Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo
GUILHERME GIANTINI DA SILVA CARVALHO
MORFOGÊNESE COMPUTACIONAL:
da Bio-inspiração ao Biodesign
CAMPINAS 2019
MORFOGÊNESE COMPUTACIONAL:
Da Bio-inspiração ao Biodesign
Dissertação de Mestrado apresentada a Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Unicamp, para obtenção do título de Mestre em Arquitetura, Tecnologia e Cidade, na área de Arquitetura, Tecnologia e Cidade.
Orientadora: Prof(a). Dr(a). Maria Gabriela Caffarena Celani
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO GUILHERME GIANTINI DA SILVA CARVALHO E ORIENTADO PELA PROFA. DRA. MARIA GABRIELA CAFFARENA CELANI.
ASSINATURA DA ORIENTADORA
CAMPINAS 2019
FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E
URBANISMO
MORFOGÊNESE COMPUTACIONAL:
Da Bio-inspiração ao Biodesign
Guilherme Giantini da Silva Carvalho
Dissertação de Mestrado aprovada pela Banca Examinadora, constituída por:
Profa. Dra. Maria Gabriela Caffarena Celani
Presidente e Orientadora/Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo, FEC/Unicamp
Prof. Dr. Rafael Augusto Urano de Carvalho Frajndlich
Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo, FEC/Unicamp
Prof. Dr. David Moreno Sperling
Membro titular – Instituto de Arquitetura e Urbanismo, USP São Carlos
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no SIGA/Sistema de Fluxo de Dissertação/Tese e na Secretaria do Programa da Unidade.
À amizade, confiança e orientação da Professora Gabriela Celani, que desde sempre se preocupou em ensinar, incentivar e, acima de tudo, inspirar seus orientandos e alunos.
Aos pesquisadores Peter Testa, Katia Zolotosvky e Evangelos Pantazis pelas contribuições fundamentais sobre o assunto de pesquisa.
Aos professores da banca examinadora pelas críticas construtivas e contrubuições acadêmicas a esta dissertação.
Aos Professores e funcionários do PPGATC pelo comprometimento com o curso. Aos amigos do LAPAC pelas trocas acadêmicas e amizade: Felipe Tavares da Silva,
Marcela Noronha, Caio Castriotto, Thiago Gonzaga, Raquel Leite, Davidson Arcanjo, Maikol Yabuki, Filipe Campos e Verley Junior.
Aos amigos da prática em projeto computacional no Brasil, pela torcida, interesse e contribuições: Daniel Locatelli, Jéssica Passos, Victor Calixto, Juliana Croffi, Victor
Paixão, Renata Portelada, Affonso Orciuoli. Agradecimento especial ao Jeff Chicarelli,
pela amizade, ensinamentos e discussões que engrandeceram esta pesquisa.
Aos amigos do coração, Marília Dantas da Silva, Lucas Marinho, Fernanda
Bernava, Luana Espig Regiani, Larissa Negris de Souza, Camila Miki, Camila Midori, Nathalie Thomas-Viaro, Maja Zeller, Matheus Loschi, Juliana Reis, Yumi Neder, Rafaella Mayumi, Pedro Joaquim Bergamo, Isadora Petinari, Bruno Geraldi Martins, Marcela Ramos, Vanessa Garbin Parola e Luiza Tanganeli Marini.
Aos Professores Anne Save de Beaurecueil e Franklin Lee pelo ensino sólido e consistente de projeto computacional, e, juntamente com os Professores Joana Carla Soares
Gonçalves, Klaus Bode e Herman Calleja, agradeço pela oportunidade de ser tutor assistente
no Architectural Association São Paulo Visiting School 2018.
Aos arquitetos e designers que me apoiaram e inspiraram: Guto Requena, Ludovica
Leone, Bruno Baietto, Roberta Maria de Pádua, Keila Reis, Eduardo Cabral, Jessica Lianza, Emilio Bertolini, Elisa Aiko Tsukahara e Catarina Cecchini.
À minha mãe e avó, Maria Aparecida Giantini da Silva e Maria Conceição Giantini
da Silva, pelo apoio, compreensão e amor incondicional.
Por fim, agradeço a todos que contribuíram com a minha formação acadêmica e profissional.
A inspiração na Natureza sempre foi um tema recorrente à produção de artefatos humanos. A partir do início do século XIX, esse tipo de analogia passou a ter mais força no campo da arquitetura e do design, quando cada vez mais profissionais passaram a, além de mimetizar formas naturais, incorporar conceitos e termos da biologia, mimetizar formas naturais e para criar novas formas análogas a elas. Na primeira metade do século XX, alguns estudiosos passaram a desenvolver abstrações dos processos naturais de crescimento e evolução, implementando-as em modelos matemáticos e, posteriormente, algoritmos computacionais. Com a evolução dos sistemas CAD, eles também passaram, mais recentemente, a incorporar esses processos, porém muitas vezes eles se apresentam como uma caixa preta para os usuários. Esses sistemas generativos baseados em processos encontrados na Natureza buscam, em geral, resultados projetuais que atendam a critérios de desempenho. Desta forma, o termo "projeto morfogenético" passou a ser usado para identificar o uso da biomimética como um modelo de projeto desenvolvido através de processos computacionais que resultam no crescimento e desenvolvimento de formas adaptadas a um ambiente. Entretanto, o atual cenário de aplicações mostra a incidência de empregos terminológicos e práticos de forma bastante conflitante, havendo pouca concordância por parte de diferentes autores com respeito a definições e conceitos. Esta dissertação propõe uma revisão do termo através da identificação dos diferentes significados utilizados ao longo das últimas décadas, e de uma fundamentação teórica precisa, qualificando o projeto morfogenético como um método generativo computacional que envolve diferentes condicionantes (como os estruturais, ambientais, materiais, funcionais, morfológicos, etc. Em seguida, são realizados estudos de aplicação com o objetivo de ilustrar algumas ferramentas disponíveis, seu uso e resultados possíveis. A metodologia da primeira parte do estudo consistiu na revisão sistemática da literatura, feita por meio de consultas a bases de dados específicas e entrevistas com dois especialistas da área. A metodologia da segunda parte consistiu na utilização sistemática de procedimentos morfogenéticos com o objetivo de testar suas potencialidades e da realização de cinco exercícios de projeto com maior complexidade. Como resultado, espera-se contribuir um esclarecimento e maior conhecimento a respeito do assunto, apontando para suas possíveis aplicações na área de Arquitetura.
Palavras-chave: morfogênese; biomimética; sistemas generativos; projeto computacional;
The inspiration in Nature has always been a recurring theme in the production of human artifacts. From the beginning of the nineteenth century, this type of analogy became stronger in the field of architecture and design as more and more professionals began to incorporate concepts and terms from Biology, beyond the simple mimicking of natural shapes to create new analogous ones. In the first half of the twentieth century, some scholars began to develop abstractions of processes of natural growth and evolution, implementing them as mathematical models and, later, as computational algorithms. More recently, with the evolution of CAD systems, they have also incorporated these processes, but are often a black case for users. These generative systems based on processes found in Nature usually provide design outcomes that meet performance criteria. Therefore, the term “morphogenetic design” has been used to identify the use of biomimetics as a design model developed by means of computational processes that result in the growth and development of forms adapted to an environment. However, the current scenario of applications displays a very conflicting incidence of terminological and practical applications, with little compliance from different authors regarding definitions and concepts. This dissertation proposes a terminological review through the identification of the different meanings used during the last decades, and through a precise theoretical foundation, qualifying the morphogenetic design as a generative computational method capable of bringing together different constraints (such as structural, environmental, material, functional , morphological, etc). Next, experimental design applications are carried out with the purpose of illustrating some available tools, their use and possible outcomes. The methodology of the first part of the dissertation consisted in the systematic review of the literature, made through surveys using specific databases and interview with two specialists in this field of research. The methodology of the second part consisted in the systematic use of morphogenetic procedures with the objective of testing their potentiality and the accomplishment of six design experiments with greater complexity. As a result, we expect to contribute to the clarification and knowledge about the subject, suggesting possible applications in the area of Architecture.
