今天我站在這裡，是作為一個建築師（而非一個社會學家或是經濟學家）來向大家分享我的作品。對於「未來」這個話題，我想要從一些非常具體細緻的角度切入，而不是就建築的未來泛泛而談。我所關注的是數字化對今天大範圍的影響力，特別是數字化建造技術在建築設計和建造上的應用。我認為在建築的文化語境中，需要與機器發生更直接和深入的對話。這樣的對話不僅僅可以避免建築師在將至的建造結構性變革中被排除在外，更重要的一點是這也可以幫助我們探索建築師與機器互動的動機和初衷：人機協作將拓寬建造的領域，最終會幫助建築師設計並建造出許多若不藉助機器將無法實現的作品。在今天的講座中我將分享一些我們團隊同時在ETH和ETH在新加坡的「未來城市實驗室」所做的研究。

「數字物質化」（Digital Materiality）這一概念是貫穿我們研究始末的核心。這一概念的產生來自建造中對「虛擬數據」和「實體物質」二者的結合。我們認為對於建築來說，最重要的是其物質性。在當下的數字化設計時代中，依賴計算機技術有太多的數字設計工具可以幫助設計師創建出虛擬的數字作品——但是我們考慮的事情是如何將虛擬的數字設計轉換為實實在在的物體被建造出來。如果能建立一個系統，將虛擬和真實聯結起來，那將會是非常令人激動的成果。有一個自相矛盾的事實是：在這個所有實際事物都要試圖數字化的當下，建築所關注的重點卻是如何從虛擬數據轉變為實實在在的物質。我們目睹許許多多在第二數字時代背景下，對於表現數據和物質、數字設計和數控建造間關聯的設計作品，並且認為，在建築的語境中，只有物質才能證明數據的存在。

為了探索這一糾結在數據和物質之間的現象，ETH在2005年成立了研究小組，旨在探索在這種被稱為「數字物質化」背景下的數字建造如何實現。當時，一臺特殊的工業機器人可以說是本研究小組的核心組成，這臺靈活強健又可靠機器人徹底地改變了工業製造的邏輯。在傳統的建築建造中，人力建造所佔的比重非常大，而機械臂的介入則讓我們重新思考了人類和機械之間的關係。

我們研究小組在數字化設計變革時代中一直致力於將物質建造和數字設計緊密結合，所以在我們接下來將要和大家分享的作品中，如何處理「虛擬數據」和「實體物質」的關係便成了我們研究的基礎，也構成了我們研究組的世界觀。希望這些作品可以為大家闡述我們質問和思考的過程，而不是單純地展示一個設計結果。

PART1: NO ROBOT

數字設計的傳統沿革

這個項目是一個可以藉助手機進行設計的桌子。在這個過程中不涉及複雜的技術，更像是一個基於用戶喜好生形的設計遊戲。在這個設計界面中，你只需要動動手指，通過輸入桌子的幾個模擬受力點，就可以得到表面開洞的桌子形態，並且可以設定其顏色和材質，最後使用者可以得到一系列的建造數據。這些數據非常簡單直觀，每個數字都對應著其相應的建造數據。僅僅利用這些簡單的數據，就可以在我們的設計系統裏模擬出造型複雜的形態。接著在把這些數據導入給數控加工機器，一張形態複雜的桌子便應運而生。

在這個案子中大家可以直觀地看到，我們將數據轉化成材質，將虛擬轉化為物質，將低解析度的老手機轉化成直接指導建造的工具。當然，在光怪陸離的手機應用蓬勃發展的今天，當年的技術看起來非常過時，而且這種破洞的桌子本身也是個很有問題的設計，甚至都不是由專業的設計師完成的——這的確一些玩世不恭的諷刺意味。不過這個項目也非常明確地表明瞭由於數字製造技術的引入而帶來的開創性的製造範式。

【Interference Cube】

{Prototypical Space Unit2003/Industry partner:CNC Dynamix / Jura Cement / Wey Elementbau}

這個設計從外觀上看上去就是一個水泥立方體，2.3m立方，重達7噸——當然這些僅僅都是它的物質屬性。我們的重點是用程序和數據設計其內部表面。在做這個設計之前我們在思考，既然我們是在計算機的坐標體系下設計空間和裝飾，為什麼我們還要拘泥於平面和剖面的設計和繪製？受限於基於平面的設計體系，我們無法輕易完成複雜造型的建造。

在這個研究中我們建立了一種「空間化」的設計體系，將一些連續的平面幾何形映射到立方體內部這五個面上。這種像是聲波的圖像或是洋蔥的紋理的平面幾何信息是連續的。隨後我們利用銑削工具頭加工出深度只有8mm紋理的水泥板，但就是這淺淺的紋理便創造出神奇的視覺效果。當你看著這些表面的時候你甚至會分不清這個圖案究儘是平面的還是實體的。這也是我們引發我們興趣的一點疑問：虛無和實體的關係是否可以共存？僅僅由一些簡單淺薄的紋理便產生了驚艷的效果，以至於人們不得不通過觸碰來判斷這究竟是數字圖像還是真實物體。有趣的是人們也只能通過觸摸來感受並定義物質。

