Os experimentos de John Frazer e o processo de design generativo.

Guilherme Henrique Minoru YamajiInstituto de Arquitetura e Urbanismo, Universidade de São Paulo

São Carlos, São Paulo. Brasil.

Abstract

Este artigo propõe uma breve visão de alguns experimentos de John Frazer, denominado em seu livro “Evolutionary Architecture”. Os processos de projeto, com início da primeira era digital, vem se desenvolvendo para processos de design que exigem maior cognição das relações da arquitetura com o meio social e o seu entorno. Uma visão de cibernética é parte deste artigo como uma forma de entender tal processo transdiciplinar, exemplificado pelo experimento do pesquisador britânico da Architectural Association School de Londres, John Frazer. Espera se que os estudos de caso do presente artigo possam servir para melhor entendimento do método de design, por meio de interações e mediações computacionais, assim como o entendimento do processo.

Palavras Chaves: processo de design, design generativo, arquitetura evolutiva.

Paper type: Estudo de caso.

Sobre Evolutionary Architecture - John Frazer

O livro de John Frazer, Evolutionary Architeture, procura investigar a formas de processos de geração de forma na arquitetura, propõe estudos de morfogênese inspirada nos fenômenos naturais para gerar formas que podem ser aplicadas na arquitetura. Com o intuito de reproduzir o processo de evolução natural, através de meios digitais, como um meio de interação responsiva para a arquitetura e ambiente. Considera a arquitetura como uma forma de vida artificial, subjetiva como a Natureza, para os princípios morfogênicos, de codificação genética, reprodução e seleção. O intuito da arquitetura evolutiva é alcançar, no ambiente construído, o comportamento simbólico e de equilíbrio metabólico, característicos do ambiente natural (FRAZER, 1995).

A concepção das idéias arquitetônicas se fazem através de processos cognitivos, um processo mental do arquiteto e das informações que recebem. O processo criativo, mediado pelo computador, são expressos em regras generativas, em linguagem genética de códigos e scripts, de forma rápida, já que os modelos são gerados e testados em plataforma de dados computacionais. A simulação de performance, no ambiente proposto, produz uma série de passos evolutivos, gerados em um curto espaço de tempo, com resultados inesperados, as vezes não pensados pelo arquiteto (FRAZER, 1995).

Para atingir tais resultados, é considerado a forma estrutural abstraída em dados codificados, tecnicamente conhecidos como algoritmos genéticos, quão desfavoráveis (e favoráveis) os critérios são descritos, como operam para seleção, como os processos morfológicos e metabólicos servem como mediação para interação da forma construída e seu ambiente. Uma vez estabelecido esses critérios, o computador é utilizado não apenas como uma ferramenta de modelagem e visualização, mas como um processo de design generativo e evolutivo (FRAZER, 1995).

Para entender o processo de uma arquitetura evolutiva, cabe compreender conceitos que envolvem analogias a fenômenos científicos, biológicos e relacioná-los a um contexto mais amplo de conceitos de cibernética, complexidade e teoria do caos (FRAZER, 1995).

Frazer divide deu estudo em seções que descrevem a criação e implementação de ferramentas para auxiliar o desenvolvimento dos modelos a serem testados. Em seguida, estabelece uma proposição teórica que descreve uma maneira possível de atingir tais princípios discutidos. De forma geral, o livro descreve o campo emergente de genética voltada a arquitetura, uma exploração de um possível futuro, baseado em um design de vida artificial, evoluindo de forma harmônica através de interações naturais e sociais.

De forma geral, Frazer discorre em seus estudos a criação e implementação de ferramentas para auxiliar o processo dos modelos a serem testados e estabelece um proposição

teórica de possíveis maneiras para atingir tais princípios discutidos, bem como o campo de estudo de genética voltada para arquitetura, com explorações para possibilidades futuras, baseados em um design que evolui de forma harmônica através de interações naturais e sociais (FRAZER, 1995).

Na arquitetura, embora o processo de se fazer analogias de elementos encontrados na Natureza, como justificativas para inspiração, seja aplicada comumente de forma simbólica, Frazer (1995) discute tal processo evolutivo como forma cognitiva e análoga de códigos e scripts genéticos, abstraídos de morfologia e elementos naturais, não apenas como meio de inspiração simbólica, análoga, metafórica de sua forma. Ou seja, a Natureza se torna fonte de inspiração, para a arquitetura, quando pretende se entender a lógica interna do processo morfológico. Afirma ainda que o ambiente construído pelo homem é uma parte principal do ecossistema global e que homem e Natureza compartilham dos mesmos recursos para edifícios.