Keywords: morphogenesis, biomimetics, generative systems, computational design, design
Figura 1: The Programmed Wall, Gramazio Kohler Research (2006). Parede de tijolos
desenvolvida em uma pesquisa na ETH Zurique. ... 26
Figura 2: ICD/ITKE Research Pavilion 2013-14. Pavilhão desenvolvido em uma pesquisa na Universidade de Stuttgart. ... 26
Figura 3: Dalian International Conference Center, Coop Himmelb(l)au (2012). ... 27
Figura 4: One Main, dECOi Architects (2009). ... 27
Figura 5: Cambridge Mosque, Marks Barfield (2009) sob consultoria de Design-to-Production. ... 28
Figura 6: King Abdullah Petroleum Studies and Research Center, Zaha Hadid Architects (2009-2017) sob consultoria de Programming Architecture. ... 28
Figura 7: Walt Disney Music Hall, Gehry Partners (2002). Desconexão entre estrutura primária e recobrimento da fachada, evidenciando uma incoerência metodológica de projeto. ... 30
Figura 8: Proporção áurea: a cada iteração de crescimento dos segmentos geométricos, a mesma proporção é mantida. ... 41
Figura 9: ilustração representativa do pensamento comum da maioria dos preformistas, indicando que o óvulo ou o espermatozoide continha uma pequena pessoa que começaria a crescer uma vez que a concepção ocorresse. ... 43
Figura 10: Urpflanze de Goethe, um estudo classificatório da estrutura morfológica de plantas, considerando um modelo idealizado de um arquétipo primordial. A partir desse modelo, as diversas variações encontradas na natureza ocorrem, segundo o autor. ... 44
Figura 11: Classificação de saguões e tribunais por Durand e Legrand. ... 46
Figura 12: Metacarpo de abutre, uma estrutura óssea análoga à treliça Warren. ... 48
Figura 13: The Fallingwater House, de Frank Lloyd Wright. ... 49
Figura 14: Einstein Tower, Eric Mendelsohn. ... 50
Figura 15: Arranjo estrutural interno presente na Sagrada Família, de Gaudí. ... 50
Figura 16: À direita, croqui de desenvolvimento de projeto, relacionando a edificação ao movimento do tronco humano. À esquerda, fotografia do Turning Torso construído. ... 51
Figura 17: A Biosfera de Montreal, Canadá. Projeto de Buckminster Fuller. ... 52
Figura 18: Nakagin Capsule Tower, The Metabolists. ... 53
Figura 19: Pavilhão Alemão na Expo 1967, Frei Otto e Rolf Gutbrod. ... 54
Figura 20: Aluminium Foam, do LAPA EPFL, cuja variação das células de alumínio foi controlada de forma paramétrica. ... 56
Figura 22: Projeto de uma máquina de voar - Leonardo da Vinci, 1488. ... 58 Figura 23: Otto Lilienthal em um de seus primeiros voos em 16 agosto de 1894. ... 61 Figura 24: Ilustração em Plants As Inventors (1923), de Raoul Francé, sobre a existência de modelos naturais de turbinas de vapor presentes em algas microscópicas. ... 62 Figura 25: (A) Fotografia de radiolário; (B) Uma das pranchas de desenho de radiolários por Ernst Haeckel, preparadas em negativo pelo diretor e artista David Lebrun; (C) Edifício de entrada da Exposição Mundial de 1900, em Paris, por René Binet. ... 63 Figura 26: Relatório técnico do Simpósio de Biônica, em dezembro de 1960. ... 64 Figura 27: Fotomontagem para comparação entre o bico da ave guarda-rios e o trem bala desenvolvido pela Hitachi Ltd. em parceria com a Neumeister + Partner
Industrial Design GmbH. ... 68
Figura 28: Fotografias de Bolachas-da-praia, equinodermos da ordem Clypeasteroida. (a)
Clypeaster rosaceus, (b) Leodia sexiesperforata e (c) Echinocyamus pusillus, todos em vista
superior. (d) Clypeaster rosaceus abobadado com um peristoma (análogo à boca) inflado e (e) seção de um Mellita tenuis super achatado. ... 70 Figura 29: Interior do Pavilhão ICD ITKE 2011. ... 71 Figura 30: Detalhe da junta estilo finger joint. ... 73 Figura 31: Processo de projeto do Pavilhão de 2011 do ICD/ITKE, onde (a) representação do princípio biológico que originou a regra das três chapas e (b) a implementação técnica dessa regra na organização das chapas e esquema de montagem dos módulos. ... 74 Figura 32: Procedimento sistemático de identificação de publicações. ... 79 Figura 33: Estrutura prática de projeto morfogenético computacional formulada por Achim Menges. ... 88 Figura 34: Hygroscope: Meteorosensitive Morphology, por Achim em colaboração com Steffen Reichert, exposto no Centre Pompidou, Paris, em 2012. ... 97 Figura 35: Fachada do Qatar National Convention Centre, por Arata Isozaki, 2011. ... 98 Figura 36: Classificação de aplicações em Biodesign. ... 105 Figura 37: Bio-Concrete, o concreto autocurável desenvolvido pelo microbiólogo Henrik Jonkers. ... 106 Figura 38: Silk Pavilion, projeto do Mediated Matter Group (MIT Media Lab) sobre a utilização da fibras do bicho-da-seda como elemento de vedação de um pavilhão projetado de forma computacional e produzido por fabricação digital. ... 107
Figura 40: Microsilk, fibra de levedura geneticamente modificada, por Bolt Threads. ... 111
Figura 41: Exemplo de estrutura arbórea. ... 118
Figura 42: Exemplo de L-System. ... 119
Figura 43: Reaction-Diffusion na Natureza: alteração do padrão de pele do Peixe-anjo-imperador ao longo do período de vida. ... 120
Figura 44: Comportamento da regeneração de tecidos de peixes-zebra e sua simulação computacional empregando o RDS. ... 121
Figura 45: Etapa processual 1 - configuração do crescimento do sistema por meio do L-System por controle de gerações. ... 123
Figura 46: Etapa processual 2 - população de pontos na superfície de geometria. ... 124
Figura 47: Etapa processual 3 - geração de superfície integrada a partir da volumetrização dos pontos definidos em etapa anterior. ... 124
Figura 48: Etapa processual 4 - Configuração e conversão da geometria em volume. ... 125
Figura 49: Etapa processual 5 - Reprodução cíclica de trecho algorítmico. ... 126
Figura 50: Etapa processual 6 - Conversão do volume em superfície poligonal. ... 127
Figura 51: Desenvolvimento da superfície poligonal por meio de iterações alimentadas pelos frames do software Houdini. ... 127
Figura 52: Etapa processual 6 - Ajustes de encaixes para velas (A) e suavização superficial (B). ... 128
Figura 53: Versão A: crescimento e desenvolvimento em proporção equivalente de volumes em X, Y e Z em ambos os operadores de desfoque. ... 129
Figura 54: Versão B: crescimento e desenvolvimento em proporção equivalente de volumes em X e Y, e fixa em Z em ambos os operadores de desfoque. ... 129
Figura 55: Crescimento e desenvolvimento em proporção equivalente de volumes em X, Y e Z do primeiro operadores de desfoque e não equivalente do segundo operador. ... 130
Figura 56: Diagrama dos processos de projeto aplicados no Turing Candelabra. ... 131
Figura 57: Alga Anabaena flosaquae. ... 133
Figura 58: Seção microscópica da ponta de uma raiz. Observa-se a região de células meristemáticas ao centro. ... 134
Figura 59: Fungo do gênero Phycomyces exibindo fototropismo positivo. ... 135
Figura 62: Florescence Jewelry - Nervous System, uma coleção de jóias projetada a partir da
simulação computacional de DG. ... 138
Figura 63: Etapa processual 1 - Modelagem poligonal de objeto cuja superfície foi preenchida com linha gerada pela simulação de DG a nível celular. ... 139
Figura 64: Etapa processual 2 - Importação e ajustes de geometria. ... 140
Figura 65: Etapa processual 3 - Definição de polígono cujo padrão de expansão geométrica (crescimento) seguirá as regras do DG. ... 141
Figura 66: Etapa processual 4 - Trecho algoritmico de transformação iterativa dos parâmetros do polígono seguindo regras do DG. ... 142
Figura 67: Etapa processual 4 - operações de redimensionamento, escala e gradiente de fatores numéricos dentro do Solver. ... 143
Figura 68: Etapa processual 4 – Correção dos pontos sobrepostos das arestas. ... 144
Figura 69: Etapa processual 4 - Suavização do contorno da geometria. ... 144
Figura 70: Etapa processual 5 - Extração do contorno em formato de curva contínua. ... 145
Figura 71: Crescimento em DG do polígono circular. ... 145
Figura 72: Etapa processual 6 - Volumetrização por envelopamento da curva e refinamento da malha resultante. ... 146
Figura 73: Villus Vase, experimento morfogenético que enfocou questões de crescimento e desenvolvimento baseado no modelo matemático de Crescimento Diferencial. ... 147
Figura 74: Diagrama dos processos de projeto aplicados no Villus Vase. ... 148
Figura 75: Etapa processual 1 - Modelagem algorítmica da superfície do assento. ... 150
Figura 76: Etapa processual 2 - Importação e ajustes de geometria. ... 151
Figura 77: Etapa processual 3 - Cálculo do vetor normal aos vértices e atribuição do parâmetro personalizado de escala. ... 152
Figura 78: Etapa processual 3 - Estabelecimento de pontos de influência e seus fatores de escala. ... 152
Figura 79: Trecho algorítmico de transformação iterativa dos parâmetros da superfície seguindo regras do DG... 153