PART2: WITH ROBOT

數字變革的人機時代

現在我們進入第二部分——關於機械臂登場之後的一系列思考。在2005年之前，我們還在做著非常傳統的設計，那時候機器人在建築設計和建造中並沒有大規模地普及。機器人的世界對建築界來說充滿未知：我們不瞭解它們的性能和潛力，不知道在建造中如何運用它們。下圖中這個工作站是我們在2006年建立的，當這個龐然大物已經入駐ETH實驗室的時候，我們還在思考用機器人究竟做些什麼。實話說我們當時並沒有做好基於機械臂建造的結構研究和幾何研究，我們一直以來所做的研究和設計也並未跳出傳統技藝的圈子，但畢竟ETH多年來一直致力於各行各業的新技術改革，另外迫於學校經費和研究計劃的壓力（笑），我們只能硬著頭皮去研究和機器人相處的模式。

回顧幾年前的機器人，我們發現它們都是些功能很專一化的機械：銑削機就只負責平面銑削，並且又精準又快速，但從另一方面考慮這也是它的侷限所在。像機械臂這樣的機器人用在工業製造上也已經有50多年的歷史了，最先出現在汽車的製造加工流水線上。通常所見的機械臂都是由六個電機組成的（又稱六軸機械臂），模擬人手臂關節的運動規律，只要用程序將機械臂運動過程中經過的所有空間點轉換為坐標，再輸入給實際中的機械臂，就可以用機械臂完成所有空間中複雜的運動軌跡，甚至超越了人類所能及的活動範圍。藉由此特質，只要給它們配置不同的機械工具頭（就好比給人類的手臂「安裝」上功能不同的手）機械臂就能製造出任意憑藉人工很難實現的作品——只用一臺機器，便能實現多種建造功能。機械臂作為一臺「機器人」完全不具備智慧，它只是設計師的新手臂，它將如何創造奇蹟完全取決於設計師的大腦，而設計師天馬行空的想像力又必須依賴機械臂的運動和定位能力來實現——這就是機械臂與設計師互動的魅力所在。

這種工業製造技術在建造領域帶來了前所未有的可能性，也在時時刻刻挑戰著我們的創造力；思考如何更好地實現人機互動，也成為我們一直以來研究的熱情。基於此，我們在ETH持續開設了多年藉助機械臂設計和建造的數字化教學課程，和學生們一起探討機械臂在建造中的可能性。

【research about walls】

【The Oblique Hole】【The Perforated Wall】【The Dissolved Wall】

在研究的前期我們從比較簡單的幾何體著手，探討了「機械鑽孔」技術在不同材質和不同場景下運用的可能性。我們從「牆」這一建築元素著手研究。

The Oblique Hole這個案例中我們要求學生用機械臂在一個不規則多面體上鑽出2000多個隨機生成的傾斜孔洞——顯然這個數量級的數據信息不能用傳統的CAD來完成，因此我們開發了自己的演算法工具。我們首先對整個多面體進行數據建模，然後利用幾何信息進行密度分配，在離體心距離遠的面上孔洞分佈密度高，反之則密度低。另一個設計工具可以讓學生自由設置孔洞的傾斜朝向。他們還可以通過孔洞的拓撲特徵，例如孔洞相對於多面體的邊或角的位置，來設定密度分佈和傾斜朝向的邏輯規則。

The Perforated Wall這個案例是我們第二年課程的研究。我們使用的數字製造方法並不依賴於重複均勻網格，因此可以生成有高度差異化穿孔的牆壁。由於可以對各個孔洞的開口和側面進行成形，因此牆的正面和反面可以呈現不同的樣貌。由於孔洞的角度，在不同的視角將會獲得不同的透視效果。將開口的取向漸變，牆上將形成一個個透視區域，其形狀和透視度會隨著觀察者的移動而連續平穩地變化，從而獲得一種靈動且富有況味的視覺體驗。

這個項目中，我們研究了在建築等比模型立面下穿孔的光影效果。我們向聚苯乙烯製成的模具中澆築混凝土，最終設計出了兩面穿孔牆。一個孔洞可以通過四個參數來控制：孔洞位置，與牆面傾斜的角度，孔洞自身旋度，以及孔洞大小。它們在牆上的分佈可以全局吸引力和排斥力來編程設計;同時一個動態系統負責將兩面的孔相互對準，避免重疊；傾斜角度和孔的大小通過數字圖像文件的顏色值來控制。這些演算法工具為學生提供了直觀的設計路線，並用於幫助他們自己對分佈和定向邏輯進行編程。