Na década de 1920’, arquitetos como Sullivan, Wright e Le Corbusier se inspiravam fazendo analogias biológicas e se preocupavam com os conceitos de organicidade em suas obras. Em contrapartida, o conceito de arquitetura evolutiva faz analogia a códigos scripts genéticos abstraídos da Natureza, gerando um resultado onde a forma é codificada a partir de tal analogia. (FRAZER, 1995)

Ao que se diz respeito do design, o mesmo pode ter diferentes conotações. Para os arquitetos, parece claro as nossas intenções, durante o processo de design, porém os resultados finais do processo de criação parecem não são claros. Os métodos de design tradicional e o desconhecimento do produto final resultado de uma preocupação com o controle total sobre todo o processo. Contudo, o aproveitamento de algumas qualidades do processo de design que se baseia nos fenômenos Naturais podem trazer uma melhoria significante no entorno construído (FRAZER, 1995).

Ecossistemas naturais possuem estruturas biológicas complexas como: a reciclagem dos materiais, permissividade de adaptação e uso eficiente de energia com o mínimo de esforço possível. Em contraste, o ambiente construído pelo homem se coloca como incompleto e em oposição a complexidade que existe nas estruturas biológicas. A possível solução para tais problemas ambientais se encontra em uma compreensão holística de estruturas Naturais (FRAZER, 1995).

Frazer (1995) também coloca o modelo da arquitetura como algo que deveria se comportar de forma responsiva ao entorno, se auto organização e subsequentemente que pudesse evoluir. Brodey, W. M. (1967), citado por Frazer (1995), introduz o conceito de “Arquitetura Flexível” (Soft Architecture), também citada por Nicholas Negroponte (1970), em seu

livro “The Architecture Machine”, que sugere que o processo de design considerado evolucionário pode ser interpretado como uma “máquina” com capacidade de se educar na capacidade de resiliência e crescimento.

No que diz respeito ao uso do computador, no processo de design, Frazer (1995) coloca o mesmo como um meio para obter informações precisa, como um “escravo de potencial e paciência infinita”. Assim, o computador pode ser visto como um meio para fonte de inspiração e não como apenas um facilitador do processo de design, que induz a um falso senso crítico em relação a otimização do design, quando deveria ser um potencial para examinar e apurar o senso crítico do processo de design.

The Universal Constructor e experimentos anteriores

Vendo as necessidades de complexidade, embasados nos conceitos apresentados por Frazer (1995), foi necessário criar as próprias ferramentas no desenvolvimento do processo de design, como a compreensão da modelagem de estruturas computacionais, a manipulação e geração de modelos virtuais, a interface gráfica em que o mesmo é modelado, o uso de sensores para captar informações ambientais e a codificação dessas informações para serem recebidas pelo computador. Para os resultados desse processo de design, também houve um estudo da estrutura da linguagem e codificação (FRAZER, 1995), para que pudesse gerar resultados gráficos, virtuais, a partir das alterações nos experimentos propostos.

No que diz respeito a ferramenta de modelagem generativa, Frazer (1995) expões que seus modelos não são apenas ferramentas para auxílio no processo formativo, mas sim ferramentas para explicação no processo. Para isso, Frazer (1995) cita os experimentos de Alan Turing (1937) para problemas de provabilidade, “uma máquina de computação universal”, com a capacidade de conceber qualquer processo computável a partir de um conjunto de instruções lógicas em uma fita numérica. Seguindo a mesma lógica, John von Neumann desenvolveu uma base lógica de computadores em série, composta por três elementos básicos: um processador central, memória e uma unidade de controle (FRAZER, 1995). De forma análoga, porém lógica, as redes neurais de computadores, segundo Frazer (1995), simulam a capacidade do cérebro humano, através de sinapses, o processo de aprendizado e padrões de reconhecimento.

A modelagem gráfica computacional depende de uma estrutura de dados, fazendo possível as transformações geométricas que são feitas nos modelos de representação (FRAZER, 1995), como o que ocorre no sistema CAD (“computer aided design”, ou modelagem assistida por computador). Basicamente, Frazer (1995) explica a transformação de modelos em interfaces gráficas, que consistem aos comandos de escala, reflexão, rotação, translação ocorrem em eixos tridimensionais visuais. Porém, sua estrutura de dados dessas transformações consiste em uma operação lógica em listas de matrizes. Dessa forma, as transformações são resultados da multiplicação dessas listas (FRAZER, 1995).