Figura 80: Etapa processual 4 - Trecho algoritmico de atualização iterativa da geometria e reconstrução de sua malha. ... 154
Figura 81: Etapa processual 5 - Transferência dos fatores de escala dos pontos de influência para os vértices da superfície. ... 155
Figura 83: Etapa processual 7 - Suavização da superfície. ... 156
Figura 84: Crescimento em DG da superfície estudada. ... 157
Figura 85: Etapa processual 8 - Ajustes funcionais para área de assento e encosto. ... 157
Figura 86: Etapa processual 9 - ajuste funcional de coreção de altura de assento. ... 158
Figura 87: Calyx Chair, um experimento morfogenético de crescimento e desenvolvimento baseado no modelo matemático de DG. ... 159
Figura 88: Diagrama dos processos de projeto aplicados no Calyx Chair. ... 160
Figura 89: Representação gráfica de agente adaptativo em um Complex Adaptive System . 162 Figura 90: Colônia de formigas tecelãs construindo uma ponte: um exemplo de interação e auto-organização de agentes autônomos no processo de materialização, estruturação e formação naturais. ... 163
Figura 91: Etapa processual 1 – configuração geral da delimitação geométrica e espacial da coluna e das linhas-guia para posterior computação dos agentes autônomos. ... 165
Figura 92: Diagrama de funcionamento do comportamento errante. ... 166
Figura 93: Etapa processual 2 – configuração e funcionamento do Agent-based System. .... 168
Figura 94: Etapa processual 3 – Análise estrutural das curvas formadas pelos rastros dos agentes autônomos interpretando-as como um sistema de barras. ... 169
Figura 95: Etapa processual 4 – Minimização do valor de deslocamento das barras da coluna por meio de computação evolutiva. Interface do Galapagos, algoritmo evolutivo integrado ao Grasshopper. ... 171
Figura 96: Etapa processual 5 – processo unificação volumétrica das barras resultantes da otimização estrutural. ... 172
Figura 97: Wandering Column, um experimento de projeto morfogenético desenvolvido através do comportamento "errante" de agentes autônomos e otimização estrutural por computação evolutiva. ... 173
Figura 98: Diagrama dos processos de projeto aplicados no Wandering Column. ... 174
Figura 99: Etapa processual 1 - Definição de área de projeto e identificação de vazios urbanos contidos na região. ... 177
Figura 100: Etapa processual 2 - Conexão geométrica de áreas de pouco ou nenhum uso urbano. ... 178
Figura 101: Etapa processual 3 - Agrupamento das linhas em redes interconectadas auto-organizadas. ... 179
Figura 103: Etapa processual 4 - Geração da superfície que definirá os pavimentos da superestrutura e a configuração do revestimento. ... 180 Figura 104: Etapa processual 5 - Emprego do ABS para definir o desenho dos núcleos estruturais. ... 182 Figura 105: Etapa processual 6 - Definição das lajes da superestrutura. ... 183 Figura 106: Etapa processual 7 - Emprego do ABS para definir o desenho da subestrutura de apoio às lajes. ... 184 Figura 107: Etapa processual 8 - Emprego do ABS para definir o desenho do revestimento do projeto. ... 185 Figura 108: Submissão do projeto conceitual Urban Rhizome à competição internacional eVolo
Skyscraper – Perspectiva a partir do Vale do Anhangabaú, São Paulo. ... 186
Figura 109: Submissão do projeto conceitual Urban Rhizome à competição internacional eVolo
Skyscraper – Perspectiva a partir do Viaduto Santa Ifigência, São Paulo. ... 186
Figura 110: Diagrama dos processos de projeto aplicados no Urban Rhizome. ... 187 Figura 111: Diagrama de contextualização conceitual do projeto morfogenético e abordagens ou metodologias relacionadas. ... 191
Gráfico 1: Incidência dos termos biomimetics, bionics, biomimicry e biotechnique desde 1900
dentro do espaço amostral do Google Books. ... 60
Gráfico 2: Análise cronológica de livros sobre o conceito da morfogênese. ... 80
Gráfico 3: Análise dos artigos do CumInCAD. ... 90
Gráfico 4: Análise dos artigos selecionados. ... 93
CAD Computer-Aided Design
CAAD Computer-Aided Architectural Design
CAM Computer-Aided Manufacturing
NURBS Non-uniform Rational B-Spline
ABS Agent-based System
CAS Complex Adaptive Systems
RDS Reaction-Diffusion System
CA Cellular Automata
1. Introdução ... 23
1.1. Problemática e Justificativa ... 34
1.2. Objetivos ... 35
1.3. Relação com outras pesquisas ... 35
1.4. Metodologia ... 36
1.4.1. Método ... 36
1.4.2. Procedimentos teórico-conceituais ... 36
1.4.3. Procedimentos prático-experimentais ... 37
1.5. Estrutura da dissertação ... 38
2. Bio-inspired Design (projeto bio-inspirado) ... 40
2.1. A Forma Biológica ... 40
2.2. Bio-Inspired Design ... 45
2.2.1. Primeiras Analogias ... 45
2.2.2. A inspiração na Natureza e a Arquitetura Moderna ... 47
2.2.3. Um novo ciclo de analogias naturais no século XXI ... 55
2.3. Considerações sobre o Bio-inspired Design... 56
3. Biomimética ... 58
3.1. Origens históricas e termos relacionados ... 59
3.1.1. Biotechnique, Biotechnik ou Bionik ... 60
3.1.2. Bionics ... 63
3.1.3. Biomimetics ... 65
3.1.4. Biomimicry ... 66
3.2. Exemplos de aplicação biomimética ... 67
3.2.1. Trem Bala Shinkasen série 500 ... 67
4. Morfogênese ... 76
4.1. Revisão Sistemática da Literatura (2000-2017) ... 76
4.1.1. Morfogênese Biológica ... 81
4.1.2. Morfogênese na Arquitetura: Analogias Formais ... 83
4.1.3. Morfogênese na Arquitetura: Processo Computacional ... 85
4.2. Análise e resultados da Revisão Sistemática da Literatura ... 89
4.2.1. Definição Conceitual ... 94
4.2.1.1. Digital versus Computacional ... 94
4.2.2. Experimentações acadêmicas e aplicações práticas ... 96
4.2.3. Métodos e estratégias de aplicação ... 98
4.2.4. Ensino de projeto morfogenético ... 99
4.3. Considerações sobre o projeto morfogenético ... 100
5. Biodesign: projetando com a Natureza ... 102
5.1. Definição Conceitual ... 102
5.1.1. Natural Computing (computação natural) ... 103
5.2. Aplicações e Classificações ... 104
5.2.1. Organismo Vivo ... 105
5.2.1.1. Organismo não modificado geneticamente ... 106
5.2.1.2. Organismo modificado geneticamente ... 108
5.2.1.3. Coalizão ... 108
5.2.2. Biomassa ... 108
5.2.2.1. Biomassa de organismo não modificado geneticamente ... 109
5.2.2.2. Biomassa de organismo modificado geneticamente ... 110
5.3. Considerações sobre o Biodesign ... 111
6. Experimentos ... 114
6.1. Procedimentos metodológicos ... 114
6.2.1.1. Definições de projeto ... 117
6.2.1.2. Fundamentação conceitual ... 117
6.2.1.3. Desenvolvimento do projeto ... 122
6.2.2. Experimento II – Villus Vase ... 132
6.2.2.1. Definições de projeto ... 132
6.2.2.2. Fundamentação conceitual ... 132
6.2.2.3. Desenvolvimento do projeto ... 138
6.2.3. Experimento III – Calyx Chair ... 148
6.2.3.1. Definições de projeto ... 148
6.2.3.2. Fundamentação conceitual ... 148
6.2.3.3. Desenvolvimento do projeto ... 149
6.2.4. Experimento IV – Wandering Column ... 161
6.2.4.1. Definições de projeto ... 161
6.2.4.2. Fundamentação conceitual ... 161
6.2.4.3. Desenvolvimento do projeto ... 164
6.2.5. Experimento V – Urban Rhizome ... 175
6.2.5.1. Definições de projeto ... 175
6.2.5.2. Fundamentação conceitual ... 175
6.2.5.3. Desenvolvimento do projeto ... 175
6.3. Considerações sobre os experimentos ... 187
7. Resultados e discussão ... 191
8. Conclusão ... 197
Referências ... 201
APÊNDICE A – Glossário de termos específicos ... 216
APÊNDICE B – Questionário de entrevista ... 220
APÊNDICE C – Entrevista com Katia Zolotovsky ... 222
1. Introdução
Recorrer à Natureza, ou aos mecanismos e estratégias dos processos biológicos, como fonte de inspiração para as artes aplicadas, a arquitetura e as ciências artificiais sempre foi um tema recorrente na história da arquitetura (BAHAMÓN; PÉREZ; CAMPELLO, 2008; STEADMAN, 2008). O projeto de inspiração biológica, ou Bio-inspired Design, encontra-se dentro de um campo mais amplo denominado projeto por analogia, ou Design-by-Analogy (FU et al., 2014), e é um paradigma promissor para a inovação projetual, bem como para o design sustentável (HELMS; VATTAM; GOEL, 2009) e ecológico (OXMAN et al., 2015; ROUDAVSKI, 2009), uma vez que permite criar materiais e estruturas extremamente eficazes e eficientes, bem como métodos, ferramentas, mecanismos e sistemas de projeto. Além da observação de que, ao longo de muitos anos, tais processos presentes na natureza apresentam soluções de máximo desempenho usando o mínimo de recursos (OXMAN, 2010), os conceitos de totalidade, coerência, correlação e integração, presentes no estudo dos organismos naturais, podem ser aplicados na descrição de qualidades semelhantes de um projeto bem planejado e executado, o que justifica a frequente inspiração, por parte de teóricos de arquitetura, à Biologia, de todas as disciplinas científicas (SHARIF, 2010; STEADMAN, 2008).
