(PDF) HyperCell

6 HyperCell:  A Bio-inspired Design Framework for  Real-time Interactive Architectures “Our furniture might someday be comprised of a multitude of interconnected assemblies of robotic modules that can reconfigure themselves for a variety of desires.” Michael Fox & Miles Kemp “Liquid Architecture is an architecture that breathes, pulse, leaps as one form and ends as another…it is an architecture that opens to welcome me and closes to defend me.” Marcos Novak § 6.1 Architecture as Body = ideal conceptual principles of interactive architecture in accordance with a bio- inspired logic. 173  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC Info mRNA Regulation Switches Realtime / Reaction/ Reflection Gravity Trigger Proteins Switch Function DNA Embryo Cell Division Infancy Mature Body **Adaption **Re-Configuration **Environment Sensitive ** User Oriented Subjective Essentials Objective Factors Repeated **Design Intestion **Exterior **Self-Organization **Geometry **Interior **Programmable **Color **Bottom-up **Muti-Functions **Number **Self-Assembly FIGURE 6.1  Diagram illustrating the analog comparison as a conceptual design idea of having an “Evolving  Architecture” akin to natural growing processes. The mature architecture body would be as a human figure  ultimately interacting with the surrounding environment and additionally fulfilling the user’s demands as  functional requirements. This research believes that understanding the relationship between Interactive  Architecture and the principles of biology will become a mainstream research area in  future architectural design. Aiming towards achieving the goal of “making architecture as organic bodies”, almost all the current digital techniques in architectural design  are executed using computational simulation: digital fabrication technologies  and physical computing. Based on its’ main biological inspirations, Evolutionary  Development Biology (Evo-Devo), this research intends to propose a novel bio-inspired  design thinking wherein architecture should become analogs to the growing process  of living organisms (Figure 6.1). Instead of being born from static optimization  results most of the architecture seems content at aiming for nowadays, this research  is looking towards designing dynamic architectural bodies which can adapt to the  constantly changing environments and are thus seeking optimization in real-time. In  other words, architecture should come “alive” as a living creature in order to actively  optimize itself with respect to dynamic environmental conditions and user behavior’  requirements in real-time. Following the notion of “architecture as organic bodies”,  six major topics were derived from the publication of “New Wombs: Electric Bodies and Architectural Disorders” (Palumbo, 2000). These topics are aimed at initiating  critical discussions between body and space, which, are used here to re-interpret six  174 HyperCell TOC main traits of being an interactive architecture: Dis-measurement, Uprooting, Fluidity, Visceral Nature, Virtuality, and Sensitivity. These six topics merge diverse key points  from aforementioned chapters including outlining the vision of active interacting  architecture, the transformation of human bodies under digital culture, the profound  biological inspiration from Evo-Devo and the fundamental componential notion of  swarm, which leads to the ultimate notion of embodying organic body-like interactive  Bio-architecture. Dis-measurement: Acknowledging the premise of “architecture (technology) as an extension of human bodies” proposed by Marshall McLuhan (McLuhan, Understanding  Media: The Extensions of Man, 1964), it is, still difficult to explicitly define the  boundary of a space, especially in the context of a borderless cyberspace (the Internet).  Space in such a context expands more than ever before and thus makes traditional  measurements techniques unfeasible. With cyberspace, people can be virtually present  in different places at the same time, thus breaking existing physical boundaries of  a space. From another point of view, space as an extension of our bodies constantly  adapting to environmental conditions and user demands, creates an intimate linkage  between physical bodies and spatial bodies. Interaction in such instances can be seen  from a micro-scale: between biological cells and intelligent architectural components  to the macro-scale: between physical organic bodies and spatial bodies/architectural  space. Uprooting: Apart from further extending the “Dis-measurement” idea by directly  plugging into cyberspace (the Internet), “Uprooting” is also interpreted as adaptation  devoid of any site/location constraints. In other words, the idea of “Uprooting” implies,  generating an architecture that can adjust/modify in accordance with its existing  surroundings by interactions between its smallest intelligent components like cells in  a body searching for dynamic equilibrium. In this case, architecture has no particular  reason to be designed as “rooted” on sites. Fluidity: With the neural system inside the body, most of the messages can be  transmitted, received and sent within less than a millionth of a second. To envision  architecture as an information processor, which has abilities to react to dynamic  environmental conditions and user demands, efficient information protocols must  be built into such an organic architectural body to create seamless exterior/interior  transformations. Visceral Nature: Visceral can be interpreted in the form of an embodied organ. This  implies envisioning architecture in the form of a living-entity. It is no longer the case  of mimicking a natural form and thus claiming a building to be organic, but rather  instigates one to look deeper into the principles of a natural form’s morphogenesis    175  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC and apply these to generate a truly organic space. Through the study of Evo-Devo,  several principles will be applied to generate an interactive organic Bio-architecture.  It is thus not an organic looking shape that matters, but the principles behind the  shape, which matter. For instance, principles of self-organization, self-assembly,  and self-adaptation, providing possibilities of making body-like architectures with  multi-directional and multi-modal communications both inside out and outside in.  An intelligent architecture, should “live” in the environment just as how the body lives  with its’ Visceral Nature. Virtuality: It is impossible to talk about physical space without mentioning virtual space  nowadays. From cyberspace, augmented reality to virtual reality, “Virtuality” is related  to “interaction” since the beginning and has gradually become an inevitable aspect of  our daily lives. In fact, virtual space has to still use constraints from the physical world  to enhance experiential aspects. The ultimate goal of virtual reality here is not to end  up with a VR helmet and keep constantly being stimulated by electronic messages, but  to bring the physical to the virtual and in the process, attempt to search for a dynamic  balance between the virtual and real by merging them together. With the assistance  of virtual reality, novel unrealistic space can still be realized into creative tangible  immersive and fascinating spaces, which, earlier was not possible. Sensitivity: The notion of “architecture is an extension of human bodies”, is crucial  to embrace, if we consider enhancing the sensing abilities of the space as a body not  only externally but also internally. In a digital space, active sensing can be achieved  by attaching specific devices. In an interactive space, like an organic body, the sensing  capabilities of the space have to be fast, accurate, intuitive, and predictive. The sensing  system should thus not only work externally to sense the surrounding environment but  also internally in order to fulfill the users’ demands in time. With such a connection  between human bodies and spatial bodies, it should become relatively understandable  for the space to know the requirements of the users by means of hand gestures instead  of verbal cues. The sensitivity, in this case, should rely on local information distribution  as a bottom-up system rather than a top-down centralized demanding structure. § 6.2 The Integration of Digital Architecture = Living Interactive Architecture = New Organic Bio-Architecture In contemporary architecture, the growing fascination with formal exploration  supported by the increasing sophistication of computer aided design (CAD) software  176 HyperCell TOC has led to misuse and misinterpretation of the term organic and bio-inspired  architecture, wherein mimicking of formal attributes has taken center stage. A plethora  of form-finding algorithms are now easily accessible on-line to the young generation of  designers, who, have no idea what about the principles of morphogenesis behind such  algorithms and are thus mostly utilizing them for the sake of generating sophisticated  organic shapes. Besides Form, there should be a lot more intriguing inspiration  which can be derived from nature. For instance, while an organism is growing, the  material system actively cooperates with its structure and functional systems in an  integrated growth process, which barely takes place in architecture design, in which  construction systems are always separated as a post design attribute. Similar to the  developments in digital architecture, through bio-inspired architecture, the diversity  of individual experiments run into different paths that never converge. Therefore,  this research believes that such separated development in digital architecture should  come to an end via a convergence of digital techniques, material performance, and  fabrication methodologies in order to become performative akin to a living organism.  The former section gives a conceptual picture of how an organic body-like interactive  Bio-architecture in accordance with bio-inspired principle could be. Here, this research  attempts to point out the current developments of digital techniques in architecture  from the 3F aspects: Formation, Fabrication, and Fluidity to propose an integrated  design thinking under the premise of becoming an organic body-like Bio-architecture. Formation: As mentioned before, computational technology in digital architecture  is quite commonly utilized with the goal of form generation. Most current digital  formations within the bio-inspired domain only address shape without further  understanding the principles behind it. By following applied algorithmic or parametric  principles, the formation process is crystallized in a certain moment, resulting in static/ rigid shapes, which lose the intimate connection between the form and the dynamic  environment. A reversal of such a formation methodology can be achieved by following  D’Arcy Thompson’s (Thompson, 1992) well-known research, which proposes looking  at resulting formations in accordance with surrounding forces. This triggers form to  actively interact with the environment. In other words, the formation process using  computational technologies should not only be executed for generating an ultimate  static form, but, should be utilized to make form flexible enough for maintaining  a constant dynamic balance externally and internally between the environment  and users via real-time adaption of the form. In order to reach this state, it is thus  recommended that Form should not only follow the crucial modular/componential  idea proposed by this research but should also adhere to constraints from a fabrication  viewpoint. Fabrication: Digital Fabrication has been developed for decades, not only in the form  of using the current trend of utilizing robotic arm assisted manufacturing and 3D  177  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC printing technologies, but also earlier with conventional CNC (Computer Numeric  Control) milling and laser cutting machines. Architects are thus able to learn from  manufacturing processes and experiment with a series of design development  iteration from conceptual development till the final production stage. Most digital  fabrication projects are initiated using parametric or algorithmic design techniques  in order to become more precise and efficient regardless of them being carrying a  bio-inspired or purely fabrication focused research component. By gaining inspiration  from natural organisms, some architects have started using digital fabrication  techniques in combination with compatible material systems in order to re-create  structural principles extracted from living organisms. However, such projects mostly  tend to remain static in a so-called optimized phase, which, is in direct contrast to  how animals adapt in time. From the technical perspective, it is known that there  are physical constraints in all machines in terms of their size and applied materials.  