Ao que corresponde a simetria, nas interfaces gráficas, Frazer (1995) expõe a complexidade da mesma em uma perspectiva cristalográfica, onde há vários eixos de simetria. Através de um experimento, por meio de um algoritmo que converte o código cristalográfico em operações de matriz, foi alcançado um modelo gráfico, representado por indicações tridimensionais, de 230 grupos com eixos de simetria:

Quanto ao processamento gráfico, Frazer (1995) desenvolveu, em colaboração com outros pesquisadores, um Processador de Linguagem Gráfica (Shape Processor Language, SPL), financiado a partir de uma versão comercial denominada “Power Assisted Drafiting” (PAD, 1979) e o “Autoplan” (1980), sendo o primeiro um modelador gráfico bidimensional e o segundo com capacidade tridimensional.

Como forma alternativa de design para modelagem em sua estrutura lógica de dados, a parametrização é descrita como um conjunto de grupos, com itens especificados com uma variedade de parâmetros (FRAZER, 1995). Outra aproximação ao design é denominada “Shape Grammars” (ou gramática da forma), que consiste em um conjunto de elementos e regras combinatórias especificadas com o intuito de explorar recombinações possíveis no conjunto. Ambos são utilizados para explorar as relações geométricas especificadas (FRAZER, 1995). Os experimentos posteriores foram desenvolvidos para explorar as relações lógicas entre os elementos especificados, ao invés de uma análise de coordenadas geométricas.

Com o objetivo de expandir as fronteiras da modelagem gráfica, foram construídos modelos de componentes eletrônicos, conectores e sensores capazes e ler as alterações feitas no modelos e transmitir as informações para o computador e, dessa forma, gerar um modelo virtual, com base nessas alterações. Segundo Frazer (1995), o modelo físico não é nada mais do que as relações espaciais mapeadas para gerar uma variedade de formas virtuais.

Modelo de simetria baseada em dados computacionais com 230 grupos de eixos de simetria. John Frazer e Heather Rea, assistente de pesquisa, 1990.

Em seus primeiros experimentos físicos, Frazer (1995), desenvolveu um modelo, denominado “Machine-readable”, de auto inspeção a partir de cubos que, ao serem dispostos aos seus cubos vizinhos, os mesmos são mapeados, em suas respectivas posições, e as informações são transmitidas a um controlador. Os diodos luminosos são indicativos de caminho por onde essas informações são transmitidas, indicando o processo de auto inspeção.

O próximo passo, consiste em um experimento consiste em um sistema construído em pequenos blocos a serem empilhados, para construir modelos arquitetônicos em miniatura. O resultado foi um modelo que pode ser visualizado no computador, com a possibilidade de se fazer uso do mesmo para gerar desenhos, perspectivas e cálculos. Embora limitado, tal experimento pode ser visto como uma alternativa para modelagem gráfica, a partir de componentes combinados e mapeados para uma interface gráfica (FRAZER, 1995).

Em outro experimento, denominado “The Generator Project”, consiste em um modelo que pode ser recombinando em uma interface base que permitia ao cliente, Gilman Paper Corporation, fazer rearranjos de acordo com as suas necessidades, tendo como base um programa desenvolvido para sugerir novos arranjos, de acordo com as alterações que foram feitas pelo

“Machine-readable”, como dispositivos de conecção. John, Julia e Peter Frazer, 1980.

Sistema miniaturizado.

cliente. Dessa forma, Frazer (1995) descreve para Cedric Price, em 1979, como uma construção “inteligente”, que pode aprender a partir das suas alterações e sugerir melhores arranjos.

Outro experimento, denominado “The Walte Segal Model”, um modelo eletrônico construído com uma interface de base que recebe componentes com informações variadas de materiais e insolação, representando componentes e situações reais de uma edificação. A disposição dos componentes é então mapeada para um controle de processamento que gera uma visualização de planta tridimensional, possibilitando obter cálculo de áreas, custos e diagrama estruturais. Como resultado, pessoas sem conhecimento de arquitetura ou computadores podem projetar uma casa pelo simples rearranjo dos painéis locados no modelo. Posteriormente o modelo foi convertido para fins educacionais, para exploração de possibilidades em situações reais (FRAZER, 1995).

Modelo eletrônico “The Generator project”. Johne Julia Frazer, como consultores de Cedric Price, 1980.