Na Natureza e na arquitetura, nota-se uma qualidade comum entre os processos e fenômenos, a transformação de estados iniciais ou instáveis da matéria em estados finais ou estáveis, qualificando-as como mediadoras de processos materiais. Dado que na Natureza há estratégias de distribuição material para satisfazer simultaneamente múltiplos critérios de desempenho estrutural e ambiental em locais específicos, dado que na Natureza há a integração total entre a “modelagem” (código genético), a “análise” (adaptação) e a “fabricação” (crescimento), e dado que a Natureza é comprovadamente sustentável, a arquitetura e as disciplinas de projeto podem se tornar substancialmente mais sustentáveis ao adotar suas lógicas e estratégias materiais (OXMAN, 2010) que se aproximem àquelas desempenhadas pela Natureza. Observa-se também que tanto o projeto arquitetônico quanto a evolução biológica são processos não-determinísticos nos quais os critérios de avaliação e as metas de desenvolvimento são criados e fazem parte de um processo sujeito a constantes mudanças e adaptações. A biologia e a arquitetura diferem engenharias, que geralmente enfocam a otimização de funções individuais claramente definidas com condições de contorno fixas e funções objetivo (KNIPPERS; SPECK, 2012). Com o uso de ferramentas computacionais de
projeto, algumas abordagens de projeto arquitetônico buscam, cada vez mais, incorporar conceitos e técnicas fundamentados na Natureza, como crescimento ou adaptação. A arquitetura e a biologia compartilham uma linguagem comum, dado que ambas tentam compreender mecanismos de crescimento, desenvolvimento e adaptação ao computar e sintetizar os dados presentes no sistema (ROUDAVSKI, 2009). Essa linguagem comum entre as duas ciências é a própria ‘computação’, termo originado do Latim que significa ‘calcular, pensar juntamente’ e se refere a qualquer sistema onde componentes individuais funcionam conjuntamente (LEACH, 2009) e de forma integrada.
A arquitetura e a ciência sempre tiveram uma relação de proximidade baseada na troca de metáforas e imagens ao longo da história da humanidade. Esta recorrência frequente se dá na existência de similaridades operacionais que embasam essas áreas do conhecimento, que procuram contribuir para a construção cultural da noção de percepção e da definição do sujeito humano e seu ambiente não-humano ao interpretar e transformar o mundo, populando-o com diferentes sujeitos através dos períodos históricos (PICON, 2003). A Arquitetura se dá entre a concretização de uma realidade física e o domínio das possibilidades, conhecimento, regras e preceitos, o que a atribui um caráter virtual de realidade. As noções de projeto, ordem, proporção, ornamento, estrutura e espaço são as potências do meio virtual da Arquitetura. Da mesma maneira, a Ciência é permeada pelo virtual, uma vez que durante seus processos é recorrente a produção de tensões entre o conhecimento abstrato (teoria) e o experimento (prática) (PICON, 2003), de onde surgem os potenciais de inovação.
Ao tratar do tema da Natureza, a Arquitetura, a Ciência e a Tecnologia estabelecem uma relação ainda mais profunda na era digital. O principal papel da Ciência sempre foi investigar e compreender os fenômenos naturais. A partir da Revolução Ciêntífica na Europa do século XVIII, a abordagem do cientista tomou caráter lógico, objetivo, analítico, experimental e demonstrativo com o objetivo de entender a Natureza. Desde a Antiguidade Clássica, grande parte dos arquitetos vinham frequentemente abordando o mesmo tema ao representá-la, mesmo que de forma análoga e visual, em suas propostas projetuais. As disciplinas da Ciência, entre elas a Biologia, fornecem uma das maiores fontes de inspiração para a pesquisa sobre a morfogênese arquitetônica (LEACH, 2009). Com os atuais avanços tecnológicos e crescentes possibilidades promovidas por ferramentas computacionais de projeto, o desenvolvimento e aprimoramento de aplicações e metodologias morfogenéticas pode ser considerado um meio que indica a união entre o arquiteto e o cientista. Ao representar o processo de um sistema natural em um ambiente digital por meio de técnicas e metodologias
computacionais, o arquiteto é também cientista. Isto se relaciona com o fenômeno de transformação das Artes durante o Renascimento Científico, quando a forma dá lugar à função e as “leis naturais” passaram a ser estudadas cientificamente (SANTILLANA, 1993). A aplicação de estratégicas e operações características da morfogênese natural como uma estrutura conceitual de projeto computacional traz benefícios por incorporar em sua metodologia diversos critérios de análise e desempenho, permitindo resolver desafios que já foram resolvidos pela Natureza.
As ferramentas computacionais se encontram em constante desenvolvimento e aprimoramento, assim como o hardware, em termos de capacidade de processamento e armazenamento de memória. Consequentemente, o processo de projeto arquitetônico auxiliado por computador, ou Computer-Aided Architectural Design (CAAD), passou a apresentar maiores possibilidades nos anos recentes, tornando viável um maior rigor de aplicação de sistemas generativos em metodologias de projeto que promovam a integração entre a geração da forma, a avaliação e o desempenho (OXMAN, 2006). A abordagem morfogenética propõe um processo integrado e se baseia em uma estrutura de trabalho aberta informada por uma série de parâmetros, condicionantes e características de materiais, lógicas de fabricação e montagem (MENGES, 2008). Isso promove a interoperabilidade entre ferramentas computacionais com diferentes potencialidades.
Desde o surgimento do primeiro computador na década de 1960, o emprego de ferramentas digitais no processo de projeto auxiliado por computador, ou Computer-Aided
Design (CAD) tem ganhado importância inquestionável. Por meio da generalização de noções
como a informação, o código e o programa, e em função de diversas alterações de sociedades em contextos globalizados e informatizados, o emprego do computador tem um papel fundamental na maneira como o sujeito e seu ambiente são construídos e compreendidos (PICON, 2003). Métodos digitais de projeto, como o desenho paramétrico, os sistemas generativos e a computação evolutiva, associados a tecnologias de manufatura assistida por computador, ou Computer-Aided Manufacturing (CAM), permitem a exploração de novas abordagens e a integração entre concepção projetual, análise, produção e lógicas construtivas. Isso se vê presente em aplicações acadêmicas (Figura 1 e Figura 2) e profissionais (Figura 3 e Figura 4), bem como em empresas especializadas (Figura 5 e Figura 6) em aproximar a indústria aos profissionais da construção (CALIXTO, 2016).