And this particular point gives this research a perfect reason to operate at a modular  pre-fabricated alternative. Moreover, it makes it perfectly fit in the logic of all complex  living animals that are composed of single and similar elements from the biological  point of view. In this case, it is not the top-down thinking of having the holistic form  and post-subdivision of the form akin to the process of tessellation, form, in this case,  should be approached in a bottom-up fashion. In other words, each single architecture  component should have a certain degree of freedom for morphing physically together  with the chosen digital fabrication process and associated materials. Fluidity: Fluidity, is akin to focusing the argument of movements in architectures. Since  micro-controllers, such as Arduino, were invented, numerous architects have dedicated  themselves to the kinetic, dynamic, interactive space field. Quite a number of architects  took inspiration from living organisms in nature and attempted to re-generate a similar  effect in architectural design to enhance the sustainability of the buildings. However,  such mimicry was limited to certain mechanics of an animal’s movement and also  constrained the potential of the kinetic/interactive design. The crucial point here is  not literally re-presenting the reified mechanism into architectural design, but from a  bottom up observational principle of morphogenesis to study how a living organism is  built with inherent kinetic abilities. The other crucial aspect of Fluidity pertains to local  communication protocols. As a modular system like cells in a body, the communication  is set up locally between cells as a distributed system to improve the efficiency and  precision of passing messages in order to achieve their tasks. Under this premise of “following an organism’s morphogenesis principles”, it is  impossible to discuss Formation, Fabrication, and Fluidity separately, because this is  how natural organisms grow: while generating the form (formation), it is necessary to  think of how to physically fabricate and assemble the parts to achieve the overall body  and to even further consider how this ultimate form will eventually have the ability to  178 HyperCell TOC move as a living organism. At present, most bio-inspired architectural designs work  in separate ways. Regardless of developing complicated form generating processes,  or re-presenting organic structures cooperating with digital fabrication techniques, or  extracting kinetic mechanisms from animal movements, all of these developments are  in opposition to how natural organisms grow in an integrating fashion. From the bio- inspired design point of view, “Integration” should be the center stage of developing  living-creature-like architectures which take the material, fabrication, assembly, and  movement system into account as a whole. From the perspective of digital techniques  applied in architectural design’s, to build up a living-creature-like Interactive  Architecture can create an opportunity to implement digital tools and techniques in  architecture design and take them to the extreme to create a type of innovative and  authentic intelligent organic architecture for the sake of convenience, comfort, and  sustainability. § 6.3 Translating Principles from Evolutionary Development Biology to Organic Bio-Architecture Designs. Translating Useful Principles from Evolutionary Development Biology to Rules for an Organic Body-like Interactive Bio-Architectural Design Framework. Through years of exploration, digital architecture has gained vast inspiration from  nature, especially with the assistance of computational techniques. Unfortunately,  too many designers claim their projects deserve the banner of organic architecture,  owing only to the increasing sophistication of the architectural appearance which  misused the inherent meaning associated with the terminology of “Bio-Inspired” or  “Organic”. Unfortunately, this has become the current prevalent wave and has taken  the lead in the digital architecture realm. Therefore, the research attempts to take  an opposite strategy to search for useful inspirational principles from the intriguing  evolution of morphogenesis and translate them into primary design logic instead of  directly applying them only for mimicking appearances. Evolutionary Development  Biology (Evo-Devo) is the essential subject of this research owing to its contribution  to discovering how all organisms work under the condition of sharing the same gene  toolkit while still ending up as different species due to gene switches and regulation  from the embryologic phase. As mentioned at the end of Chapter 5, three major traits  have been extracted from Evo-Devo by this research, namely, “Simple to Complex”,  “Geometric Information Distribution”, and “On/Off Switch and Trigger” which will be  further translated into preliminary principles for body-like interactive architecture. 179  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures. DESIGN TASK Simple-Complex On/off Switch and Trigger Geometric Information Distribution = Componential System = Assembly Regulation = Componential System Defining the essential Developing an assembly principle by Setting up the local protocal communica- geometric components and involving on/off logic(indicate to simple tions for the local scale interactions by their transformation capabili- + or - logic) to generate different defining the input/output relationship in ty(degress of freedom) for numbers and combinations of the accordance to the performative ideas (i.e. enabling interactions. derived components to create various evironmental factors or users demands) via temporal forms of mature architectural collectively bottom-up decision making. bodies. + + + + + + + - - + + + Geometry A Geometry Trandform 1 + + + + Combination 1 Combination 2 Num: 6A + 1B Num: 8A + 1B Interactive Morphing 1 + + + + + - - Geometry Geometry B Trandform 2 + + + Combination 3 Interactive Morphing 2 Original Stage Num: 8A + 2B Componential System + Collective Intelligence + Assembly Regulation = Living Creature-like Architecture There is no certain sequence regarding the above three principles. Every aspect should be consider in parellell in a interelated manner. Holistic Interactive Architectural Body The overall mophology is created by/collected from each individual local mophologic interaction as a bottom-up embergence behavior. FIGURE 6.2  Diagram detailing the generic idea of HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive  Architectures. 180 HyperCell TOC § 6.3.1 From “Simple to Complex” to “Componential System” = Defining the basic geometric component. The principles behind the “Simple to Complex” logic of Evo-Devo can easily be  observed while studying an organism’s body parts, such as the vertebrate’s spine  structure. Each complex organic body is composed of numerous amounts of simple  and self-similar elements, which are repeated with variations in scale of the same  component. This biotic principle can be translated into a “Componential System” in  accordance with a natural bottom-up logic. Cellular and modular components with a  certain degree of differentiation should be taken as essential elements for building up  a mature architectural body akin to the cells in animal bodies. With certain physical  constraints, such as degrees of freedom of transformation, these components can  operate in a parametric fashion and be divided into different types of components to  develop cellular differentiation. In other words, it implies that with different regulations  (referring to the assembly regulation extended from the logic of On/Off Switches and  Triggers) of a parametric combination of genes, different types of components and  their performance can be defined. “Cells” should be the ideal objects to be studied,  especially while dealing with a “componential” approach. In nature, cells are the  essential element of any animal body which have basic intelligence and internal  communications, and some of them can even generate energy to support their own life  and movement. § 6.3.2 From “Geometric Information Distribution” to “Collective Intelligence” = Setting up local information protocols and individual interactive transformations. In “Geometric Information Distribution”, the emphasis is on local signal induction  outlining the manner in which cells are to be assigned different typologies alongside  diverse tasks assigned to them. Besides this, at a local level, propagating signals to  their neighboring cells akin to a distributed system instead of receiving one-to-one  assignments from a central commander, is a trait embedded in the cells. This kind of  information distribution system inside an animal body tends to be more precise and  faster in both sensing, sending, and receiving of data. Strictly following this natural  bottom-up principle from a “componential system” logic, implies any formation  process or an interactive reaction should be decided via a process of “Collective Intelligence” which takes place between the components in accordance with the sets  181  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC of parametric transformation rulesets. It is this phase wherein bottom-up information  protocols between components is set up and at the same time constraints of the  individual kinetic mechanism per component are initiated. Collective decision making & adaptation via surounding conditions evolutionary computation Collective Intelligence Physical Constrains Degree of freedom Local intelligence neighboring cells singular Cell Collective Cells Emergent Body Intelligent Interactions Local Adaptations FIGURE 6.3  Process of collective decision making through local level adaptive components to the emergent  optimized body for the information distribution idea within the logic of self-organization and swarm  intelligence. § 6.3.3 From “On/off Switch and Trigger” to “Assembly Regulation” = Specifying the rules of assembly with different degrees of freedom for kinetic transformation using simple logic. Rather than addressing production processes, while addressing the principle of  “Growth”, this research instead focuses on defining assembly logic. The morphologies  of animals are well defined by the mysterious and relatively complex layers of on/off  triggers, which result in simple output commands. The research attempts to follow a  similar, yet, simplified version of using on/off triggers to generate an assembly logic for  interactive architectures. Even with the degrees of freedom to transform, it is necessary  to define the generating rules for resulting bodies according to certain principles, which  include the on/off makeup, extracted from Evo-Devo. As the notion of all animals  sharing the same gene toolkits but only with different numbers and regulation of the  genes turns out to have a diversity of species in nature, the research tests the idea  182 HyperCell TOC of having self-similar geometric components cooperating with different numbers  and combinations of the “On/Off” regulation. Multiple resulting forms can thus be  generated according to environmental conditions or user based demands. Once the  basic geometry of the components is defined, the simple logic (on/off) can be applied  to further construct the assembly logic in this phase of design. § 6.3.4 Living Creature-like Architecture = Componential System + Collective Intelligence + Assembly Regulation In brief, this research would like to propose a design framework, “HyperCell” for  generating living organism-like interactive architecture by following the above  translation principles from the Evo-Devo Biology. The “HyperCell” design framework  works in a fashion such that the essential geometric components and their  transformation capability for enabling interactions can be defined. After this, the  simple on/off logic will be involved to develop an assembly principle to be followed  for creating different numbers and combinations of the derived components to  create various temporal forms of mature architectural bodies. Meanwhile, the local  interactions shall imply physical morphing of each constituting component via  collectively bottom-up decision making (Figure 6.2). Janie M. Benyus who coined  the term “Biomimicry” (Benyus, 1997) once stated that there are three phases of  learning from nature in order to improve our technology: imitating the form, learning  about natural processes, and getting involved with natural systems57. Since there  are a plethora of explorations which have taken place in the domain of form mimicry  in architectural design, it is now time to dig deeper into the study of the natural processes, one of the core ideas of the “HyperCell” research. Unlike most so-called  bio-inspired architectural research which focuses narrowly on the organic formation  process, HyperCell intends to focus on setting the rules/principles of generating the  architectural body in accordance with the idea that organic architecture should operate  as a living organism and thus emulate the ultimate form of the interactive architecture  (Figure 6.3). Meanwhile, the componential idea within the simple but highly- interrelated relationship of HyperCell fits perfectly with either the Swarm Behavior  principles that this research has heavily relied on, or the philosophical ideas of Deleuze  57 Janine Benyus, a biologist, who coined the term, “biomimicry”, has once stated in her TED lecture that there are  three different levels of learning from nature: one is to mimic the natural form of organisms; second is to study  and apply the natural process of organisms; the last is to fuse into the eco-system of the nature. The TED lecture  can be found here: https://www.ted.com/talks/janine_benyus_biomimicry_in_action 183  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC and Guattari’s Body Without Organs (Deleuze, G., & Guattari, F., 2003) and Gottfried  Leibniz’s Monadology (Leibniz, Monadology, 1714). All the above conceptual logics  are narrowed down into individual entities with embedded capabilities/intelligence  to set up intimate relationships in between each other and based on this intimacy,  operate as a whole, like an organic body. This is to a certain extent the ultimate goal of  this research by which, it attempts to push interactive architecture to the next level of  becoming an organic entity. Phenotype A Adaptive Mechanism Amount of Numbers Genotype I Interaction Potential Amount of Numbers N Amount of Numbers G Geometry Amount of Possibility Numbers M Material Amount Constrain of Numbers D Design Intention P Performance Property Amount of Numbers L Location Amount ofCondition Numbers E Environmental Constrain Amount of Numbers FIGURE 6.4  Diagram portraying possible DNA logic implemented in architectural design as a set of  relationships instead of parameters merely for form generation. A little reminder about the conceptual design concerning the translation of DNA. It has been observed that genetic processes and evolutionary strategies in natural  systems are easily misunderstood and misused by designers in architecture. Geometric  form-finding processes are at times deduced by considering