Home Forschung & Bildung Aguahoja – Programmierbare wasserbasierte Biokomposite für digitales Design und Fertigung

Aguahoja – Programmierbare wasserbasierte Biokomposite für digitales Design und Fertigung

Aguahoja erforscht den Gestaltungsraum der Natur. Eine Sammlung natürlicher Artefakte wurde digital entworfen und aus den molekularen Bestandteilen in Baumzweigen, Insektenexoskeletten und unseren eigenen Knochen robotisch hergestellt. Hier schlagen sie einen neuartigen wasserbasierten Design-Ansatz und eine neue Fertigungsplattform vor, die eine enge Integration zwischen Materialsynthese, digitaler Fertigung und physikalischem Verhalten ermöglichen, und zwar auf Maßstäben, die denen der natürlichen Ökologie nahekommen und oft entsprechen.

Fabrication Information Modeling und Parametric Chemistry werden als Rahmen vorgeschlagen, durch die der Konstrukteur die Zusammensetzung, Form, das Verhalten und die Veränderung von Materie als Funktion der Materialtechnik steuern kann. Abstimmbare Biokomposite werden durch variable molekulare Zusammensetzung und adaptive Abscheidung hergestellt. Die daraus resultierenden mechanischen und optischen Eigenschaften werden dann als Input für das rechnerische Design und die digitale Fertigung über Skalen hinweg verwendet, wodurch die vollständige Integration zwischen der Plattform für die Roboterfertigung, der Materialmodellierung und der Formulargenerierung gefördert wird.

Die Natur hat uns zur hälfte aus Wasser gemacht. Mit Wasser erleichtern natürliche Ökologien die Anpassung der physikalischen und chemischen Eigenschaften eines Organismus durch Wachstum und biologischen Abbau als Funktion biologischer und ökologischer Einschränkungen. Dieser Zyklus von Geburt, Anpassung und Verfall ermöglicht es Ökosystemen, Materialien auf ewig einzusetzen. In alten Wäldern und Korallenriffen gibt es kaum Abfälle. In diesem Rahmen fördert die Materie, die von einem Mitglied eines Ökosystems (lebend oder nicht lebend) erzeugt wird, zwangsläufig den Lebenszyklus eines anderen. Das Ergebnis ist ein System, das mit Wasser betrieben wird und bei dem Energie- und Ressourceneinsatz seinesgleichen sucht.

“Im Gegensatz dazu besteht die gebaute Umgebung aus künstlichen, unbelebten Objekten, die dazu bestimmt sind, eine begrenzte Menge vordefinierter Funktionen auszuführen. Das Tempo, in dem wir diese Strukturen aufbauen, hat uns dazu gezwungen, Rohstoffe aus der Erde zu gewinnen und sie weit entfernt von ihren heimischen Lebensräumen anzulegen, als sie nachgefüllt werden können. Wenn ihre Funktion erfüllt oder überdauert wird, werden sie in unseren Deponien und Ozeanen zum endgültigen Abfall. Bei Fehlfunktionen oder Abbau wird ein Großteil der Kunststoffe, Hölzer, Glas und Metalle niemals recycelt.”

Aguahoja rekapituliert die materielle Intelligenz der Natur in der Art und Weise, wie wir die gewachsene Umgebung entwerfen und herstellen. Umweltfreundliche Biokomposit-Artefakte setzen sich aus den am häufigsten vorkommenden Materialien unseres Planeten zusammen – Cellulose, Chitosan und Pektin. Diese Komponenten werden parametrisch zusammengesetzt, funktional abgestuft und digital hergestellt, um biologisch abbaubare Verbundstoffe mit funktionalen, mechanischen und optischen Gradienten über Längenskalen von Millimetern bis Metern herzustellen. Im Leben modulieren diese Materialien ihre Eigenschaften als Reaktion auf Hitze und Feuchtigkeit. Im Tod trennen sie sich im Wasser, um neues Leben zu tanken.