Figura 1: The Programmed Wall, Gramazio Kohler Research (2006). Parede de tijolos desenvolvida em uma pesquisa na ETH Zurique.
Fonte 1: gramaziokohler.arch.ethz.ch -
<http://gramaziokohler.arch.ethz.ch/web/includes/popup.php?projectId=81&Copyright=18&lang=e&BilderGez uegelt=1&image_count=3&closeText=click%20to%20close>.
Figura 2: ICD/ITKE Research Pavilion 2013-14. Pavilhão desenvolvido em uma pesquisa na Universidade de Stuttgart.
Figura 3: Dalian International Conference Center, Coop Himmelb(l)au (2012).
Fonte 3: coop-himmelblau.at -
<http://www.coop-himmelblau.at/uploads/made/uploads/images/Projects/0804_DCC/final/P_0804_F20_SHP_1500_1000_85.jpg>.
Figura 4: One Main, dECOi Architects (2009).
Fonte 4: decoi-architects.org - <http://www.decoi-architects.org/wp-content/uploads/2011/10/OneMain_dECOi-Architects_036.jpg>.
Figura 5: Cambridge Mosque, Marks Barfield (2009) sob consultoria de Design-to-Production.
Fonte 5: marksbarfield.com - <http://www.marksbarfield.com/wp-content/uploads/2018/01/IMG_9832-1024x683.jpg>.
Figura 6: King Abdullah Petroleum Studies and Research Center, Zaha Hadid Architects (2009-2017) sob consultoria de Programming Architecture.
Fonte 6: zaha-hadid.com - <http://www.zaha-hadid.com/wp-content/files_mf/cache/th_65d1300db123ce22f6e2569fb36764f8_002_zha_kapsarc_central_courtyard_huftoncr ow_lowres92.jpg>.
Essa confluência entre as etapas do projeto promovida pelas tecnologias digitais possibilita o fluxo direto entre o que pode ser projetado e o que pode ser produzido através de colaborações interdisciplinares entre profissionais (KOLAREVIC, 2003a, 2008). Isso corroborou para o surgimento de uma época marcada por novas experimentações práticas e ramos da teoria de Arquitetura que lidam com a ciência, a tecnologia e o entendimento das propriedades dos materiais (LEACH, 2009; MENGES, 2011 apud LIU; LIM, 2009; OXMAN; OXMAN, 2010) denominada Arquitetura Computacional.
Em um primeiro momento, a implementação dessas novas ferramentas e métodos digitais ainda carregava consigo uma lógica de projeto que não integrava a forma, a estrutura e o material, restringindo-se a aspectos representativos e visuais de projeto (Figura 7) (GROBMAN; NEUMAN, 2012; OXMAN, 2010). Com o progressivo aumento do processamento computacional e refinamento das ferramentas digitais, passou-se para um segundo momento onde é possível conceber projetos a partir de sistemas generativos, promovendo a ampliação da capacidade do arquiteto por meio da automatização do processo de projeto (CELANI; VAZ; PUPO, 2013). Os sistemas generativos podem ser implementados sob diferentes métodos de representação de soluções utilizados por arquitetos, como o icônico, o analógico e o simbólico (MITCHELL, 1975). Além do método de representação proposto por Mitchell, tais sistemas generativos podem ainda ser classificados de diferentes maneiras. Eles podem ser organizados segundo a fonte de inspiração (lógica, biologia, etc.), o nível de controle por parte do arquiteto, a previsibilidade dos resultados (determinísticos e não determinísticos), o tamanho do espaço de busca de soluções, etc (CELANI; VAZ; PUPO, 2013).
Somando-se ao desenvolvimento de ferramentas computacionais de projeto, a crescente crise ligada a questões do meio ambiente e o reconhecimento das falhas de desempenho ambiental na prática tradicional de projeto impulsionaram o surgimento de uma abordagem projetual mais informativa, culminando em uma mudança de paradigma (OXMAN, 2010; STEADMAN, 2008). A crise ambiental trouxe a necessidade cada vez maior de reduzir impactos ambientais oriundos de diversas atividades humanas, o que inclui o projeto arquitetônico. Essa necessidade introduz uma nova dimensão à avaliação do desempenho do projeto: o grau de sustentabilidade (MYERS, 2018) ou, mais precisamente, a capacidade de melhorar a qualidade da vida humana sem causar impactos negativos na manutenção dos ecossistemas naturais (IUCN; UNEP; WWF, 1991). Algumas teorias e práticas contemporâneas de Arquitetura vêm se preocupando cada vez menos com a aparência e mais
com o desempenho do projeto, focando em critérios não apenas ambientais, mas também estruturais, construtivos, econômicos, entre outros. O objetivo dessas práticas é promover um uso mais integrado, inteligente e eficiente de recursos materiais ao invés de priorizar razões estéticas (LEACH, 2009).
Figura 7: Walt Disney Music Hall, Gehry Partners (2002). Desconexão entre estrutura primária e recobrimento da fachada, evidenciando uma incoerência metodológica de projeto.
Fonte 7: paperny.com - <http://www.paperny.com/gehry2/gehry_construction.jpg>.
Apesar de ter diversas definições, para o campo da Arquitetura o conceito de desempenho embasa a criação da forma arquitetônica por significar não apenas um resultado obtido a partir do atendimento de determinadas funções (“form follows function”), mas por também endereçar à forma qualidades oriundas de condicionantes culturais, sociais, econômicos e políticos (KOLAREVIC, 2003a). Ou seja, o projeto arquitetônico, nesse caso, não atende apenas a critérios funcionais, ele ocorre a partir da interação e integração de elementos físicos e de aspectos humanos ao seu redor. Esse processo integra e inclui todas as partes e baseia-se na Natureza e na cultura, possibilitando diversas soluções para um determinado problema (GROBMAN; NEUMAN, 2012).
As soluções de desempenho se tornam cada vez mais dependentes da precisão das intervenções e da compreensão detalhada de causa e efeito nas propostas de projeto. No entanto, as propostas tradicionais de projeto geralmente se desenvolvem com abordagens de cima para baixo (top-down), trabalhando a partir de representações abstratas de um problema
e, em seguida, detalhando progressivamente uma solução (LOVERIDGE, 2011). Na Natureza, de maneira diferente, observa-se que as soluções multifuncionais para determinado conjunto de problemas são resultados da evolução e adaptação dos organismos biológicos às condicionantes ambientais em constante mudança (KNIPPERS; SPECK, 2012), interpretando os problemas e restrições a um nível detalhado (LOVERIDGE, 2011) e por meio de uma abordagem de baixo para cima (bottom-up). Ao abordar as problemáticas de projeto relativas a questões de desempenho (como estrutura, programa, impacto ecológico) de maneira análoga às estratégias da Natureza, a interdisciplinaridade se faz necessária para o projeto arquitetônico e a Biologia é particularmente interessante para arquitetos e engenheiros, pois proporciona não apenas fenômenos isolados, mas também novas estratégias técnicas e metodológicas (KNIPPERS; SPECK, 2012).
A crescente demanda por critérios de desempenho no processo de projeto, junto às recorrentes inspirações em processos naturais, fez surgir o interesse pela morfogênese natural (LEACH, 2009). Importado do campo das Ciências Biológicas, o termo se refere às logicas que determinam a geração da forma e o surgimento de padrões em um organismo vivo (MENGES, 2007; MURRAY, 1990) através de processos naturais de crescimento, diferenciação (LEACH, 2009) e adaptação (ROUDAVSKI, 2009). Uma definição menos abrangente proposta por Menges (2007) classifica a morfogênese natural como um processo de crescimento e desenvolvimento que gera sistemas de articulação espacial complexa. Esses sistemas são baseados em desempenho ambiental e resultam da interação entre características materiais intrínsecas e estímulos externos de forças e pressões do ambiente (MENGES, 2007). Nesse processo natural, a formação e a materialização são integradas de forma inerente e inseparável, desenvolvendo-se através de interações dinâmicas em um determinado ambiente, e através de períodos de tempo. Tais características permitem enquadrar tal funcionamento aos princípios da teoria evolutiva de Darwin (WEINSTOCK, 2004), apesar de que apenas o conhecimento da composição genética de um organismo não permite compreender os seus mecanismos de desenvolvimento (MAINI, 2012).