a DNA code as a metaphor  for fixed formal attributes while completely ignoring the deeper relational processes  that exist between encoded genetic information and the resultant phenotype. This  dissertation categorically opposes the much-simplified literal translation of A-C-T-G  sequences within the DNA into datasets of spatial vertexes, edges, transformation  factors, and other geometric relationships for deriving a shape. On the contrary, the  research premise establishes that all genes in cells should unavoidably interact with  each other as a relational system in a non-linear process in order to successively grow  an organism using cellular differentiation and specialization-based tissue formation  into a holistic body. This necessitates a systematic relationship between genes as a vital  184 HyperCell TOC area of research in order to extract rules for generating information driven performative  form. In other words, the research proclaims that designers should build bottom-up  spatial formations by setting up genetic rule sets within the design process. These will  be inherited within the smallest unit of the proposed space; the spatial component  (similar to the cells in organisms). The number of such cells, their material make-up,  their communication protocols and data exchange routines (gene expression and  signal processing) while interacting with their immediate context in order to arrive at  individual cell specialization (in terms of form and ambient characteristics) result in  the generation of emergent morphological phenotypes (Figure 6.4). § 6.4 The crucial and immediate demands of developing real- time re-configuring space as a living creature = taking the users’ requirements as a fundamental variable for real-time spatial re- configuration in a proactive manner. With the development of advanced medical science and technologies, human life  extends much longer than before, which causes a population growth problem. The  population projections for 2050 show that there will be 9.2 billion people in the  world and 66 percent of the population will be staying in urban areas58, which rapidly  increase urban density and enormously influences daily lives of humans. The price of  real estate is also extremely high due to the immense spatial demands in urban areas  and the lack of equal supply of the required space, and this naturally results in various  economic and social issues. Therefore, the real-time adaptive spatial formations, which  this research proposes, will in their own smart way aim to enhance customizability and  thus enhance adaptive re-use possibilities of architectural space. In other words, this  kind of real-time re-configuring space can remove the redundancy of unused space  by only using a specific footprint of size and yet fulfill essential usability of space in  daily life. Therefore, the design experimentations with the Hypercells in this research  mainly focuses on residential space with a focus on providing early career professionals  and students with affordable smart living solutions. However, it can also serve as an  experimental case within the domotics sector in order to aid elderly people in their daily  activities via intelligent spatial adaptation. 58 Please check the United Nation’s webpage for more information about population projections for 2050: http:// www.un.org/en/development/desa/news/population/2015-report.html.   185  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC This research would like to place a major emphasis upon users demands as a major factor to be considered for real-time spatial interaction. On one hand, as the  aforementioned discussion said, it is advantageous to reduce the redundancy of  unused space but meanwhile be able to fulfill the essential requirements of the user’s.  On the other hand, “to fulfill” would mean “to customize the spatial requirements”. FIGURE 6.5  Diagram illustrating how the computer sees us from the left derived from the publication of  “Physical Computing: sensing and controlling the physical world with computers”, and on the right-hand side  exhibiting how this research would like the HyperCell components to possess essential intelligence. “The kinetics for spatial optimization systems are generally described as how systems can facilitate flexible spatial adaptability. Multifunction designs differs from spatial optimization system, because these systems specifically provide the means for a plurality of optimized states to address changing use,” as noted in “Interactive Architecture” (Fox, Michael, & Kemp, Miles, 2009) by Michael Fox and Miles  Kemp, re-defining the term “optimization” with multifunctional space from a user  centric perspective is quintessential in Interactive Architecture rather than adhering  to conventional interpretation of optimization in terms of structure or material  optimization. This reconfigurable space idea can be traced back to Cedric Price’s “Fun Palace”, which, operated as a constantly shifting structural framework in accordance  with the spatial usage of the space at that moment in time. More recently, Greg Lynn  proposed an egg-shaped housing called the RV Room59, which can be physically  rotated with electric motors to reveal different spatial configurations to fit the user’s  59 Please see Greg Lynn’s FORM website for more information about the “RV” project: http://glform.com/build- ings/rv-room-vehicle-house-prototype/. 186 HyperCell TOC spatial demands. Other solutions like Gary Chen’s transformable impact furniture  piece (Extreme Transformer Home)60 which can turn into almost all the functional  furniture imagined fitting into a single box by manually pulling, pushing or sliding…etc.  or “cityHome”61 project done by MIT Media LAB which brought Gary Chen’s manual  transformable furniture idea even further by contributing to the hi-tech developments  of Human Machine/Computer Interface with freehand gestures’ controls. In another project by Cedric Price, “Generator Project”, he stated that “…Instantaneous architectural response to a particular problem is too slow. Architecture must concern itself with the socially beneficial distortion of the environment. Like medicine it must move from the curative to the preventive (Price, 2002)”. This further gave rise to the  issue of intelligence embedded in architecture. Again, from the book “Interactive Architecture” (Fox, Michael, & Kemp, Miles, 2009) which foresaw the interesting  applications based on users’ requirements, some interesting ideas, can be further  traced; “Adaptive control methods offer a means to revolutionize plants and process efficiency responsive time, and profitability by allowing a process to be regulated by a form of rule-based artificial intelligence, without human intervention” and also  “Recently processors and sensors have shifted from strictly looking at environment conditions outside the building and performance-based aspects of the building to include predicting and reacting to information inside the building, which includes understanding and monitoring the changing needs to the users of space”. These,  illustrate not only a shift in focus from external to internal environments in interactive  architecture but also point towards a key factor; “the intelligence of the building”.  Unlike direct interpretations of developing a powerful intelligent centralized system,  following the componential system logic from biology and the agent-based swarm  behavior, this research rather relies on multiple relatively simple but intelligent entities  instead. In the publication, “Physical Computing: Sensing and Controlling the Physical World with Computers” (O’Sullivan, Dan & Igoe, Tom, 2004), there is a diagram  illustrating how a computer sees a human which has only an index finger(clicking)  with ears on both sides of the face, and an eye in the middle (Figure 6.5, left). But this  research would like to reverse this notation and thus embed each of the “HyperCell”  components with essential but crucial intelligence in order to collectively operate as a  holistic intelligent entity (Figure 6.5, right). To have no human intervention and yet to  be able to predict the changing needs of the humans inside, the space has to turn itself  into a living entity with active behavior with the aid of computational technology. 60 Please refer to https://www.youtube.com/watch?v=WB2-2j9e4co for a video regarding the “Extreme Trans- former Home” 61 Please refer to https://www.youtube.com/watch?v=f8giE7i7CAE for the video regarding cityHome. 187  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC § 6.5 A Series of Experiments with the HyperCell System: HyperCell, in this section, no longer implies a design framework for bio-inspired  interactive architecture but turns into a design project in itself, attempting to embody  intriguing principles from Evolutionary Developmental Biology. In other words, here,  the term of “HyperCell” is not only representing the methodological framework of  organic body-like interactive architecture owing to the componential system but  is also the name given to the prototyped intelligent component system. “For many applications ranging from exploring space to household cleaning, designers are moving away from figural humanoid robots to transformable systems made up of a number of smaller robots,” (Fox, Michael, & Kemp, Miles, 2009) said Michael Fox and Miles  Kemp, and this perspective almost perfectly fits in the philosophy of “what HyperCell is”. Moreover, from the same book, “Interactive Architecture”, the quote regarding  “...Current advancements in metamorphic, evolutionary, and self-assembling robot, specially dealing with the scale of the building block and the amount of intelligent responsiveness that can be embedded in these modules, are setting new standards for the construction...” indicates precisely to central notion of developing an intelligent  and transformable “robotic building block” like The HyperCell. This HyperCell research  insists on utilizing the principles extracted from the study of Evo-Devo in the following  manner: Apply the “Simple to Complex” principle to develop a modular system for the  cell, Utilize the “Geometric Information Distribution” principle to develop the idea  of collective intelligence by means of real-time communication between the cellular  components, and lastly use the principle of “On/Off Switch and Trigger” as a logic  for deriving assembly regulations of the cellular components. The HyperCell research  was initiated by aiming to begin with a small-scale idea but having a big impact  via a transformable spatial system in the form of a furniture system; the HyperCell furniture. As a transformable block with certain degrees of freedom, it allows users to  initiate diverse functions by combining a different number of Hypercells together and  customizing different nature of the output. These re-configurable functional variations  can fulfill the essential user demands throughout time. At another level, these  components can also be seen as agents of a swarm keeping constantly regulating their  emerging shapes by shifting their positions in order to achieve dynamically occurring  goals. In the following sub-sections, this research proposes the possibilities of using  the HyperCell furniture system and emphasizes upon its development owing to its  basic geometric principles, the technical protocols via a series of experiments catering  to varied experiential tasks. Once again, the HyperCell components here are not  exhibited as the ultimate solution but rather provide a potential possibility to stimulate  the development of similar design ideas. 188 HyperCell TOC § 6.5.1 HyperCell62 Geometric Principles and technical interpretation: perpendicular bisector True-True-True True-False-True T T AXIS Axis T F T T A B C D Basic Element Shape Mirror Function Mirror Function True-False Connection ( True ) ( False ) FIGURE 6.6  A) Degrees of freedom in terms of dimensions. B) True mirror function. C) False mirror function. D)  An Example of True & False regulation between cells. The fundamental geometry chosen here is a regular “Hexahedral(cubic)” shape, which,  in real-time adapts and transforms its geometrical shape in response to contextual  factors and user-based activity requirements to generate feasible topologies. The  initial research phase employs a 2-dimensional quadrangle-based structure as the  fundamental element of the HyperCells. From a parametric design point of view, the  coordination and controls of the constituting four vertices of a single quadrangle shape  contribute towards attaining geometric variability and transformation possibilities for  the HyperCells (Figure 6.6A). In other words, different lengths of a basic quadrangular  element’s edges (= basic componential module) define a repeated geometric shape  in order to compose a HyperCell by following the “mirror” geometric transformational  function. The mirror function in the mathematical definition is called a reflection  transformation based on a mirror (a line for 2D space or a plane for 3D space as an axis  of reflection) to map a specific figure to its opposite position creating symmetry. In this  62 Please refer to the following papers of the authors for more detailed information: Biloria, Nimish & Chang, Jia-Rey. (2012). HyperCell: A Bio-Inspired Information Design Framework for Real-Time Adaptive  Spatial Components. Proceedings of the 30th eCAADe Conference (pp. 573-581). Prague: eCAADe and Czech  Technical University in Prague, Faculty of Architecture. (http://papers.cumincad.org/cgi-bin/works/Show?e- caade2012_5) Biloria, Nimish & Chang, Jia-Rey. (2013). Hyper-Morphology: Experimentations with bio-inspired design processes for adaptive  spatial re-use. Proceedings of the eCAADe Conference Volume No.1, 2013 (TU Delft) (pp. 529-538). Delft:  eCAADe and Faculty of Architecture, Delft University of Technology. (http://papers.cumincad.org/cgi-bin/ works/Show?ecaade2013_023) 189  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC research, two different mirror functions have been applied as “True and False” logic  while composing the HyperCell organ as their gene switch (= assembly regulation). The “True mirror function” adheres to the general reflection idea to create a symmetric  figure based on one of the original quadrangle’s edges (Figure 6.6B). The “False mirror  function” adds one step after getting the reflected figure by the True mirror function.  