基於前幾年的研究結果，我們又深入談論了孔洞開孔的可能性。The Dissolved Wall 案例的特殊之處在於我們不但可以將孔洞做成任意的不規則形狀，同時孔洞的側壁是塑性變形的。首先使用演算法工具，將一個個點分配在牆的表面上，基於這些點用Voronoi圖的數學方法對牆面進行多邊形分割，把這些分割映射到牆的兩側並相互連通，產生一個2.5維的網格結構。通過在牆壁的正面和背面移動配置點，可以使孔洞的側壁變形，從而改變整個幕牆的結構。

基於上述成果，隨後幾年的研究重點落在瞭如何在真實建築尺度下研究材料和空間的關係——因為還從來沒有研究將機械臂用於等比建築元素的建造上。基於不同的建築材質，像是實體砌塊或是塑性增材水泥，我們利用不同的機械頭與建造邏輯，得到一些對實際建造有前瞻性的研究成果。

【The Programmed Wall】

在機械臂砌牆的研究項目中，我們利用一些對於專業程序員來說很簡單的不超過二十行的代碼，用到的語言結構也是簡單的循環邏輯；在結合了設計以後，這些簡單的代碼就可以創造出複雜的效果。在計算機模擬中，空間的磚塊的位置轉換成機械臂可以讀取的特定代碼，利用我們特別設計的磚塊抓手工具頭和配合運磚的傳送帶實現了從編碼到實體牆面的轉譯。在編碼磚牆中的每一塊磚頭的位置屬性都是可以被程序控制的。砌牆這一古老的工匠技藝因為機械臂的介入而變得充滿可能性，這也是我們覺得很有趣的地方，即傳統的建築元素和施工工藝如何在新技術的介入下變得煥發生機。新的技術改變傳統的建材的建造形式，而充滿創意的設計藉助新的形式得以實現。這使我們得以重新思考建築材質在數字設計中所扮演的前所未有的全新角色。在我們之後的研究作品The Resolution Wall 中，我們利用了不同的砌築邏輯和不同尺寸的正方體砌塊，重新編碼出與單一尺寸數字化磚牆所不同的結果。當然為了配合全新的設計邏輯，我們應用的工具頭也做了相應的更新。

【Winery Gantenbein】

最初的設計提出了一個簡單的填充磚塊的混凝土骨架：磚石作為溫度緩衝區，並可以為後面的發酵室過濾陽光。磚塊被錯落堆砌，日光透過磚塊之間的空隙射入大廳，排除對發酵有不利影響的日光直射。

ETH開發的機器人能夠按照規定的角度和精確的時間間隔堆砌20,000個磚塊中的每一塊。這使我們的牆壁設計在考慮光線和透氣性的同時，可以構建整個建築立面的圖案。根據磚塊所設置的角度，每個磚塊各自反射光線並因此呈現不同程度的亮度；與計算機屏幕上的像素相似，它們合起來會形成鮮明的圖像，用於傳達葡萄莊園的身份。

我們的設計使得葡萄園立面看起來像一個裝滿葡萄的巨大籃子。牆壁的觀感由磚石的堅硬厚重在遠距離溶解成紡織物般的輕盈柔軟。觀察者沉浸在這樣一種視覺欺騙帶來的趣味體驗中，會驚訝於其稜角與弧度、堅硬與柔軟、二維與三維、凝固與動態的統一。

為了創建立面，我們設計了一個生成過程。我們將混凝土框架結構解釋為一個籃子，並填充了不同直徑的抽象超大葡萄；用計算機模擬重力，使葡萄落入這個虛擬籃子中，直到它被完全填充；然後，我們利用牆壁的壓力數據轉換為單個磚塊的旋轉角度。

為了創建立面，我們設計了一個生成過程。我們將混凝土框架結構解釋為一個籃子，並填充了不同直徑的抽象超大葡萄；用計算機模擬重力，使葡萄落入這個虛擬籃子中，直到它被完全填充；然後，我們利用牆壁的壓力數據轉換為單個磚塊的旋轉角度。

立面肌理生形物理模擬過程

預製磚牆機械臂建造過程

【Foam】

通過多年的研究，我們藉助機械臂建造技術從研究到實踐建構了比較成熟的砌塊建造系統。下面這個研究項目就是基於增材建築材質的機械臂加工技術。

在傳統的技術中，混合和擠出增材反應試劑的過程是很髒的，同時藉助人力完成的實物加工也不恨可靠。因為我們試圖將機械臂加入到材質擠出的過程中。工具頭的擠出路徑由簡單的平面幾何控制，通過層積列印的方式進行高度堆積。不管是之前提到的砌築還是層積列印，都需要依據物理重力法則編寫機械臂自下而上的工作路徑。在特定的幾何路徑中我們還需要用程序告訴機械臂從哪裡開始和結束，運動的速度是多少，在增材建造中改變這兩點控制因素就能得到不同的結果。當用不用的幾何路徑控制列印頭的層積方式，也會得到一些很有趣的結果。這種稠狀的增形材質的特殊材質屬性讓建造的過程充滿了不可控性，得到的結果隨意得常出乎意料。但是這個過程卻成為了一種設計結果反饋於設計的必不可少的一步。通過列印結果我們能夠充分了解材質的屬性，並在路徑優化中得到直觀的經驗。