Um dos desafios de pôr em prática uma estrutura conceitual fundamentada em processos biológicos é o desenvolvimento de métodos e ferramentas computacionais que possam tornar tal abordagem reproduzível e implementável (GOEL; MCADAMS; STONE, 2014), uma vez que sua estrutura de trabalho é aberta, não existindo processos normativos, convencionais ou especificamente estruturados e rígidos para a prática computacional do projeto de inspiração biológica (HELMS; VATTAM; GOEL, 2009). Ao incorporar os sistemas
generativos como ferramentas de processo de projeto, tornou-se possível a arquitetos e pesquisadores abordar o projeto de inspiração biológica ao campo do projeto computacional. Assim, o Bio-inspired Design enquadra-se dentro dos sistemas generativos como uma estrutura conceitual que norteia a concepção do projeto a partir de analogias (formais, funcionais, de desenvolvimento, etc.) oriundas de um campo científico externo.
Métodos computacionais e ferramentas generativas associadas vêm sendo desenvolvidas dentro da pesquisa científica em Arquitetura em um esforço de promover maior consistência da analogia biológica. Em 1995, o notório professor e pesquisador John Frazer publicou An Evolutionary Architecture, pela Architectural Association School of Architecture (AA) de Londres, livro no qual se apropria de teorias computacionais, como autômatos celulares e algoritmos genéticos, para investigar os processos generativos de formas arquitetônicas através de uma abordagem baseada no desenvolvimento do projeto de forma análoga a processos encontrados na natureza (SHARIF, 2010).
Colega de Frazer, Paul Coates foi um professor e pesquisador da AA proeminente no ensino e fundamentação do projeto computacional do final do século XX. Fundador do Centre
of Evolutionary Computing in Architecture (CECA), Coates explorou ideias de Arquitetura por
meio da Computação, como a noção da emergência, associação entre forma e matéria, arquitetura genética, etc. (WEST, 2014). Na mesma época, em 1999, Peter Bentley edita e publica o livro Evolutionary Design by Computers, que procurou identificar os desenvolvimentos significativos em computação evolutiva, arte computacional e vida artificial realizados até aquele momento.
A partir de 2000, no Massachusetts Institute of Technology (MIT), o arquiteto Peter Testa, diretor e fundador do Emergent Design Group (EDG-MIT), em parceria com demais arquitetos e cientistas da computação, iniciou as primeiras aplicações práticas, coordenando pesquisas que resultaram em ferramentas e softwares como o MoSS, ou Morphogenetic Surface Structure (TESTA et al., 2000) e Emergent Design (TESTA et al., 2001), ambas enfocando aspectos de morfologia, emergência, propriedades adaptativas da forma arquitetônica e organizações complexas. No mesmo grupo de pesquisa do MIT, uma outra ferramenta, chamada Genr8 (HEMBERG; O’REILLY, 2002; SHARIF, 2010), foi desenvolvida com a finalidade de aplicar conceitos de computação evolutiva no processo de projeto. Assim como teorizou Frazer, a abordagem do Genr8 se baseava em processos de crescimento e desenvolvimento, tal como aqueles existentes na natureza. Em 2004, Michael Hensel, Achim
Menges e Michael Weinstock, fundadores e diretores do grupo Emergent Technologies and Design da Architectural Association School of Architecture de Londres, continuaram o desenvolvimento das ideias de Frazer e Coates pela introdução de novos métodos técnicos para conceber, projetar e produzir arquitetura computacional de inspiração biológica explorando conceitos como emergência, projeto morfogenético e morfoecologias.
Atualmente coordenador do Institute for Computational Design and Construction (ICD) do programa de mestrado internacional Integrative Technologies and Architectural
Design Research (ITECH), o Professor Achim Menges concentra sua prática e pesquisa no
desenvolvimento de processos de projeto de fabricação integrados, como o projeto morfogenético, a engenharia biomimética e a fabricação assistida por computador, o que promove um ambiente construído altamente articulado e de desempenho ambiental. Na literatura específica, nota-se que Menges e Weinstock são os autores que mais discorrem sobre o projeto morfogenético, ou morfogênese computacional, enquanto método de projeto.
Desta forma, é possível compreender o potencial interdisciplinar das analogias projetuais. Da intersecção entre Arquitetura, Biologia e Computação pode-se estabelecer diversos métodos e abordagens. Neste sentido, uma distinção importante entre o modus
operandi da morfogênese natural e o processo tradicional de projeto arquitetônico pode ser
observado: se por um lado ambos os processos lidam com a prática material, por outro lado eles divergem quanto à abordagem entre formação e materialização. Ou seja, os processos tradicionais de projeto arquitetônico não integram forma e material no momento de sua concepção, estabelecendo uma hierarquia de importância, onde há a priorização da definição da forma antes de sua materialização (MENGES, 2007; MENGES; WEINSTOCK; HENSEL, 2010; OXMAN, 2010).
Buscando pôr em prática os mecanismos observados em processos naturais de morfogênese, Menges propõe uma estrutura de trabalho prática para o projeto de morfogênese computacional (MENGES, 2008). É sugerida uma abordagem de projeto cujos resultados apresentam complexidade morfológica e qualidades de desempenho ambiental oriundas de um processo de projeto integrado de formação, materialização (MENGES, 2007), desenvolvimento e crescimento de forma adaptativa, gerando sistemas de organização complexa em função da interação sistemática entre capacidades materiais internas e forças ou pressões ambientais externas. Isto resulta em estruturas complexas e altamente funcionais, internamente organizadas através de séries sucessivas de subconjuntos propagados e
diferenciados a partir dos quais as qualidades de desempenho do sistema surgem (MUELLER; NEWMAN, 2003 apud MENGES, 2011). Da transposição do modo de operação da morfogênese natural para a computacional, é necessário que se preservem as seguintes características principais dentro do processo de projeto: priorização do material e de suas propriedades físicas, condicionantes de manufatura e fabricação, desempenho estrutural e ambiental, e conceitos de crescimento e desenvolvimento evolutivo do sistema (MENGES, 2007). Porém, características formais propriamente ditas em geral não são reproduzidas.
1.1. Problemática e Justificativa
A problemática e justificativa desta pesquisa estão relacionadas à potencialidades dos mecanismos da morfogênese natural em aplicações no projeto arquitetônico. Atualmente, vivemos em um contexto pós-industrial caracterizado pela mudança de produção em massa padronizada para a personalizada (mass customization) (PINE, 1992), o que, devido a novas tecnologias de projeto e manufatura, torna a indústria da construção civil mais flexível a incorporar requisitos antes não atendidos, como o desempenho ambiental, economia de material, precisão de orçamento, controle de resíduos, etc.
Nas últimas décadas, diversas aplicações definidas como morfogenéticas têm surgido na prática profissional e no meio acadêmico. Contudo, se por um lado a valorização de projetos que buscam analogia na Biologia a fim de resultados otimizados, baseados em critérios de desempenho e integração, é algo muito positivo por evidenciar avanços na área de projeto, por outro lado, o emprego do termo é comumente feito de forma genérica ou pouco clara, com um uso inconsistente das definições existentes sobre o projeto morfogenético, o que acaba resultando em significados díspares dentro da área de estudo, além de questionamentos quanto ao rigor metodológico de suas aplicações.
Este trabalho propõe uma abordagem teórico-prática do assunto. Na parte teórica, foi estudado e revisado o conteúdo relevante sobre o projeto morfogenético, e na parte prática foram desenvolvidos experimentos de projeto que aplicaram tal analogia de projeto computacional.
1.2. Objetivos
Geral
Estudar e fundamentar teoricamente o conceito de projeto morfogenético, reunindo e analisando informações conceituais para realizar experimentos práticos, criando uma biblioteca de exemplos para ilustrar e explicar estes conceitos e algumas de suas possíveis aplicações em arquitetura e design, gerando conhecimento nos campos de Bio-inspired Design e Generative
Systems, além de promover maior consistência de sua definição e, consequentemente, maior
fundamentação às suas aplicações cada vez mais presentes na prática e teoria da arquitetura contemporânea.
Específicos
1. Identificar, de maneira crítica, as diferentes definições presentes na literatura; 2. Propor uma definição terminológica coerente com a análise da literatura; 3. Identificar processos e projetos que utilizaram metodologia morfogenética no
processo de projeto;
4. Organizar um glossário de termos específicos ao tema, listando as diversas definições relativas à pesquisa de forma clara e consistente, e
5. Realizar experimentos práticos de projeto a partir da identificação de processos morfogenéticos correspondentes a fenômenos naturais.