Instead of using the quadrangle’s edge as an axis of reflection, the “False mirror  function” makes another reflection based on the first reflected shape’s perpendicular  bisector (Figure 6.6C). This “True and False” combination logic is a crucial mechanism  of forming a single HyperCell component by connecting the quadrangular cells  together. This can be interfaced with the switch and trigger mechanism derived  from Evo-Devo Biology: for example, if we connect four quadrangular HyperCells components, first we have to decide the True or False sequence, such as TTT or TFT (T  = True and F = False) as the connecting regulation between cells (Figure 6.6D). This  simple regulation of True and False (= On/Off switch) sets up the basic formation of  the HyperBody parts similar to the gene switches controlling the regulation process  of living creatures, which define their body parts. Besides this, it strictly follows the  fundamental critical logic that all animals share the same gene toolkits, but within the  variation of combination numbers and regulation, it is allowed to form different animal  forms. This idea has been translated by taking each hexahedral (cubic) HyperCell as the basic element and the TF logic as a gene switch re-configuring to generate different  body parts or even diverse holistic HyperBodies composed of HyperCells. But how these  HyperCells know what types and tasks they will eventually perform, operates pursuant  to the “local protocol” under collective intelligence which makes the idea achievable. This collective decision-making protocol triggers numerous autonomous components  (HyperCells) with material limitation driven local degrees of freedom referring  back to cells in an organism. Based on local adaptation routines stored within each  component’s DNA, efficient negotiation scenarios between immediate neighboring  components are structured in order to collectively decipher performative morphologies  in accordance with user requirements as regards the activities they wish to perform.  This collective decision-making scenario applies to diverse set-up of the components  with differing material and geometric make-up in the form of variable gene regulation  akin to cellular differentiation mechanisms in the natural world. In other words,  instead of a centralized command, through the local communication protocol,  within physical constraints of the HyperCells, the HyperCells will either change their  assembly regulation or make new transforming mechanisms and evolve a new global  morphology bottom up. Particularly in this case, once a specific quadrangular cell gets  its dimensional information from the system to change one of its edge’s lengths, it will  pass this information to its neighboring cells in order to do the same transformation  so that the overall HyperCell components can make different bending formations in  190 HyperCell TOC real time for different usages. This data transmission is related to the information  distribution between cells. Furthermore, by extruding the 2D quadrangular cells of  particular lengths as 3D-Hexahedral elements, the transformation mechanism can still  be embedded and applied to build a 3D HyperCell component (Figure 6.7). info local g adap ndin tatio rou n Su Sigular Cell’s Collective Cells Collective Decision Making Degree of Freedom more Wall\\Seat Wall\\Shelter Wall\\Ramp Topology Variation FIGURE 6.7  Diagram illustrating the bottom-up communication protocols and how it influences the real- time morphology of the architectural element (wall in this case) owing to users’ demands using the swarm  intelligence logic. § 6.5.2 The Applications of a HyperCell Furniture System and Future Evolution After having a general picture of its geometric transformation principles as well as how  the HyperCell can compose a HyperBody’s parts, it is time to discuss the applications of  the HyperCell in terms of a furniture system. The phrase “Our furniture might someday be comprised of a multitude of interconnected assemblies of robotic modules that can reconfigure themselves for a variety of needs or desires”, as quoted from “Interactive Architecture” (Fox, Michael, & Kemp, Miles, 2009) explicitly illustrates the kernel  vision of the HyperCell furniture system. Instead of directly implementing the HyperCell  191  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC as real building blocks in construction within an architectural scale, this research  attempts to create variations of the furniture functions to achieve the required usages  within the same footprint of adaptable space. It aims to take transformable robotic  elements as basic components to be self-assembled as real-time re-configuring  space(body) to fulfill users’ demands through time slots, which can also work in  existing buildings for re-use purposes or serve to reduce the re-construction cost of  an old building. With these goals, multi-functional HyperCell furniture can, owing to  their adaptation/transformable possibilities, minimize each person’s genetic spatial  volume for daily living. Two sets of parameters, Logic-DNA(L-DNA) and Dimension- DNA(D-DNA) drive the main furniture (trans)formation composed of HyperCells, such  as chairs, benches, tables, desk, bed, partition walls…etc., with different types. With the  numbers of the components defined, these two sets of parameters are associated with  the aforementioned transformation logic while defining the basic quadrangular shapes  and the manner of connecting them. L-DNA is the logic extending the “True/False”  mirror geometric transformation determining the assembly regulation, while D-DNA is the logic of defining the basic component’s shape as well as the degrees of freedom  concerning the physical constraints of the component in order to interact with the  users and make the transformation as a bottom-up emergence behavior. table no.1 table no.2 table no.3 table no.3 ( tatami ) { 1,3,4,6,9 } { 3,4,5,6,9 } LogicDNA {} { 5,1,1,1,1 } { 1,3,4,1,1 } 83.5 cm 72 cm 70 cm 55 cm DimensionDNA [] [ 10,10,20,90 ] [ 10,36,-24,26 ] [ 2,18,-28,22 ] [ 4,50,-40,10 ] 3D FIGURE 6.8  Diagram showing types of table variations also as an example for forming the furniture in  accordance with the logic of Logic-DNA and Dimension-DNA as this research developed. Apart from applying principles of cellular differentiation, the idea that all species share  the same gene tool-kit, involves simple operations to produce complex outcomes  192 HyperCell TOC and attain morphological variation via simple switch and trigger mechanisms which  are perfectly experimented with in this research. Although all cells (HyperCells) share  the same degree of freedom (D-DNA), they have different amounts (number) and  geometric regulation (L-DNA), so they create various functional furniture formations  to fulfill different spatial and usage based topological requirements. This on-going  research subsequently aims to develop and market the HyperCells as flexible and  transformable furniture pieces apt for adaptive reuse. In other words, a set of  HyperCells bought by customers, can be assembled differently by using different  D-DNA and L-DNA to attain specific furniture functions, or enable the embodiment  of different transforming abilities to existing functions in order to suit the customer’s  spatial requirements in time as regards the active reuse of space (Figure 6.8)  Metaphorically speaking, if each of the HyperCell furniture in the space is taken as  a body part of an organism, different configurations of the HyperCell furniture will  metaphorically represent a specific spatial species (Figure 6.9). Reception Wall Bench Working Seat Desk FIGURE 6.9  Diagram illustrating the conceptual idea of having different reconfiguration and combinations of  the furniture system as various spatial usages metaphorically representing different species. (I.e. From left to  right: private working space to office space; Human being to Panther). 193  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC “In the future, users will be able to purchase these robotic parts with the capability of adding their own intelligent, customizable setting (Fox, Michael, & Kemp, Miles,  2009)”, explicitly outlines the kernel idea of the HyperCell furniture system. Imagine  a scenario, where you go to a shop like Ikea, and you purchase numbers of these  HyperCells, once you get home, you are able to assemble them as a default setting  following the instructions and eventually enjoy the transformable feature with multiple  functions. In other words, customers just need to purchase these transformable  yet programmable cubes with instructions, and they can have multiple furniture  functions with these cubes and furthermore customize their own creative furniture  where the “EVOLUTION” enters. Therefore, the evolution process of the HyperCells will mainly come from the end users. Although several default settings of the HyperCell furniture and configurations will be given while users start using it, the users are  not forced to stay with these settings. In other words, users are allowed to create  their own customized furniture or spatial usages by modifying the two sets of the  aforementioned HyperCell parameters (D-DNA & L-DNA). This evolution idea can  reflect the idea that every natural species are sharing the same gene toolkits from the  principles of Evo-Devo Biology. Similar to LEGO bricks, the HyperCell components will  also have the potential to generate various results to challenge the conventional ideas  of furniture and space. Moreover, because of the transformable feature of the HyperCell components, more flexible spatial ambiance and practical usages will be more suitable  to the users according to their spatial requirement through time. It perfectly fits this  research’s interpretation of taking users’ demands in real-time reconfiguring space as  the environmental factors as in nature which can heavily drive the force of evolution as  customized but also optimized solutions. Google, is working on a similar idea on a relatively smaller scale with an exciting project:  ARA 63. ARA is a smartphone device with individual units which are called “Phone  Blocks”. These can be assembled to suit a users’ own needs. The framework of the phone  provides a basic platform for operating, but the inserting units can be purchased  individually and defined by the users. 63 Please see the webpage of “Google ARA” for more details: https://atap.google.com/ara/. 194 HyperCell TOC § 6.5.3 A Series of Developments with HyperCell 1 HyperCell: Geometric Experiments: Following the geometric principles, several experiments have been conducted with the  assistance of computational tools. The series of experiments started with exploring the  essential modular components. This research selected the hexahedral(cubic) shape as its  version of HyperCell’s essential geometry as modules for further experiments. In the very  beginning, the first version of HyperCells, “HyperCell 1.0”, gathered series of hexahedral  HyperCells by only regulating each length of the shape’s edges to figure out the variations  using the fundamental principles of sharing the same modified elements to produce the  diverse results. Fortunately, even without implementing the “True and False” switches, it  resulted in the production of numerous outcomes in terms of geometric transformations  and produced various visions of practical spatial applications64 (Figure 6.10, up). Later  on, this “True and False” switch was applied as a reflection transformation function for  the first time not acting as a form regulation factor but rather a reaction/interaction of an  experimental project called the “Duchamp Wall”, exhibiting the fluidity of a wall which  can interact with the users by changing the length of the element’s edges (Figure 6.10,  bottom). In “HyperCell 2.0”, the “True and False” geometry reflection transformation has  been implemented as a role of gene switch in the HyperCell assembly regulations (the  Logic-DNA), and with numbers of HyperCells components, it can create almost an infinite  set of results. The transforming degree of freedom (the Dimension-DNA) in addition to the  True/False switches generates the interactive morphology of the overall shape to provide  the flexibility and multi-functional usages. As a result, multiple furniture or architecture  elements such as desks, shelters, seats, or ramps can be realized based on the geometric  assembly and transformation principles owing to the Evo-Devo based biotic inspirations.  The research utilized digital tools from 3D modeling software with its parametric plug- ins, “Rhinoceros+Grasshopper”, to the open source visualization program, “Processing”,  for the purpose of real-time simulation. Through Processing simulation, more real-time  responsive reactions designed for HyperCell’s applications, like walls with doors, walls  with seats, or façades with penetrating light/wind openings, can be much more precisely  exhibited65 (Figure 6.11). To further confirm the feasibility of the HyperCell furniture  systems, a catalogue with default settings of these HyperCell cubes following the assembly  and transformation principles were made to prove not only that the natural principle of all  64 Please see the video for more details: https://vimeo.com/55289946. 65 Please see the simulation for further understanding: https://vimeo.com/61828421.   