“Calbuilt kit” e “Self-Builder kit”, Stephen Brown, John Frazer, 1985.

Em 1990, em seu experimento autodenominado com mais ambicioso, Frazer (1995) denominou como “The Universal Constructor” um conjunto de cubos tridimensinais idênticos (denominado com células, pelo autor) a serem empilhados. Fazendo consideração a Von Neumann, o termo universal representa a universalidade de definições que podem ser atribuídas aos cubos, podendo ser reproduzido em qualquer escala (FRAZER, 1995).

Cada cubo do experimento contém 256 estados possíveis, identificáveis por 8 diodos luminosos (LEDs). Os mesmos podem ser mapeados e lidos como estados em qualquer condição, podendo representar formas, estruturas, condições ambientais como vento, insolação; ou até mesmo som. A base representa uma interface com disposição para 12 cubos a serem empilhados, podendo atingir uma altura ao número igual de 12 cubos. Tal disposição possibilita uma combinação de 12 x 12 x 12 x 256 possibilidades lógicas no espaço (FRAZER, 1995).

O experimento “The Universal Constructor” é um modelo de auto organização ambiental que consiste em uma placa de curcuito, que consiste na de base do modelo, definida como “landscape” e um conjunto de células, ou dispositivos, que podem ser empilhadas verticalmente em lugares específicos no modelo. Cada célula, ou unidade, possui um circuito interno e se comunica com as células vizinhas, que por sua vez, troca informações com controle de processamento de dados do modelo (FRAZER, 1995).

Cada célula possui uma identificação própria, codificada, que pode ser vista pelos LEDs (diodo luminoso) em cada unidade. O sistema reconhece a localização de cada unidade do modelo e troca informações com qualquer um que estiver interagindo com o modelo, possibilitando experimentações: células podem ser adicionadas e retiradas do modelo, conectando e desconectando as unidades. Quando um dos diodos cintila uma única vez, significa “retirar”, ao passo que quando há dois diodos cintilando, significa “empilhar um cubo”. Qualquer

Unidade de células e o modelo “The Universal Constructor”, com monitor para representação digital gráfica do experimento , Frazer, 1995.

mudança no modelo é mapeado para um visualizador gráfico, visto através de um monitor acoplado, representado por diferenciação de cores ou transformações geométricas.

Em um experimento típico, o sistema requisitaria para o interagente configurar um ambiente de acordo com as células estados diferentes. Porém, nesse experimento, fazendo se uso de dispositivos luminosos, o modelo propõe ao interagente uma proposta de modificação, por meio da adição e remoção das unidades. Dessa maneira, o participante modifica o ambiente experimental no modelo. (Frazer, 1995, p. 49)

Modelos gerados a partir do “Universal Constructor”. Stefan Seemüller, 1991.

Uma aproximação da cibernética de R. Ashby com o experimento de J. Frazer.

No experimento de Fazer, “The Universal Constructor” se relaciona com o conceito cibernética de Wiener . O modelo “The Universal Constructor", proposto por Frazer, e sua interação com o participante representa o conceito de cibernética de Wiener, exposto por Beer, como a “comunicação e controle entre o animal (o interagente), e a máquina” (BEER, 2004). A comunicação entre o modelo e o participante acontece por meio da representação gráfica, exposta por meio de um monitor, fruto das interações de adição e subtração das unidades. Os resultados gráficos gerados pelo modelo, a comunicação com o participante, gera respostas ao interagente e possibilitando o controle de fazer as alterações no modelo, proposto pelo processamento das informações, gerados pela máquina.

E foi citado como “Kubernetes” (do grego “timoneiro”), e também como Kubernator (Governador). O que significa um sistema de governância onde o homem e/ou a máquina se comunicam e trocam informações de controle, de forma sistêmica, na esfera social, ambiental, política, científica (BEER, 2005). No experimento de Frazer, “The Universal Constructor”, o participante exerce a função de “governador” ou “timoneiro”, quando interage no experimento, fazendo as alterações com base nas respostas geradas pela pelo modelo. Além disso, a comunicação é estabelecida devido a interação e ao sistema de autopoiético estabelecido no experimento.