Auf lokaler Ebene dienen diese Beziehungen als parametrische Designeingaben für Algorithmen, die abgestufte geometrische Muster basierend auf Materialeigenschaften erzeugen. Diese Muster dienen dazu, das mechanische und optische Verhalten in umweltspezifischen Bereichen der Struktur entweder zu verbessern oder auszugleichen. In regionaler Hinsicht werden diese Muster strukturellen Gradienten zugeordnet, die die Variabilität der mechanischen und optischen Eigenschaften nutzen, die durch geringfügige Änderungen der chemischen Formeln, der Wechselwirkungen zwischen mehreren Materialien und der Herstellungsparameter ermöglicht werden.

Von organischer Materie abgeleitet, von einem Roboter gedruckt und von Wasser geformt, weist diese Arbeit auf eine Zukunft hin, in der sich Gewachsenes und Gebildetes vereinen. Aguahoja verkörpert den Material Ecology-Designansatz für Materialbildung und -zerfall. Es ist eine Realisierung des alten biblischen Verses „Von Staub zu Staub“ – von Wasser zu Wasser.

Foto: mediatedmattergroup

Resultierende Motten können 1,5 Millionen Eier produzieren, mit dem Potenzial, bis zu 250 zusätzliche Pavillons zu bauen. Beeinflusst von den räumlichen und Umweltbedingungen, einschließlich der geometrischen Dichte sowie der Veränderung des natürlichen Lichts und der Wärme, wanderten die Seidenraupen in dunkle und dichtere Bereiche. Gewünschte Lichteffekte zeigten Variationen in der Materialorganisation über die Oberfläche der Struktur. Ein saisonspezifisches Sonnenpfaddiagramm, das Sonnenflugbahnen im Weltraum aufzeichnet, bestimmte die Position, Größe und Dichte der Öffnungen innerhalb der Struktur, um die Strahlen von natürlichem Licht einzuschließen, das von südlichen und östlichen Erhebungen in den Pavillon eintritt. Das zentrale Okulus befindet sich gegenüber der Ostlage und kann als Sonnenuhr verwendet werden. Parallele Grundlagenforschung untersuchte die Verwendung von Seidenraupen als Entitäten, die die Materialorganisation auf der Grundlage externer Leistungskriterien “berechnen” können. Insbesondere untersuchten wir die Bildung nichtgewebter Faserstrukturen, die von den Seidenraupen erzeugt werden, als Berechnungsschema zur Bestimmung der Form- und Materialoptimierung faserbasierter Oberflächenstrukturen.

Der Aguahoja-Pavillon

Fortgesetzte Forschungen zur Anwendung von auf Umwelt ansprechenden Biokompositen haben zur ersten Iteration auf architektonischer Ebene der Aguahoja-Serie geführt. Die fünf Meter hohe Haut der Struktur besteht aus einem flexiblen Biokomposit mit funktional abgestuften mechanischen, chemischen und optischen Eigenschaften. Die robotergestützte Ablagerung von Cellulose und Chitosan ermöglicht die Erzeugung eines generativen Oberflächenmusters, das die Steifigkeit und Farbe der Platten in Abhängigkeit von Umgebungsparametern wie Wärme und Feuchtigkeit verändert. Bei Regen wird diese Biokomposit-Haut programmatisch abgebaut, wobei die Bestandteile des natürlichen Ökosystems wiederhergestellt werden, wodurch die natürlichen Ressourcenkreisläufe fortgesetzt werden, die ihre Synthese ermöglichen. Bereits geringfügige Änderungen der molekularen Zusammensetzung von Biokompositen können sich dramatisch auf ihr Aussehen und Verhalten auswirken. Die Aguahoja-Artefakte repräsentieren jahrelange Erforschung der Parametrisierung der Materialchemie, um eine Bibliothek funktionaler Biokomposite zu entwickeln. Die Stücke dieser Kollektion sind unterschiedlich in ihrer Erscheinung, aber sie bestehen alle aus den gleichen Komponenten. Chitosan, Cellulose, Pektin und Wasser.

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