195  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC animal sharing same gene toolkits which can be applied and can work perfectly but, it also  shows the incredible diversity and functionality the cubes can provide. Numerous sets of  furniture, such as chairs, sofa, tables, beds, partition walls…etc. were generated with the  parameters of the amount of HyperCells, L-DNA, and D-DNA. The L-DNA basically defined  the category of the furniture, and the D-DNA managed to transform interactive physicality  of the furniture owing to its specific utility. For example, by the definition of L-DNA  (which is the True and False mirror function), the object can be categorized as a chair,  and following the D-DNA (which is the interactive transformation), the resulting sofa  (under the chair’s division) is able to follow the user to generate a comfortable sitting area  (Figure 6.12, the detailed settings of the L-DNA and D-DNA of the furniture applications  will be exhibited in Appendix i). Nevertheless, if envisioning each furniture piece as a  particular body part, then all pieces together in a footprint of space can be metaphorically  interpreted as a specific animal body or a species. Through different time slots of spatial  requirements, the combination of the HyperCells must re-self-assemble and evolve from  one to another species for the sake of meeting user’s demands (Figure 6.9). In spite of  the originally extracted biotic principles, after translating, the applications of HyperCell appear to be not only theoretically meaningful but also practically feasible and have high- potential for further development of the current technologies. FIGURE 6.10  The first generation of HyperCell component on top, and a Duchamp Wall project following the  same logic with more diversity of the morphing patterns. 196 HyperCell TOC FIGURE 6.11  HyperCell 2.0 Furniture applications such as HyperCell Walls that can reconfigure (transform into) Seats, Counters,  Ramps, Waiting Partitions, and Encountering Meeting Spots as multi-functional partitions owing to diverse time slots and users’  demands. 197  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC CHAIRS TABLES BEDS WALLS & PARTITIONS STAGES & OTHERS FIGURE 6.12  A 3D Diagram exhibiting the collections of the transformable furniture system made of “HyperCell” components as a  catalog. These are variations but can include more diversity in terms of form and usage. The catalog with L-DAN and D-DNA is found  in Appendix i. 198 HyperCell TOC Slider = Distance = Value Virtual Buttons Slider FIGURE 6.13  Top image shows the concept of virtual slider and button in accord with hand gestures. Bottom  image records the utilization of the HyperCell interface in real physical space (see the video here: https://vimeo. com/68836252). 2 HyperCell: Intelligent Free-Hand Gesture Graphic User Interface (GUI) With the availability of motion tracking technology and devices like Microsoft  Kinect, it is possible to create a graphic user interface (GUI) in order to control  the transformations of the HyperCells. Resisting utilizing common gadgets like  keyboards and a mouse to send messages to a computational device, the goal of  this experiment intended to employ free-hand gesture (Body movement) to control  the transformable HyperCells. Each single hand acts as a cursor that can browse and  push the pre-set buttons of the UI (User Interface) to accomplish simple selecting  tasks. Besides, this, for detailing the input value on the UI, the distance between  two hands will be remapped and defined relatively as an input value generating the  resulting output. Here in the HyperCell interface, both hands can be used as cursors  to select the furniture typologies from chairs, tables, beds…etc., and after picking up  a certain category, the chosen furniture can be further detailed with the parameters  199  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC manipulated with the distance between hands as sliders. The original vision with  this GUI system was to make each HyperCell have the possibilities of reconfiguring by  free-hand gestures without driving them always with a set of devices like a desktop  computer with conventional gadgets66. Furthermore, just as PC stands for “Personal  Computer”, HyperCells furniture system can be regarded as “PF” standing for  “Personal Furniture” named after the intellectual communication process in between  the HyperCells. As concerns the interactive intention between objects and users in  the future developments, this UI system be translated and utilized as a visualizing  software to generate customized furniture pieces. Using freehand gestures defining  the furniture types and parameters, it is possible to export the digital files by simply  pushing the “Export” button on the UI to create a 3D digital model for further detailing  developments which can be available as a producing process for users to design their  own style. To envision a network of communication protocols amongst each HyperCell as well as between each HyperCell and users, HyperCell is just an initial phase of  non-verbal communication with expectations for future enhancements along with  technological improvements (Figure 6.13). 3 HyperCell: Turns Simulation into an Immersive Virtual Reality Experience67 After exploring the geometric developments of HyperCell with several computational  simulations and setting up the GUI as manipulating protocols with each HyperCell, the research decided to take the whole simulating space composed of the HyperCells to an immersive spatial experience. The Microsoft Kinect device here is used for tracking the  15 joints of a human body but is implemented differently to arrange a setting to remap  and rebuild the AVATAR onto the virtual reality world. A series of furniture functions  and architectural elements were applied to be experienced from single user to multiple  users with their intuitive reactions in schematic scenarios: a dynamic landscape will  expand the space for a person presenting underneath; a sensitive wall will open to let  a person pass through; a transformable shelter to provide people with seating as and  when needed…etc. Realizing the installation through projections in an extremely dark  room, people can easily experience tangibly the general idea of how these interactive  HyperCells would operate in real life as a virtual rehearsal. Technically speaking, only  one Kinect device was used in this installation and all the computational calculations  were done using Processing with a specifically designed library, simpleOpenni,  66 Please refer to the video for details of HyperCell Interface: https://vimeo.com/68836252. 67 Please refer to the video to see the HyperCell Virtual Reality application: https://vimeo.com/78387283. 200 HyperCell TOC to cooperate and collaborate with Kinect for tracing the body joints moving in  3-Dimensional space. Through the experience, the skepticism about the feasibility of  HyperCells can be rapidly eliminated. During the experience, people learned how to  release and freely manipulate their body and initiate non-verbal communication with  this reacting space (Figure 6.14). FIGURE 6.14  Images exhibiting the Virtual Reality Space built up by transformable HyperCell components  which is able to interact with the users in real-time as an immersive spatial experience by utilizing the  Processing real-time simulation and motion tracking technology cooperating with Microsoft Kinect (Please  check the video for more understanding: https://vimeo.com/78387283 ). § 6.6 Brief Conclusion In brief, the research so far illustrated the ideal features of the body-like interactive  Bio-architecture (as new organic architecture) which has borrowed the six points from  Maria Luisa Palumbo’s viewpoints of “New Wombs: Electronic Bodies and Architecture Disorders (Palumbo, 2000)” but re-interpreted them as a summary including the key  points of each former chapter as “Dis-measurement”, “Uprooting”, “Fluidity”, “Visceral 201  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC Nature”, “Virtuality” and “Sensitivity”. After that, it explained the reason why to treat  the organic body-like architecture as an integration of all digital technologies that are  applied in architectural design by the supporting argumentations titled as 3F: Form, Fabrication, and Fluidity. Moreover, this lead to a proposal of a design framework:  “HyperCell”, for developing bio-inspired interactive architectural design by extracting  biotic principles such as “Simple to Complex to derive Componential Systems”,  “Geometric Information Distribution to derive Collective Intelligence protocols”, and  “On/Off Switch and Trigger to develop Assembly Regulations” to generate organic  body-like architecture. From a sociological perspective, the research pointed out  the advantages this kind of reconfigurable space can offer to everyday users. In the  last section, the research eventually took the HyperCell design frameworks into  account to develop a series of experimental projects, especially the furniture systems,  showing the potential possibilities and applications for user centric real-time spatial  reconfiguration. In the end, the HyperCell is not only the title of the design framework  but also a representation of each intelligent component exhibiting the architectural  applications, GUI communication interface, and the immersive VR experience. The  transformable cubic shape serving as HyperCell’s essential geometric module for  furniture systems here is not claimed as an ultimate solution, but rather as an example  showing the resulting variations and possibilities within this modular system by  following simple logic like swarms. However, until now, this research has always taken  the users’ demands as a critical factor for this active transformable space supposing  that the goal of this robotic re-configuring space is to fulfill the user’s demands.  Artistically, however, it implies questioning oneself at another level: how to think of  space as a living entity, possessing its own intelligence and behavior, and how people  will interact with such a space? This is a crucial topic discussed in the following section  in this chapter. § 6.7 Living creature-like space with its own intelligence and behavior In fact, the argument of “Living Creature-like Space with Its Own Intelligence and Behavior” has already been visited in one of the previous chapters. However, here,  the user demands are no longer the first priority for such kind of an intelligent space.  Instead, the discussion pursues the relationships and communication between  humans and space. In other words, space is a living object that people have to get  to know/understand and get along with, rather than, in a top-down commanding  fashion instruct it about your wishes. Of course, this kind of “Space with Intelligence”  has not only been discussed in architectural design but has also sparked interest  202 HyperCell TOC in other fields of research, such as electronic engineering, computer science, and  robotic development. Douglas Engelbart in his article “Augmenting Human Intellect: A Conceptual Framework” (Engelbart, 1962) has envisioned an intellectual space  which he called “augmented architecture” as a working space for architects. But it is  more akin to a Sci-Fi movie imagination, the description of his imagination was mainly  addressed on high-technology gadgets, such as touch screens, holographic display  systems, and how the architect in the narrative uses a pointer and collects data for  improving design, which basically illustrates a scenario in which the intelligent space  itself acts like a huge computer device. Certainly, the space should have the ability  to act as an intelligent computational device to deal with all kinds of occasions but it  should perform not only as a tool or device for people to develop “living creature-like architecture”. The vision that “‘IA’ system will disappear into our buildings and become the architecture itself (Fox, Michael, & Kemp, Miles, 2009)” clearly outlines how  the intelligence of a space shouldn’t be embodied only as a top-down commanding  computational device but should be fused within the space itself. “Liquid Architecture is an architecture that breathes, pulse, leaps as one form and ends as another…it is an architecture that opens to welcome me and closes to defend me…” (Novak, 1991),  argues Marcos Novak’s Liquid Architecture which eventually illustrated a vision of  intra-active architecture with intelligence and free-will for interacting with users in  multiple ways as a living creature. Unlike the one-directional interaction operating as  a switch to turn a device on or off, Liquid Architecture has various sensors omnipresent  on its skin, which filters data to make resulting moves in accordance with the emerging  input values from all sensors. In the research, the componential idea is retained  since the beginning, the intelligence of the space here should come as a collective  intelligence emerging from bottom up. This collective swarm idea cooperating with  intra-active architecture can be observed in the theory of “HyperBodies” of Kas  Oosterhuis. “True hyperBodies are proactive bodies, true hyperBodies actively propose actions. They act before they are triggered to do so. HyperBodies display something like a will of their own. They sense, they actuate, but essentially not as a response to a single request” (Oosterhuis, HyperBodies: Towards an E-motive Architecture, 2003). Both  Marcos and Kas would like to envision a scenario where the space can have its own will  to react with either the environmental conditions or the artificial human movements.  Therefore, artistically, the critical problem raised here is to question people involved  in the space as to how they will execute, conduct, react, think of, confronting such a  space with its own will, and how can one set up communication protocols or networks  between the human body and the architectural body. 203  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC In order to answer such questions, the author was fortunate to be a part of a European  Cultural Project, MetaBody68 in July of 2013. Media artists, digital music composers,  choreographer, dancers, performers, programmers, designers, and architects from  7 different countries in Europe were brought together to cooperate and develop  performances and spatial projects following the major discourse of the MetaBody.  