研究至此我們發現，在整個過程中只有路徑、溫度、速度和材料屬性是確定的，但最終的形體卻會產生一些自由不受控制的異變。有趣的一點也恰恰在於此：我們利用相同的列印參數進行多次實驗所得出的最終形體彼此間略有差異，但都大致相似。這種自由形態背後的建造邏輯依舊在一定程度上控制了設計的走向。看似沒有規律的形態其實是在控制之下的意外產物，這樣的思考讓我們在結束這個研究後依然回味無窮。

機械臂增材列印過程

PART3: CYBORG—HUMAN & ROBOT

人機共生的未來

我們的研究小組在近五年有了更多令人振奮的成果。在機器人的選用上，我們利用龍門鋼架增加了機械臂的活動軸，使其可以適應更複雜的空間造型和更大的尺寸；藉助無人機和感測器等新技術，讓建造的過程和結果直接反饋於設計。機器曾經在建造中短暫地代替人工，但是我們在後期的研究中發現，人在這一過程中應當扮演著更重要的角色。設計師的大腦是賦予機器人智慧的關鍵，在未來的研究中我們也會更多地關注於人類如何更直接地參與到機器人建造的控制和決策中。

機器人介入下的傳統建築行業將發生巨大的變革，重複的人工勞動將被更靈活且功能複合的小型機器人取代。在新型建造模式的基礎上，建築構造和材料使用也會發生相應的改變，以適應於升級後的建造系統。在近幾年的研究中，我們也在持續關注建築材料和結構如何在更大的機器製造尺度下發揮全新的可能性，致力於建立一種數字時代之上基於信息數據的建造方法，增加設計精度並降低建築建造成本。

從二十一世紀初到當下，我們經歷了數字時代變革的不同階段。建築師和機器的關係也發生著本質的變化。總結以上內容，我們可以將數字時代中基於機器技術的「數字物質化」理念歸結為五點：

1.Generic Machines

在人機共生的未來，我們可以改裝現有的機械設備，例如給他們裝上感測器，讓它們自己在其行動的過程中實時予以自我反饋和調整；

2.Complementary

思考機器與人如何實現技術互補和建造協同；

3.Rethinking Construction

基於數字化建造，我們可以重新考慮架構在機器建造之上的生形邏輯和加工方式，並利用預製構件的方法實現複雜的造型；

4.Design of Processes

在未來可以確定的一點是數字化設計更多的是在設計一種生形過程而並非形式本身，這為設計結果帶來更多的可能性；

5.Material Sensuality

最後我們需要注意是，數字設計不僅提出了一種基於理性和邏輯的設計思考，同樣也需要我們有物質意識，轉換數字形式為實際物質，纔有其建築語境中的價值。

藉由以上五點，建築師對於技術的思考便歸結到一種文化的層面。科技革命讓我們所處的世界日新月異，如果我們在技術的變革中放棄了思考和嘗試，那麼我們建築師便失去了創造未來的機會。

講座地址：

1.Digital Materiality in Architecture

https://www.youtube.com/watch?v=Uwr2TkRugtg&t=367s

2.Digital Materiality

https://www.youtube.com/watch?v=fjTsenZVhXI

文中所有圖片均來自講座和網路

END

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Gradual Assemblies - A Summer Pavilion for the Istituto Svizzero項目是在羅馬瑞士中心原歷史保護建築的屋頂上加蓋一個可以提供交流和展覽活動的臨時展廊。從節點設計到形態生成、從結構單元測試到建造拼裝所有過程在九個星期的時間內完成。這個設計探討的是「衍生」過程，是節點產生單元、單元產生整體形態和建築空間以及三者互相影響不斷調整的迭代過程。整個展廊完全由松木杆件組成，節點處由直徑24mm的圓截面木榫成角度插接。機械手臂的建造是這個項目最重要的和工作量最大的一部分。設計確定後將每一根木樑和每一個連接桿空間坐標數據發送給機械機械手臂，機械臂負責拾取桿件空間定位和打孔。三個星期完成機械手臂建造，兩個星期完成現場手工拼裝。最後利用GPS系統對手臂建造的單元掃描並與計算機模型進行比對，最終結果顯示在一個單元內手臂的建造精度整體誤差基本為零，局部懸挑過長的木樑誤差可控制在17mm內。

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