1.3. Relação com outras pesquisas
Esta pesquisa de mestrado se insere dentro do contexto do grupo de pesquisa “Teorias e Tecnologias Contemporâneas Aplicadas ao Projeto” dentro das linhas de pesquisa “Modelagem Paramétrica” e “Automação do Processo de Projeto”. Liderado por Maria Gabriela Caffarena Celani, este grupo de pesquisa vem desenvolvendo trabalhos sobre diversos métodos de projetos digitais, como algoritmos genéticos, sistemas baseados em desempenho multicritério, fractais, autômatos celulares, Shape Grammars e Space Planning, desenvolvidos respectivamente por Jarryer Andrade de Martino, Filipe Medeia de Campos, Maycon Sedrez, André Luís de Araújo, Letícia Teixeira Mendes e Victor Calixto. Desta forma, esta pesquisa
de mestrado acrescenta uma nova camada de informações a um conjunto de trabalhos científicos que visam formar um corpo coerente de conhecimento na área de Architectural
Computing.
1.4. Metodologia
O desenvolvimento metodológico da presente pesquisa teórico-experimental foi realizado por meio de etapas que compreenderam o levantamento bibliográfico por revisão sistemática da literatura, coleta de dados por meio de entrevistas com especialistas, identificação de métodos e estratégias de aplicação e verificação por meio de exemplos e exercícios de aplicação.
1.4.1. Método
Esta pesquisa adota como base metodológica a pesquisa exploratória e apresenta uma abordagem teórico-prática do assunto, que consiste em uma metodologia teórico-conceitual e uma prático-experimental (GIL, 2002).
1.4.2. Procedimentos teórico-conceituais
O levantamento bibliográfico sobre o projeto morfogenético consistiu na revisão sistemática da literatura a respeito do tema e foi realizado por meio de consultas a bases de dados específicas da área da Arquitetura Computacional. Na primeira etapa da revisão sistemática da literatura foi realizada a identificação preliminar de conteúdo na base
CumInCAD (Cumulative Index in Computer-Aided Architectural Design), que reúne
publicações de congressos renomados internacionalmente, como ACADIA, ASCAAD,
CAADRIA, eCAADe, SiGraDi, CAAD Futures e IASS. Além de congressos, também foram
considerados periódicos importantes das áreas de metodologia de projeto e design computing, como Design Studies, IJAC, ITCON e Automation in Construction. De forma complementar,
foi realizada outra identificação de conteúdo em bases de dados científicas mais abrangentes como Scopus, ResearchGate e Web of Science.
A identificação de conteúdo permitiu localizar alguns livros relevantes ao tema, bem como identificar uma grande frequência de autores que indicam a existência de estudos aprofundados sobre o projeto morfogenético no MIT, consultados através do repositório de dissertações e teses online DSpace@MIT. Procurando averiguar o nível de estudo sobre o assunto no Brasil, escolheu-se a base de dados da USP, Teses.Usp, por ser o maior programa de pós-graduação do Brasil e, assim, melhor espaço amostral de pesquisas e aplicações no ambiente acadêmico brasileiro.
Paralelamente ao levantamento bibliográfico foi realizada a organização de um glossário de termos específicos ao tema, o que se faz importante por listar as diversas definições de forma clara e consistente para rápida consulta durante o desenvolvimento do trabalho e leitura da dissertação.
De forma a confirmar a revisão da literatura e sintetização de conhecimentos e informações relevantes, foram realizadas entrevistas com profissionais de notável conhecimento teórico e/ou prático sobre o assunto. Nesta etapa foram analisados 70 artigos, 16 livros e 41 dissertações / teses, totalizando 127 publicações.
Os procedimentos metodológicos teórico-conceituais serão explicitados no capítulo 4, sobre o projeto morfogenético.
1.4.3. Procedimentos prático-experimentais
As informações analisadas e sintetizadas no levantamento bibliográfico e nas entrevistas forneceram discernimento crítico para a identificação de diversos fenômenos naturais usados para compreender questões de crescimento, desenvolvimento e adaptação presentes em sistemas naturais e seus correspondentes modelos matemáticos aplicáveis ao projeto computacional.
Os procedimentos metodológicos prático-experimentais consistira na identificação, através da revisão da literatura estudada, de fenômenos biológicos e seus correspondentes modelos matemáticos aplicáveis por meio da computação, na verificação de sua
implementação prática por meio de consultas a websites e tutoriais técnicos, na formulação de um problema de projeto e a sua realização/solução por meio de ferramentas e processos computacionais que incorporem tais modelos matemáticos em sua metodologia de desenvolvimento. Na realização desses experimentos, abordou-se os problemas de projeto desde a escala do objeto até a escala da arquitetura e do projeto urbano.
Os cinco experimentos realizados nesta pesquisa foram organizados em itens que descrevem o fenômeno natural estudado, o problema de projeto e o processo morfogenético por meio do qual encontrou-se uma solução.
1.5. Estrutura da dissertação
Esta dissertação de mestrado está dividida em oito capítulos. O primeiro capítulo é a
Introdução, no qual se apresenta a problemática da pesquisa e se definem os objetivos. O
segundo capítulo discorre sobre as origens e os campos de atuação do Bio-inspired Design. O terceiro capítulo procura fundamentar a Biomimética através da identificação história dos termos que a conceituaram. O quarto capítulo apresenta uma revisão da literatura de artigos, dissertações e teses sobre a incorporação do termo Morfogênese no campo da Arquitetura Computacional. No quinto capítulo, discute-se a incorporação de organismos vivos no processo de projeto por meio do Biodesign. O sexto capítulo se refere aos Experimentos de aplicação realizados com o intuito de incorporar os principais conceitos estudados e discutidos em seis exercícios de projeto. O sétimo capítulo desta dissertação traz os Resultados e discussão da pesquisa. Por fim, o oitavo capítulo apresenta a Conclusão do trabalho.
Parte I
2. Bio-inspired Design (projeto bio-inspirado)
O Bio-inspired Design, bem como o campo de pesquisa mais abrangente que o enquadra, o Design-by-analogy, é reconhecido historicamente como a base de diversas inspirações inovadoras (FU et al., 2014). Apesar de não serem uma novidade no campo da Arquitetura (ESTEVEZ, 2010 apud ALVES, 2014), se realizadas com profundidade, as analogias biológicas podem se tornar uma fonte imprescindível de ideias e conhecimento científico (BONNER, 1964). Essas se fundamentam nos conceitos e pensamentos a respeito do crescimento e desenvolvimento da forma natural, um tema discutido desde a Antiguidade e que ganhou força no século XVIII entre pensadores e cientistas da época em diante.
A compreensão do Bio-inspired Design realizada nesta pesquisa se dá a partir do estudo da produção prática e teórica de arquitetos que pretendiam apreender a Natureza a partir do entendimento mecanismo, estratégias e operações de seus fenômenos, utilizando a analogia para atingir tal compreensão. A análise presente nesta pesquisa não se aprofunda no estudo da produção prática e teórica de arquitetos que enfocavam apenas na representação dos sistemas biológicos, como o caso do Movimento Organicista).
A discussão dos autores que fundamentam a teoria deste capítulo está contextualizada no tema da Natureza, tanto da perspectiva histórica e do entendimento da forma natural quanto da influência do estudo dos sistemas e fenômenos naturais na produção de artefatos e ambientes humanos por meio de analogias teóricas e projetuais.
2.1. A Forma Biológica
A inspiração à natureza, o interesse em compreender suas formas e funções na busca por harmonia, é algo que remonta à antiguidade clássica, principalmente ao observar os trabalhos de Aristóteles e Vitrúvio (AHMED, 2015). Desde a Grécia Antiga, críticos e filósofos já se inspiravam em organismos naturais, compreendendo-os como analogias perfeitas do equilíbrio entre harmonia visual e proporção entre as partes. Desde 490-430 a.C., período no qual o Partenon foi projetado (HEMENWAY, 2005), a proporção áurea pode ser entendida como uma das teorias matemáticas mais antigas a compreender as lógicas da ordem, repetições e proporções presentes em iterações consecutivas de crescimento concêntrico das pétalas de
flores. Representado matematicamente pela letra Φ, a proporção áurea estabelece uma relação recíproca entre duas partes desiguais de um todo por meio de uma divisão geométrica/matemática (DOCZI, 2012) na qual cada iteração apresenta as mesmas proporções (Figura 8). A reciprocidade contida nessa proporção é vastamente considerada harmoniosa (HUNTLEY, 1970 apud DOCZI, 2012), o que contribui para a ideia de que a integração entre componentes funcionais em um todo equilibrado e organizado era considerado a base da beleza clássica (STEADMAN, 2008).