The critical idea of MetaBody is to question the homogenization of expressions in the  current information and controlling mediums and to break through boundaries to  release and provoke the already-formulated body movements by interacting with pro- activeness in architectural space both digitally and physically. During the participation  in MetaBody, two major deliveries were contributed by the research as concerns both  digital and physical prototyping. These were in the form of two intra-active projects:  “Ambiguous Topology” and the “HyperLoop” pavilion. These, are described in the  following sections. § 6.7.1 Ambiguous Topology FIGURE 6.15  Image of “Ambiguous Topology”. 68 Please refer to the links: http://metabody.eu/ or http://www.hyperbody.nl/research/projects/metabody/. 204 HyperCell TOC Ambiguous Topology Introduction Ambiguous topology69 is an installation which incorporates creatively combining  dynamic movement of the human body and swarm intelligence driven generative  geometry production capabilities realized by volumetric projection systems. It is a  five-minute immersive light experience in which the speed, frequency, and intensity  of movement of a participant’s body are used as triggers for activating a swarm of  volumetrically projected digital particles in space in real-time. The usage of fully  immersive volumetric light projection media to visualize 3D geometric morphologies  in the swarm of digital particles renders abstract 3D topological nuances within which  the participant navigates. This resulted in the generation of both interactive as well as  pro-active behavior from the participants as they experience new states of ambiguity  and dis-alignment. A looped data driven relationship is thus successfully established  between the digital, physical and embodied corporeal space. Volumetric Projection System Desired Point in 3D Desired Line in 3D Desired Polyline in 3D Projection Area Projection Area Projection Area FIGURE 6.16  Diagrams showing basic principles and setup for 3-Dimensional geometry realization based on  the volumetric projection system. 69 For more detailed understanding and outlines of the project, “Ambiguous Topology”, please check the video  here: https://vimeo.com/105027652 , https://vimeo.com/105421757, and related paper of  Chang, Jia-Rey, Biloria, Nimish, & Vandoren, Dieter. (2015). Ambiguous Topology from Interactive to Pro-active Spatial Environ- ments. Proceedings of the IEEE VISAP’15 Conference: Data Improvisation (pp. 7-13). Chicago: IEEE VISAP.  (http://visap.uic.edu/2015/VISAP15-Papers/visap2015_Chang_AmbiguousTopology.pdf)   205  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC “Volumetric Projection System” is the main technique for materializing the simulated  geometries in real physical space. The interpretation and production of 3-Dimensional  simulated geometries using the light projection system, or in other words “volumetric projection”, has been developed by the media artist; Dieter Vandoren (one of the team  members of the Ambiguous Topology project). This involved the extensive use and  customization of Max/MSP based routines. In terms of hardware, four high-resolution  projectors are located in four corners of the affective space in order to attain a fully  immersive interaction zone at their point of convergence. Besides this, one Microsoft  Kinect device is used for motion tracking and is placed at the center (front facing) of  the interaction zone. Within this physical set-up, unlike with the hologram projection,  specific ways of interpreting geometries with light projection, such as points, lines,  polylines etc. are developed as stated below (Figure 6.16): 1. Point: A point in 3d space is visualized by the intersection of four light beams from four  projectors located in four corners of the space. As a result, participants experience this  specific point as four light beams’ instead of a single light pixel flying in space. This principle  is mainly implemented for realizing each point’s location in space using different colors. 2. Line: A line in 3d space is achieved by the intersection of four light planes from four  projectors located in the corners of the interaction zone. In other words, in accordance  with the projection angle, the participants would see a spatial intersection line built up  in the interaction zone as four triangulated planes. 3. Polyline: A polyline in 3d space is achieved by the intersection of light planes with a  curvature from four projectors located in the corners of the interaction zone. Because of  the original geometry’s curvature and the limitation of the projection angles, participants  mostly will be surrounded in the conical shape created by the light projections. Swarm Behavior Premise: The particle system simulations responsible for the generation of the constantly  transforming topology is essentially based on Craig Reynolds’ swarm (flocking) behavior  principles developed in 1986 (http://www.red3d.com/cwr/boids/) (Reynolds,  Steering Behaviors For Autonomous Characters, 1999) (Reynolds, Flocks, herds and  schools: A distributed behavioral model, 1987). By observing flocks of flying birds,  Craig Reynolds developed a swarm behavior simulation to mimic numerous animal  species, which intend to move collectively as gigantic creatures, for example, birds, fish,  and bees, etc. Separation, Alignment, and Cohesion are the three major principles of  swarm behavior determining each agent’s intelligence virtually in the flock. Separation  implies avoiding crowding next to each other, alignment implies steering towards the  206 HyperCell TOC average direction of the neighboring flocks, and cohesion implies driving the agents’  movement towards the average position of the local agents (Figure 6.17). Using the  combination of the above simple rule sets encoded within each agent, emergent  clustering formations can be derived. Ambiguous Topology, and its inherent drive to  generate continuously transforming topologies at a global output level, harnesses  these simple rules set based behaviors and embeds them within each constituting  particle in the simulations. Emergent topological formation as a result of local level  interactions within the swarm of particles is thus a novel attribute that is exploited  within the installation. SEPARATION ALIGNMENT COHESION FIGURE 6.17  Diagrams of Craig Reynold’s swarm behavior principles for the flocking simulation; separation,  alignment, and cohesion. (http://www.red3d.com/cwr/boids/). Furthermore, as an interactive installation, the particles/agents within the installation  specifically, relate to the participant’s body movements in real-time. Therefore,  the propulsion of agents is not only influenced by their internally coded rule sets in  accordance with the swarm behavior principles but also driven by the participant’s  reactions. In other words, participants can create attracting or repelling forces by  propelling the agents to affect their 3d location, velocities, and accelerations through  different narrative scenes in the installation. In order to communicate the state of each  agent’s locomotion and energy levels to the participants, color gradients within the  projections are utilized as a clear visual cue. Aggressive colors, such as red and yellow  indicate high value of locomotion compared to blue and green, which express relatively  passive and stable agent movement. As regards the 3-dimensional projection of  agents, all agents are exhibited as “Points” using the aforementioned projection logic  with the color gradient representing their energy and movement state. These colorful  light beams strongly encourage the participants to engage in the Ambiguous Topology  installation without any external persuasion. 207  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC Max/MSP Projection System 3D + Swarm simulation (Xn, Yn, Zn) Processing LOOP KINECT Skeleton Joints KINECT MOTION TRACKING FIGURE 6.18  Diagram showing the interactive loop of data streams. Technical Interpretation: The agent-based simulation is created using an open-source programming language,  Processing. Hardware wise, the motion tracking system in Ambiguous Topology is set  up by utilizing the Microsoft Kinect device and is correlated with simpleOpenNi which  is a motion-tracking library of Processing. All computational processes are calculated  and simulated in Processing 3-Dimensionally based on swarm behavior principles  which, were directly networked with skeleton tracking based data from Kinect. During  the computational process, Processing simultaneously transmits the required data,  the coordination of the autonomous particles, to a platform set up in Max/MSP  through OSC (Open Sound Control) protocol. By establishing a communication protocol  between Processing and Max/MSP, the X-Y-Z coordinates of each swarm agent’s  location is synchronized with the projection system to materialize three-dimensional  geometries in space using the aforementioned volumetric projection principles.  Furthermore, after receiving the input data from Processing, the Max/MSP patches  are able to adequately implement it with the render mode for the HD projectors  (Figure 6.18). 208 HyperCell TOC FIGURE 6.19  Images showing different modes of the Ambiguous Topology experience with scenes of  “Follow”, “Spike”, “Disturb”, “Attract”, and “Nurbs” mode from top to bottom with photos taken on the left and  simulations on the right side. 209  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC Settings and the Narrative: After meticulous development and user testing, Ambiguous Topology, was successfully  set-up as a real-time immersive public installation in Media-Prado, Madrid, in July  of 2014. The site allocated for the installation allowed, an effective interaction zone  (the convergence point of the four projectors) of 6 meters in width (X-direction), 5  meters in length (Y-direction) and 5 meters in Height (Z- direction). 640 agents/ particles embedded in the space wait to be triggered by the influx of participants. Seven  fundamental narrative modes are developed and arranged in a fluent sequence in order  to facilitate a holistic experience to the participants. These narratives are sequenced as  different modes in the following order: Rain Mode, Follow Mode, Spike Mode, Disturb Mode, Attract Mode, Nurbs Mode, and Rain-Up Mode. These are described in the  following sections in conjunction with the participant’s experiences. Rain Mode: The Rain Mode is triggered by the presence of people (tracked by Kinect) within the allocated installation space. A high-velocity downpour of 640 agents/particles constituting the installation akin to heavy rainfall is immediately set in motion. The agents gradually reduce their speed of falling and completely cease to do so in certain locations in space. This is accompanied by a change in the color gradient of the agents (from magenta to dark blue), indicating the change in the velocity levels of the agents; from high velocity to a stable and calm state. Follow Mode: This is the first instance that participants provide an impulse to the agents. Each movement of the participant creates a flux in the agent field (based on the aforementioned swarm principles) within which they are immersed. The swarm logic further entails that the agent propels its movement to the nearest neighbors and thus a ripple is sent through the virtual field as an emergent global outcome. It was observed that over time, the swarm of agents in space tends to follow the average direction of movement of the participants (if they move in the same direction). However, if two participants attempt to move in opposite directions, the swarm tends to remain stable. Furthermore, differential agent velocities of the entire swarm are the result of the participant’s movement velocity and thus tend to speed up or slow down, with high-velocity states depicted as magenta and low state as blue. This mode thus subtly engages the participant via responsive interaction and hence provokes physical movement of the participants (Figure 6.19, Follow). Spike Mode: The Spike Mode involves the introduction of geometry using the volumetric projection system. In this narrative, along with all the existing colored agents, pure white lines are 210 HyperCell TOC exhibited (line-connections). These lines are directly connected to the distances between the nearest agents of the swarm and are specifically triggered by tracking of the participant’s body joints. Both hand and feet joints of the participant’s digital skeletons (as seen via Kinect) are specifically chosen. Thus, while waving one’s hands and feet, any two agents falling within this waving path, which is triggered establish a connection depicted by a white line to be drawn between them. Because of numerous autonomous agents floating around the participants, they can freely and easily generate these flashing lines and start manipulating them once they unravel this simple logic. Some characteristics of the Follow Mode, such as the panning effect and color gradations are retained in this narrative and tend to seamlessly blend with the characteristics of the Spike Mode. (Figure 6.19, Spike). Disturb Mode: The Disturb Mode is the narrative where a shift from responsive to pro-active interaction germinates. Participants lose the ability to influence the movement of swarm agents using their own body movements. Additionally, all the agents, as autonomous entities start losing their energy, turn transparent and become almost invisible in space. In reality, once the agents lose their momentum, they become imperceptible and acquire a state of readiness for new stimulation from the participants. By touching, pushing, swinging the invisible agents, the participants actually feed/pass the agents energy and trigger their movement again. Each participant’s hands and knees, now, become activating nodes, which, in turn, influence the agents, based on the momentum produced by the movement of the participant’s joints. The faster the participants move, the larger the area of influence of the agents is, and thus the impact on the agent’s velocity and energy is also stronger. The swarm logic behind the scenes implies that active agents seek to influence other passive neighbors and thus set forth a non-linear movement. It was observed that the participants tend to become keen and keep trying different body postures and movements to gradually set the dormant swarm in action once more (Figure 6.19, Disturb). Attract Mode: The Attract Mode involves the swarm of agents to suddenly and aggressively move rapidly towards the participant. This is also accompanied by the agent’s switching their color to an aggressive red and yellow gradient. In this mode, the agent simulations are programmed to be attracted towards the participant’s hands and feet in order to create virtual polygonal geometries in space. Over a period of time, these virtual polygons unknowingly produced by the participants also appear in white along with other colored agents thus distinguishing the polygonal geometries the participants generate. Once the participants become aware of this game-play, they instinctively start attracting the agents via producing strange but interesting movements, such as changing moving direction rapidly, jumping up and down radically, and curling or stretching bodies oddly (Figure 6.19, Attract). 