筑方法论，支持材料累积、韧性增强与环境适应。

提出的方法

• 机器人使用连续材料编织支架，作为植物生长前的初始建筑框架。
• 在编织结构上部署固定机器人节点，通过靶向刺激（如可见光用于吸引，远红光用于排斥）引导植物生长方向。
• 利用接近传感器、电生理传感器及导管流速监测器，追踪植物反应与环境状况。
• 采用虚拟形态发生控制（VMC）方法，基于局部与全局设计目标，预测并引导植物-机器人复合体的形态发育。
• 通过 Twitch 聊天机器人实现用户交互，允许远程控制机器人形态与植物生长模式。
• 系统整合生成式与发育算法，结合植物内部动力学与外部感官反馈，实现自适应生长。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用分布式、固定的机器人在建筑语境中引导活体植物的定向生长？
• RQ2 哪些刺激（如光、激素）能有效引导植物生长，形成期望的建筑形态？
• RQ3 由机器人编织的支架能否通过持续的植物生长，实现从人工结构向活体建筑的过渡？
• RQ4 活体建筑系统在结构受损（如墙体被刺穿）后能否自主实现自修复？
• RQ5 如何实现远程用户与植物-机器人系统生长动态的实时互动？

主要发现

• 成功构建了一个功能演示装置，其中带窗户的墙体被刺穿后，通过引导植物再生实现自主修复，且窗户区域保持无植被覆盖。
• 使用编织支架显著加速了建筑发展进程，减少了对长期植物生长周期的依赖。
• 可见光能有效吸引植物生长，而远红光则成功实现排斥，从而实现对植物形态的空间精确控制。
• 集成传感器的机器人节点实现了对植物生理状态（包括导管流速与电活动）的实时监测。
• 通过 Twitch 聊天机器人实现的远程用户交互，可实时控制机器人形态与植物生长模式，证明了与系统的社会互动性。
• 该系统展示了持续的建筑生长，并能通过动态调节刺激实现对环境变化（如人类通行检测）的自适应响应。