O desenvolvimento da teoria sobre a inspiração em fenômenos naturais tem sua história marcada por diversas transformações conceituais e questionamentos de teóricos de diversas áreas do conhecimento a respeito do desenvolvimento da forma biológica, de onde surgiram ideias conflitantes sobre a origem da organização e formação dos organismos naturais no campo da Biologia. Nesse sentido, a discussão sobre o assunto no século XVIII foi marcada pela discordância entre grupos que procuravam responder como se dava o desenvolvimento da forma orgânica (ROE, 1981 apud GOKMEN, 2014). Por um lado, o grupo preformista (preformationism ou preformism) (Figura 9) defendia que a forma final de um organismo vivo
Figura 8: Proporção áurea: a cada iteração de crescimento dos segmentos geométricos, a mesma proporção é mantida.
Fonte 8: DOCZI, G. Dinergia nas Plantas. In: O Poder dos
Limites. 6. ed. São Paulo: Publicações Mercuryo Novo
era resultado do desenvolvimento de sua própria miniatura na forma de um óvulo ou espermatozoide. Por outro lado, o grupo epigenético afirmava que a forma se dá a partir do desenvolvimento gradual e diferencial originado em um processo de reprodução sexuada, havendo a emergência da forma a partir da “não-forma” (MAIENSCHEIN, 2017). A Epigênese é um termo cunhado por Aristóteles e se refere à teoria de longo curso relativa ao desenvolvimento dos embriões, segundo a qual os seres vivos resultam do desdobramento sucessivo das células-ovo sob pressão de forças imateriais. Recentemente, em 1942, o biólogo C. H. Waddington introduziu o termo “Epigenética” em substituição do anterior com o intuito de descrever tanto o processo da embriogênese quanto a disciplina que estuda o desenvolvimento embrionário dos seres vivos, a embriologia (SILVA; DIAS DUARTE, 2016). A partir da década de 1980, o conceito da Epigenética passou ser utilizado para qualificar não apenas uma disciplina, mas toda uma gama de fenômenos empíricos relativos ao funcionamento dos genes nos núcleos das células (HOLLIDAY, 2006). O grupo epigenético, portanto, reconhecia que a forma não é uma entidade pré-determinada ou fixa, mas um produto do desenvolvimento gradual da matéria não organizada (ROE, 1981 apud GOKMEN, 2014).
O pensamento teórico de Immanuel Kant a respeito do assunto se encontrava no meio termo entre os preformistas e os epigenéticos. O filósofo alemão estabelece que o processo biológico da transformação da forma inorgânica em forma orgânica depende de uma fonte de organização baseada em arquétipos pré-determinados, assumindo uma causalidade teleológica antecedente à geração da forma. Kant compreendia os processos de crescimento e desenvolvimento como impossíveis de serem discretizados de forma mecanicista (RICHARDS, 2002 apud GOKMEN, 2014).
Figura 9: ilustração representativa do pensamento comum da maioria dos preformistas, indicando que o óvulo ou o espermatozoide continha uma pequena pessoa que começaria a crescer uma vez que a concepção ocorresse.
Fonte 9: io9.gizmodo.com - <https://io9.gizmodo.com/when-scientists-belived-there-was-a-little-man-inside-e-1535749294>
Johann W. Von Goethe, assim como demais estudiosos da Biologia, buscou responder à questão do crescimento e do desenvolvimento natural levando em consideração o debate presente no século XVIII. Goethe considerava o pensamento preformista, vigente até então, falho ao explicar como se dão as variações morfológicas durante o desenvolvimento embrionário e afirmava que uma força ou impulso pré-determinado precisa estar presente dentro do organismo para guiar a sua formação (GOETHE; MILLER; SAINE, 1988 apud GOKMEN, 2014). Tais forças guiam os processos de organização material ao controlar o transporte de nutrientes que influenciam o crescimento e a manutenção do organismo. Goethe, portanto, acabou complementando o conceito da epigênese, considerando-a uma visão sobre o desenvolvimento de forma não predeterminante desde o início, mas atuante como uma diretriz ao longo do crescimento (GOKMEN, 2014). Goethe apresentou uma interpretação que sugere a conexão entre as formas naturais e os seus contextos, ideia que influenciará o pensamento de projeto ambiental no século XIX (KLEIN, 2009).
No início do século XIX, o trabalho do anatomista francês Georges Cuvier pode ser considerado como uma das produções que mais contribuiu para a ciência da época quanto à Figura 10: Urpflanze de Goethe, um estudo classificatório da estrutura morfológica de plantas, considerando um modelo idealizado de um arquétipo primordial. A partir desse modelo, as diversas variações encontradas na natureza ocorrem, segundo o autor.
Fonte 10: STEADMAN, P. The Evolution of Designs: Biological Analogy in Architecture and the Applied Arts. Revised Edition ed. 711 Third Avenue, New York, NY 10017: Routledge, 2008, p. 24.
aplicação objetiva de como a filosofia mecânica foi levada para a técnica de laboratório e pesquisa. Na Biologia, isto abriu campo para o surgimento de estudos de espécies animais e vegetais e demais classificações, corroborando para o desenvolvimento da taxonomia, da anatomia e do pensamento sobre arquétipos na história natural (Figura 10), como também observado no trabalho de Goethe sobre morfologia e o estudo da forma e estrutura orgânica e inorgânica, em sua obra Zur Naturwissenschaft uberhaupt, besonders zur Morphologie (1817) (STEADMAN, 2008).
2.2. Bio-Inspired Design
A dimensão do virtual da Arquitetura e na Ciência vem ocorrendo em função da constante troca de imagens e metáforas entre si. Através dos períodos históricos, a ciência fez grande uso de noções importadas da Arquitetura, a exemplo dos cientistas dos séculos XVI e XVII que frequentemente se referiam aos conceitos de ordem e proporção. Por parte dos arquitetos, desde o Renascimento até o final do século XVII, tais noções se relacionavam ao uso de construções geométricas bem como a técnicas de pesquisa, também usadas por cientistas da época (PICON, 2003). A partir do século XVIII, a noção de estrutura surge como outro nível de dimensão virtual da Arquitetura ao expressar o resultado da tensão entre as necessidades sociais e a cultura tecnológica de um período (VIOLLET-LE-DUC, 1872 apud PICON, 2003), o que corroborou para o desenvolvimento da pesquisa em história natural setecentista. Esta é marcada pelo surgimento dos métodos classificatórios de espécies animais e vegetais, bem como pela influência da arqueologia, e permitiu o surgimento das primeiras analogias a formas naturais por parte de arquitetos e designers.
2.2.1. Primeiras Analogias
A aproximação entre a Arquitetura e a Ciência, bem como o subsequente surgimento da pesquisa em história natural, possibilitou o estabelecimento de um paralelo entre a Biologia e a história e teoria de Arquitetura. Entre o final do século XVIII e o início do século XIX, começam a surgir as primeiras analogias biológicas no campo da arquitetura. Uma das primeiras contribuições nesse sentido foi a obra Leçons d’Architecture (1819), de
Jean-Nicolas-Louis Durand, na qual o autor realiza uma análise classificatória de tipos de edifícios, agrupando-os de acordo com as suas principais funções (Figura 11). Na metade do século XIX, a aplicação dos métodos de classificação e análise de Cuvier são observados explicitamente como estudos por analogia de edifícios e artefatos na França por Eugène Emmanuel Viollet-le-Duc e na Suíça por Gottfried Semper (STEADMAN, 2008).
Desde a publicação de A Origem das Espécies de Darwin, em 1859, as teorias da evolução e do desenvolvimento dos organismos naturais passaram a inspirar cada vez mais o pensamento europeu, influenciando principalmente a abordagem de arquitetos e artistas proeminentes. Historicamente, isto coincide com o surgimento do Art Nouveau, que buscou romper com o Ecletismo na Arquitetura ao cessar com referências históricas e se apoiar em referências da Natureza. Henry Clemens Van de Velde, arquiteto do movimento, propõe um paralelo entre os desenhos lineares do início do Art Nouveau na Bélgica e as noções de estrutura e ritmo presentes nos organismos vivos, incorporando a analogia natural aos seus projetos de arquitetura e mobiliário (WHITTICK, 1950). No Reino Unido, o movimento do Arts and Crafts surge no mesmo período como uma reação contra a queda da qualidade de produtos feitos por Figura 11: Classificação de saguões e tribunais por Durand e Legrand.
Fonte 11: DURAND, J. N. L. Précis des leçons d’Architecture donnés à l’École Royale Polytechnique. The Getty Research Institute, Los Angeles, CA. 2000, p. 46.