211  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC Nurbs Mode: In the Nurbs Mode, the participants are allowed to push, wave, and touch the agents similar to the Disturb Mode. In addition to this, a continuous transforming nurbs (spline-line) is materialized based on the agent aggregation based density in space. On an average, ten locations coinciding with ten densest locations of the agents in space are selected as control points to construct the nurbs. Since the agent densities can be impacted directly by the participant’s influential movement in space, the nurbs geometry fluidly morphs from one shape to another shape (Figure 6.19, Nurbs). Rain-Up Mode: Before the “Rain-up Mode”, the “Follow Mode” is exhibited again to gently inform the participants that the experiential installation is nearly towards the end. After a few minutes of “Follow Mode”, the participants entirely lose their control over all the agent movements and only witness the agents flying back up to the sky. All the agents will fly up with high velocity and gradually slow down to cease in a certain location in space. In terms of color, all the agents start with magenta representing higher speed and become dark blue corresponding to the velocity each agent embodies. Towards the end, all the agents lose their momentum, turn transparent and tend to fully disappear. Hence, the whole space returns back into an entirely dark state awaiting the next group of participants to engage with. Ambiguous Topology Conclusion Ambiguous Topology is an innovative experimental installation which intends to  challenge conventional modes of perceiving space as a dormant object and abolishes  the subject-object relationship, which has long been associated with it. Space, in  this case, acquires a pro-active character and most importantly is built up via a  non-tangible entity: Embodied Visible Light. The installation also physiologically and  psychologically appeals and instigates our regulated behavioral selves resulting in the  generation of novel reactions and interactions. Ambiguous Topology thus attempts  to create a fully transformable topology composed of numerous autonomous agents  to achieve a unique e-motive spatial environment. Different geometric instances  of the fluid environmental topology are generated via the interplay between the  participants and the conceived system and are materialized via the immersive light  projection (volumetric projection) system as a meta-narrative. As a result, an intimate  relationship between the overall environment and participants naturally appears  during the experiential phase. Meanwhile, an information feedback loop is at play,  which binds the physical interactions of the participants, with soft simulation and  computation processes to ultimately impact and influence the participants’ behavior  in real-time. During the interaction process, novel movements, group dynamics, and  212 HyperCell TOC gestural novelty came to the fore. The research was thus able to address an individual’s  innate bodily and mental experiences. In this five-minute immersive/interactive  environmental experience, Ambiguous Topology gives the participants opportunities to  introspect, engage, influence and explore their perception and inner creative instincts  in an engaging experience. As aforementioned, in Ambiguous Topology, one of the  main characteristics is to utilize the non-tangible entity: light, to create an immersive  dynamic environment. But in the “HyperLoop” pavilion, the research attempts to  develop a physical interactive dynamic space made with real materials so as to be  truly tangible. § 6.7.2 HyperLoop, an Intra-active Pavilion The preliminary idea of the HyperLoop pavilion70(Figure 6.20) is to create a  transformable, portable, mobile space as an interactive environment with abilities  to physically morph akin to a creature with its own will. It is a large-scale real-time  interactive structure which is in a constant state of flux. Once again, it is similar to  how Marcos Novak outlined his “Liquid Architecture” and Kas Oosterhuis outlined his  “HyperBodies”: the architecture has embedded emotions and its own behavior which  help it to react in different contexts. “…it is an architecture that opens to welcome me and closes to defend me” (Novak, 1991) and “…they sense, they actuate, but essentially not as a response to a single request” (Oosterhuis, HyperBodies: Towards an  E-motive Architecture, 2003). In this sense, the architecture from the users’ point of  view is never a controllable space which can fulfill their requests. On the contrary, the  user has to find ways to cooperate with this gigantic holistic sensible body by setting  up a relatively intimate relationship with it. This research envisioned this dynamic  interactive space would induce or evoke common people to get out of their comfort  zone to react in unusual/unconventional ways with their body gestures. This is one of  the main goals of the pavilion. The pavilion practically speaking, would also be used as  an interdisciplinary laboratory for scientist, programmers, artists, biologist, performers,  choreographers, designers, architects…etc., who are interested in experimenting with  reversal of homogenization of expression caused by current information technologies  and surveillance mediums. 70 Please refer to https://vimeo.com/117388146, http://www.hyperbody.nl/research/projects/the-hyper- loop/, and http://re.hyperbody.nl/index.php/Msc2G7:Frontpage, for a detailed description of the development  process of HyperLoop and the related video. 213  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC FIGURE 6.20  HyperLoop pavilion simulation by V-Rep. For executing this interdisciplinary project, the research cooperated with Delft Robotics  Institute to have professional support from their Mechanics, Electronics, Systems and  Control faculties. This research mainly focuses on the multi-directional development  of the large-scale dynamic structures and intends to realize it and experiment with it  in a scaled-down prototype. Practically, this large-scale structure is composed of 12  distributed joints with various degrees of freedom, and geometrically takes the form of  an infinite loop (it can also be in a sense seen as an 8-shape Mobius ring), which can  fully re-configure its constituting components in real-time (Figure 6.21). Therefore,  the joints of the Hyperloop play extremely crucial roles from both the design and  engineering points of view. Each joint acts as an independent agent in its own right  and hosts micro-controllers, attached to motors/servos in addition to sensing systems (which can track the proximity of people) and local sound and light emitting sources.  In other words, the joint with the structural tube should be seen as the “HyperCell”  component in this case which has basic intelligence with degrees of freedom to  physically transform to enable multiple interactions. Each joint is thus an agent of the  holistic swam: the HyperLoop’s body. In terms of interaction scenarios, the makeup per  joint is aimed at generating a fully kinetic and sonic real-time interaction with people  approaching or leaving the structure as well as moving within the structure itself. The  entire loop is thus being a fully dynamic structure akin to an exploratory robot, which  harnesses different capacities of movement, sound, and light as an active medium of  communication with its visitors. 214 HyperCell TOC FIGURE 6.21  The real-time morphology simulation of HyperLoop acting by embracing and repelling movement  among the people surrounding it by V-Rep.   215  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC HyperLoop Simulation, a mere step before physical prototype = Mechanical Make-up + Consensus Algorithm J2 J3 J6 J4 J5 J1 GROUND FIGURE 6.22  Diagram explaining the mechanical loop structure concerning the capability of the joint against  gravity: NO.1 joint staying on the ground can possibly hold NO.2 and NO.3 joints in the Air but NO.4 joint would  have to stay on the ground in order to support the structural stability. In order to precisely realize the actual conditions of the HyperLoop structure, this  research had to rely on professional mechanical engineering software, “V-Rep” (Virtual  Robot Experimentation Platform) based on a distributed control so that each object/ model can be individually controlled via an embedded script, a plugin, an ROS node, a  remote API client, or a custom solution within the software operation. As a loop-shaped  structure, the crucial mechanical task is to retain the connectivity of the structure  keeping the enclosure condition as a chain-like polyline. The key point in making this  task happen also relies heavily on both the mechanical design of the joints and the  mathematical algorithms keeping the overall shape constantly unbroken. Within the  V-Rep simulation, it can be relatively easy to represent all the different conditions  and configurations of the real dynamic structures but the most important bit is to  embed the limitations/physical constraints, such as gravity, motor torque, and the  mechanical degrees of freedom. The research was able to import the 3D model of the  HyperLoop structure and examine real-time manipulation of mechanical simulations  virtually within V-Rep. One of the crucial mechanical constraints in the design of  HyperLoop is that any one joint can at a maximum support 2 neighboring joints in the  air. In other words, if there are labels tagging on each joint, the J1 joint staying on the  ground can possibly hold J2 and J3 joints in the air but then J4 joint would undoubtedly  have to stay on the ground in order to support the structural stability (Figure 6.22).  Certainly, the torque of the joint should be taken into account while simulating the  transformations of the HyperLoop. The HyperLoop transformation depends highly on  216 HyperCell TOC the interaction scenarios triggered by the data gathered from the embedded sensors  which are fed to microcontrollers mounted onto each joint. Therefore, it puts more load  on the computational calculation for searching for a dynamic homeostasis or balance  condition. Nevertheless, the V-Rep software can provide a 3D platform for robotic  simulation, but the calculation of torques, physical constraints as morphological  principles, the interactive reaction driven by the data coming from pre-set sensors,  and the communication protocols amongst each joint in order to balance the overall  HyperLoop body, require advanced programming tools to conduct such heavy  calculations. This is done using two software suites, “MatLab” and “Mathematica”. “MatLab” is used initially following all the above constraints and principles to program  suitable algorithms mainly for mechanical examinations. “Mathematica” then takes  the algorithms in and sets-up the control system and communication protocols as  a test model meanwhile sending the resulting outcomes for visualizing simulations  under the V-Rep’s environment, confirming the feasibility of dynamic stability of this  large-scale transforming structure. The complexity of the HyperLoop’s movements  comes from the real-time calculation since each moving step will result in disrupting  the balance of the entire loop instantly and thus requires an immediate response  to gain back the balance. This results in a relatively complicated situation waiting  to be solved owing to the resulting torque and driving angles of the joints. Once this  particular angle is decided, the rest of the HyperLoop’s joints have to respond in  order to maintain the balance of the overall body while maintaining the closed loop  condition. To keep the balance while simultaneously deriving and communicating  the new adjustments/positioning of the joints, the development of a “Consensus Algorithm” is critical. Consensus Algorithm works on the basis of distributed  communication that calculates an agreement/consensus among a number of  processes to obtain a set of data values, in time, which drive the HyperLoop’s joints.  