O experimento de John Frazer pode ser explicado através da lógica matemática de Lei de Requisitos de Variedade de Ashby (1956), que também esta por trás da lógica computacional matemática de algoritmos genéticos e na regulação de sistemas biológicos, estudado por Ashby (1956). O esquema a seguir, representa o processo para variedade:

No caso do experimento de Frazer (1995), as perturbações (D), ou alterações ocorridas na interação do participante com o modelo, gera uma resposta, através de sensores e codificação de dados computacionais. A combinação das perturbações e a resposta de estímulos no modelo, geram um processamento de informações, por meio de uma tabela, ou matriz de dados, com variáveis que sofrem um processo de referenciamento cruzado (ou crossing over), resultando em

Figura 6: D = Perturbação, R =

Resposta, T = Tabela (ou matriz) de

índices para variação, E = Resultado.

Ashby, 1956.

variações, que podem ser chamados de genes para variação e que possuem referencia no processo de cruzamento de genes, no âmbito da reprodução biológica. Por fim, no processo, os resultados (E) do experimento, ocorre mor meio da representação digital gráfica das variações dos modelos, resultantes do cruzamento de informações, geradas pelas alterações de locação das unidades, interação previamente feita pelo participante. Em outro diagrama, Ashby analisa a “Biologia Analítica” de Sommerhoff, para explicar seu diagrama para requisito de variedade:

No experimento “The Universal Constructor”, o esquema analisado por Ashby pode ser interpretado em termos de comunicação, com o ambiente, a máquina (modelo) e a interação com

o participante. A variante de comunicação inicial (CVo), que ocorre no início do processo (t0), se

gera perturbações (D) nas circunstancias ambientais (Et1) e respostas (R) no sistema (Rt1), em

segunda instância (t1) , que por sua vez gera as ocorrencias subsequentes (Gt2 ) ou resultados

gerados pelo processo, em terceira instância (t2). Dessa forma, o esquema de Sommmerhoff,

analizado por Ashby, representa uma abstração do processo matemático computacional esquematizado por Ashby. O esquema de Sommerhorf pode ser interpretado, no âmbito da comunicação entre o ambiente, a máquina e a esfera social cognitiva, da interação com os participantes do experimento.

Em última análise, o fator de controle ( C ), que são as alterações de posicionamento das unidades do experimento, é um fator resultante da interação do participante, como um estímulo cognitivo de resposta (R) para interação com o modelo.

Figura 7: Esquema de “Biologia

Analítica”, de Sommerhoff. Ashby, 1956.

Figura 8 : Análise equivalente, feita por

Ashby, do esquema de Sommerhoff. Ashby,

Figura 9: Fator de controle no processo de variação. Ashby, 1956.

Conclusão

As teorias abordas por John Frazer, no que se refere a conceitos e lógicas computacionais orientadas ao design e interação tem sido uma preocupação atual, no que diz respeito ao processo de design voltado a arquitetura. Os experimentos de J. Frazer busca uma aproximação do designer e o interlocutor com os processo de design voltado para a arquitetura, fazendo se uso da máquina como um mediador para comunicação e controle, como é definido por Wiener, em seu conceito de cibernética (BEER, St. 2004).

Parece que a interação do processo de design, incluindo o interlocutor, como agente transformador no processo, é uma preocupação atual emergente, embora possa ser vista nos experimentos de John Frazer, iniciadas nas décadas de 1980. Embora não muito explorada em modelos físicos, para o design voltado a Arquitetura, os modelos interativos, ou metadesign, são comumente vistos como experimentos em modelos de cunho artístico. Como foi visto no modelo “The Walter Segal Model”, tal experimento pode ser visto como um caso a ser repensado, com a preocupação de incluir o interlocutor ao processo de design voltado para arquitetura.

Referências

ASHBY, W. R., An Introduction to Cybernetics, London: Chapmann and Hall, 1957

BEER, St., What is cybernetics?, Kybernetes, Vol. 33 No. 3/4, 2004, pp. 853-863.

FRAZER, J. An evolutionary Architecture, London. Architectural Association, 1995

HOLLAND, J. H. Adaptation in natural and artificial systems. Ann Arbor: The University of Michigan Press, 1975.

OXMAN Rivka (2006) "Theory and Design in the First Digital Age" Design Studies, Vol. 27 No. 3 pp. 229 - 265. Disponível em: http://rivkaoxman.wix.com/rivkaoxman#!__publications. Acessado em 05/06/2015.

Sobre o autor

Guilherme Yamaji é arquiteto graduado em 2003, pela Universidade Federal do Mato Grosso do Sul, Campo Grande, Mato Grosso do Sul, Brasil.

Guilherme Yamaji pode ser contactado pelo endereço: guihmy@gmail.com