For instance, once one of the active joints, joint_1, receives a value(V1) from the  attached sensor for driving this specific joint to move to a certain angle(A1), this  angle value(A1) will pass through to inform all the other joints. After all the rest of the  joints have been informed, they will decide to agree or disagree with this change. If  in agreement, joint_1 will move to the angle A1, and the rest of the joints will follow  a balancing equation accordingly to change/or not to change their positions; if in  disagreement, joint_1 will propose another relatively minor angle value(A2) and once  again pass it through the rest of the joints to search for a possible agreement. The  process goes repeatedly until all the joints entirely agree, and they will eventually follow  the decision and make the resulting movements. Thus, every time there is a sensing  value coming in, all the joints mounted on HyperLoop will run the whole process again  and again until they reach a consensus. As mentioned before, the task of “MatLab” and  “Mathematica” are mainly to examine the overall computational calculations virtually  and later on input this into “V-Rep” to simulate various morphing conditions in the real  217  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC physical environmental settings to prove the correctness, precision and the feasibility of  the sophisticated mechanisms and network protocols. Once the applied mechanisms  are proven, both MatLab (in terms of mechanisms) and Mathematica (in terms of  internal communication) algorithms are translated into a programming language in  accordance with the applied microcontroller, which is an Arduino in this case, in order  to develop a scaled prototype. Joint Design Developments Before having a strong support from the Delft Robotic Institute, this research was  dedicated to the crucial development of the joint’s design both in terms of its form  and in its mechanism. After the Delft Robotic Institute joined the project, they gave  professional suggestions and re-designed the joint from the sense of efficiency of the  mechanics points of view. Several motorized propulsion mechanisms were considered,  such as Mechanical, Hydraulic, Pneumatic, and Electrical. Hydraulic and Pneumatic are  both powerful and controllable but not accurate enough for the HyperLoop; Mechanical  methods use fuel which makes it heavier to lift as a joint needed to be in the air within  HyperLoop; Electrical was then deemed as the ideal choice, which is easily controlled  with accuracy and is light weight enough to attain flexible positions. Three phases of  developments listed as “Initial Thought”, “Idea Proposal” and “Physical Prototyping”  will illustrate the evolution of the joint design both in terms of form and mechanic  composition. Initial Thought: This is the phase before having the contribution of the Delft Robotic Institute.  To make an enclosure loop and at the same time provide the joints can be freely  3-Dimensionally posed in different overall morphologies, the idea was to have 3 servo  motors which were in charge of 3 different axial rotations to complete the tasks (Figure  6.23). As for transportation, it has to be easy to be delivered and assembly on site. This  specific transportation idea drove the joint design to be easily assembled and de- attached. Therefore, all the electronic devices, such as microcontrollers, motors, and  sensors, were designed to be impacted and embedded inside the joints for quick and  easy assembly. In this phase, the research set up general principles for the joint design,  and also brought out the confronting problems to be solved by numerous experimental  examinations either with simulations or physical prototyping. 218 HyperCell TOC FIGURE 6.23  Diagrams illustrating the flexibilities and the rotation axis of the joint design at the initial  experiment stage. The bottom is the photo of the 3D printing prototype embedded with 2 servo motors as the  rotating actuators. Idea Proposal: Along with the consultants of the Delft Robotic Institute, several undergraduate  students joined the team and made the project a collaborative effort enjoying their  professional contributions. In this phase of design, the motorized devices were reduced  to only two servo motors to keep the same performance, but mechanically simpler and  lighter weight for the sake of lifting the joints as one of the major tasks. Mechanically,  two directional rotations are controlled by two motors in a set of joints. By inserting  the structural tube inside the controllable joints, the HyperLoop can complete exactly  the same motion as with the three motors version proposed in the initial phase  (Figure 6.24). The structural tube should be at least 2 meters in length as a hollow  219  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC tube not only for the sake of light-weight but also for the convenience of putting the  required electronic wires inside as connections and for system protection. The joint  was designed as a ball (sphere) shape in order to reduce the friction while touching the  ground which might be taken as extra opposing forces and at the same time protect the  crucial electronic devices inside the joint. FIGURE 6.24  Images exhibiting the simulations and the photos of the 3D printing joint as scale models for  examining the flexibility of the pavilions. The sphere shape of the joint reduces one directional rotation to make  it functionally more impactful and efficient and also relatively more protectable for the device when embedded  into the joint against the friction while making the morphology of the whole structure. Physical Prototype: In order to be examined in a short period of time, the joint was design as a simplified  version without having a ball shape yet. The goal with the physical prototype was to prove  the actual mechanisms work properly. Two servo motors in charge of two directions  220 HyperCell TOC (X-Axis and Z-Axis) were mounted onto one side of the joint, and the other side of the joint  mainly harnessed the rotation angle by the assigned motors. Several modification steps  had to be done before assembly of the servo motors into the joint. The “mechanic stop”  inside the regular servo motors had to be removed in order to make more rotational angles  than the default constraint by 180 degrees. In terms of control, the potential meters inside  the regular servo motors had to be taken out and a knob-like gear added for harnessing  the precise angular rotations. A warm gear was required for each servo motor to have  more torque power driving the mechanism (Figure 6.25). After the motors’ modifications,  by placing them into the proper positions and assembly with the structural tubes and  connecting the wire for signal induction from each of the related Arduino boards with  Ethernet cables, it was able to drive the HyperLoop prototype to life. HyperCell = HyperLoop? How Does HyperLoop Design Fit in the HyperCell Framework? There is a question if “the HyperLoop does not look like a componential system in  terms of its appearance, how could it fit in the framework of ‘HyperCell’?”. This question  emerged from a stereotypical view of how a “cell” should be defined. Is it necessary to  be a cube, a sphere, a bubble, or a blob-like shape to be claimed to be a “Cell”? any form  as long as it has the componential idea should be able to be treated as a “HyperCell”.  That’s why a building block can also be seen as the “Cell” of a building, as does an  aluminum tube even though they are all static elements. So, the difference of the  “HyperCell” component is that it should have the ability of morphing its own structural  makeup. In the case of HyperLoop pavilion, the joint with tubes IS the form/shape of  the Cell. With the 2 variables of rotations, it creates the morphological transformations  of the cells but at the same time affects the overall shape in the end (Figure 6.21). Not  to mention the internal communication setup in between which makes it a perfect  case study not only as a representation following the swarm behavior logic but also the  expression of the HyperCell design framework. The joints should be taken as the agent  of the swarm which has basic intelligence encoded in its microcontrollers. Although the  intelligence of the microcontrollers is coded, the resulting outcome works via collective  decision-making in a bottom-up fashion by the joints. This gave it free will and made  it impossible to be predictable with respect to its next moves. Therefore, the HyperCell should be seen as a design framework rather than an object akin to a transformable  primitive geometry as a box or sphere in terms of design thinking to increasingly evoke  intriguing HyperCell typologies. 221  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC FIGURE 6.25  Images exhibiting the simulations, the prototype scale model of the HyperLoop pavilion, and a  closer look at the joint design and prototype. § 6.8 Conclusion “If a building could change its posture, tighten its muscles and brace itself against the wind, its structural mass could literally be cut in half,” said structural engineer, Guy  Nordenson. The quote describes a vision that “a building could have its own behavior and will”. This chapter is the summary of all preceding chapters attempting to propose  a new kind of Organic Bio-Architecture which can interact like an organic body. As  a bio-inspired design, unlike conventional ways of implementing the mimicry of  222 HyperCell TOC natural shapes or the existing algorithms generating the natural forms and claiming  them as organic architecture, several useful principles have been extracted from the  fundamental research of the Evo-Devo Biology perspective and have been translated  into crucial design rules to be followed. The principle of integration is the key not only  for translating natural principles but also for potentially applying digital tools and  techniques from the digital/parametric field of architecture. A “HyperCell” design framework embeds such principles and logics to evoke a new  kind of design thinking intending to showcase the value of componential systems,  collective intelligence, and assembly systems following the fundamental rules for  morphogenesis in animals. With these principles, one is able to create organic body- like architectural designs which can adapt and interact with user demands in real-time.  In this chapter, the researcher not only indicates the design framework for organic  body-like architectures but also the title of the HyperCell is also used to represent a  transformable component in a reconfigurable furniture system which implies more  efficient and novel usage of space. Multi-functional furniture and space would be  the next prevalent step from the research point of view. Until the discourse of the  HyperCell furniture system, the focus of this chapter still remained with taking care of  the users’ demands. But the second half of the chapter started raising critical questions  pertaining to new relationships which would need to emerge between human bodies  and spatial bodies if space had its own behavior and will”. This is an artistically and  theoretically intriguing topic to think of especially in today’s time as we head into a  new era of AI (artificial intelligence). In the not too distant future, people will confront  the issue of intelligent robots regardless of them being shaped as a human figure or  like the HyperCell furniture. “Ambiguous Topology” was exhibited as an experimental  installation under the European Culture Project, MetaBody, for encouraging people to  manipulate their body’s in unconventional ways by using immersive light projections  as a medium of non-verbal communication. “HyperLoop” pavilion was exhibited as an  interactive structural system in the form of an infinite loop shape which can embrace  people within or repel people based on its physical reconfiguration. The HyperLoop also serves as an example to break the stereotypical idea of a cell and its shape. This research also does not claim that projects like the HyperCell or HyperLoop pavilion should become the ultimate goal for all designers to follow. On the contrary, the  research aims to provide a design thinking direction in order to truly follow natural  principles to develop interactive Bio-architectures. From this research perspective, the  novel Organic Architecture should embody interaction as a generic modality, which  makes such architectures actively confront dynamic contextual conditions via dynamic  optimization processes akin to an organic body. 223  HyperCell: A Bio-inspired Design Framework for Real-time Interactive Architectures TOC References Benyus, J. M. (1997). Biomimicry: Innovation Inspired by Nature. New York: HarperCollins Publishers Inc. Biloria, Nimish & Chang, Jia-Rey. (2013). Hyper-Morphology: Experimentations with bio-inspired design pro- cesses for adaptive spatial re-use. Proceedings of the eCAADe Conference Volume No.1, 2013 (TU Delft) (pp.  529-538). Delft: eCAADe and Faculty of Architecture, Delft University of Technology. Deleuze, G., & Guattari, F. (2003). Anti-Oedipus: Capitalism and schizophrenia. Londom: Continuum. Engelbart, D. (1962). Augmenting Human Intellect: A Conceptual Framework. Washington DC: Stanford  Research Institute. Retrieved from http://www.dougengelbart.org/pubs/papers/scanned/Doug_Engel- bart-AugmentingHumanIntellect.pdf Fox, Michael, & Kemp, Miles. (2009). Interactive Architecture. New York: Princeton Architectural Press. Leibniz, G. W. (1714). Monadology. (J. Bennett, Trans.) Continuum. Retrieved from http://www.earlymodern- texts.com/assets/pdfs/leibniz1714b.pdf McLuhan, M. (1964). Understanding Media: The Extensions of Man. New York: McGraw-Hill. Novak, M. (1991). Liquid Architectures in Cyberspace. In M. Benedikt, Cyberspace: First Step (pp. 225-255).  Cambridge: The MIT Press. Oosterhuis, K. (2003). HyperBodies: Towards an E-motive Architecture. Basel: Birkhäuser. O’Sullivan, Dan & Igoe, Tom. (2004). Physical Computing: Sensing and Controlling the Physical World with Computers. Boston: Course Technology Press. Palumbo, L. M. (2000). New Wombs: Electronic Bodies and Architectural Disorders. Basel: Birkhäuser. Price, C. (2002). Generator Project. In Cyber_Reader: Critical Writings for the Digital Era (pp. 86-89). London:  Phaidon Press Limited. Reynolds, C. W. (1987). Flocks, herds and schools: A distributed behavioral model. Compute Graphics, 21(4),  25-34. Reynolds, C. W. (1999). Steering Behaviors For Autonomous Characters. Proceedings of Game Developers Con- ference (pp. 763-782). San Francisco: Miller Freeman Game Group. Thompson, D. (1992). On Growth of Form. London: Cambridge University Press. 224 HyperCell TOC