computation - fabrication - comprehension

他分野で特筆すべき研究が見られたのでその解説と自分の研究との関わりを述べる。

ここで挙げる "The Advanced Educational Modeling Laboratory"
http://www.concord.org/~qxie/

では物理現象等の教育に特化したインタラクティブなシミュレーションツールを開発し、

そのシステムが工学・科学の学習にどのような効果を挙げるかを研究するグループ

である。実は科学や工学ではこのような、新しい知見を得るためや

これまでにない人工物を開発する為に、自前でツールを用意し対話的・発見的に
研究・開発を行うことは常である。

ここで、この研究所のリーダーである物理学者のCharles氏はこの対話的・発見的に
学習を行い研究を発展させる”学習プロセス”に注目し、この研究を立ち上げたようだ。

さて、物理現象はさまざまな事象が相互作用する複雑な”場”です。この現象を”わかる”

ことは非常に困難である。例えばその場を支配する数式が理解でききたからと行って

現象が”わかった”とは必ずしも言えない場合があるだろう。物理現象には複数の

状態があり、その状態は動的に遷移し、各々の状態に物理的な”意味”があるからだ。

ここで現象を”わかる”とはまさに体得(comprehension)するというような意味で、

流れの中でダイナミックに理解するとでも言える”理解”である。

この研究では、インタラクティブなシミュレーションツールを開発することで、

物理的な場を支配する変数を変化させ、インタラクティブに、どのように

現象が遷移するかを体験することができる。そして、スクリーンショット等で現象を

切り取り現象の記述することができる。（理解度の検証）

さてここで私が思うのは、やはり　”　現象を切り取り現象の記述する　”

ではどうしても”むずむず”するということです。

そこで、ものづくりのための、対話的なシミュレーションおよび開発ツールが

出てくるわけです。詳しくは割愛するが、東大五十嵐研究室の梅谷氏の研究

やGreg氏、東京大学助教の館氏はインタラクティブに物理環境をシミュレートし

その上で設計を行うことで人間では到達不可能な形態・機能を持った人工物を

生み出している。当然のことながら、ものづくりは現実の世界で行われるため
ここでは古典的物理法則支配する場として、その世界がシミュレートされる。
（物理的制約）そして、もう一つ作るもの自体のもつ形態の制約（幾何学的制約）
最後に、（設計・製造における制約）この３つの制約が絡み合った複雑な
対象が　”現象としてのモノづくり”　である。

ここで設計者は現象の理解と同時に設計を行いこれまで不可能で

あった人工物をつくっていることになる。ここでは、”　現象を切り取り現象の記述する　”

ではなく　”   　現象を理解し、切り取りとったり、設計したり    ” 　を繰り返すことで

人工物をつくる、まるで砂場で子供が遊ぶようなシステムが作られている。

ところで、わたしもこのような砂場を作りたくてしかたがない。

さてこの曲げ木はコンピュターで設計した曲線がそのまま作れるというものである。

まだ、様々な問題点はある者のとりあえず形になった。曲率に応じた切り込みパターン

を合板に刻むことで局所的に弾性の異なるストライプを生成する。その後、

曲率に応じて部材同士の接合部を設定し、木の自然な曲げによって目的の曲線を表現する。

さてさて、ここではまだ、物理的な場は出てこないが、幾何学的な条件を可視化し

その状態を見て対話的に設計するシステムと成っている。

今後は物理的な条件もできるだけこのシステムに盛り込んで行きたい。

さらに、３次元的な曲線も作れるシステムに発展させたい。

he Advanced Educational Modeling Laboratory

とりあえず第一号、完成

「任意のパラメトリック曲線で曲げわっぱを作る！」と宣言してから1ヶ月、
ついに形になりました。
digital fabrication技術を利用して設計支援ソフトウエアをつくりました。　
どういうことかというと、つまり
設計者が行う、ベジェ曲線をＣＧ上で描く→物質化というプロセスを
洗練させ、どのような材料で作るか？どういった硬さで作るか？
ある有限の部材で、どのような曲線が物質化可能か？などの条件を
設計の過程で解きつつ、曲線を設計するCADのようなものをつくりました。
技術的・具体的には、
①　曲線の曲率分布に応じた曲げを発生させる切込みパターン　
の生成（今は手動でパターンのパラメーターを指定している）
②　曲げ材と、型材（まげを固定する型）のスリットの間隔を算出する。
任意のベジェ曲線を適当に割りその距離を求め、その距離に応じて、
部材の接合部分の図面を生成する。
③　曲率に応じて、物質化するスケールをインタラクティブに決めるシステム
（スケールを大きくすれば、曲率が下がり物質かできる、あるいは、
曲線の設計の段階にもどり、曲率をより小さく調整する）
④　曲率半径を可視化し、物質化可能かどうかの直感的な把握を支援
あるいは、実際の材料を曲げることで確かめを行うことを支援する

これらの問題を解き、ＣＧから物質へ、物質からＣＧへのプロセスを
洗練・簡易化するソフトウェアをつくりました。
今後は、
・三次元空間上のベジェ曲線に対応したものをつくる。
・FEM等の構造解析と、実験によるパターンと曲げ可能性の検討・実験
・曲率に応じた、切り込みパターンの生成を自動化を行う。
以下、ソフトウェアの様子。

製作プロセス

1.ここで紹介したように曲線をシステム上で設計する。

2.レーザーカッターでストライプを出力

3.部材を組む

さて、この曲線ストライプに応じて材料の弾性領域を拡張するということをしている

のですが、今、実験計測器を購入し、パラーンに応じて弾性がどのように変化するか

を実験します。

http://satotech.com/item/783.html　これを使います。

で、計測台を作っています。

システムの概要 (ver.1)

1.ベジェ曲線を描く（曲線を生成・接続が可能）

2.曲率を可視化し、曲率の低いところに部材を接合するポイントを選択する。

3.型（合板を曲げを決めるための型）と、曲げられる材を生成する。

型材は、２の曲線をそのまま利用する。曲げられる材は以下のように生成される。

4.上の写真で描かれている、円は曲率半径である。各セクション（部材を接続するための

凸部分同時の間）における最大曲率を求め、その曲率半径を可視化している。

これの意義は、実際にどの程度、部材を曲げる必要があるかを確かめることができる。

5.4で曲率が大きすぎる場合はスケールを変更して、曲率を下げるか、曲線を再度デザイン

する。

6.各セクションにパターンをマッピングするこのパターンに応じて、材の曲がりやすさが

変わる。（実験・解析によるパターンと曲がりやすさの検証が必要）

7.型にあたる材と、パターンが刻まれた、曲げられる材（ストライプ）を出力する（pdf形式）

java--matheamticaを通信させる際の注意

javaとmathematicaを連帯させて、システム開発をしています。

mathematicaでいくつも関数を定義しておいて、java上からその関数を

利用します。その際、関数の引数として、何らかのデータをmathematicaに

渡すのですが、ここで注意すべきことがあります。

float型は基本的にはmathematicaに渡すことができません。

javaがmatehamticaと通信するために、備え付けてある、クラスの中に

float型を送るためのメソッドはサポートされていませんでした。。

http://reference.wolfram.com/mathematica/JLink/tutorial/WritingJavaProgramsThatUseMathematica.ja.html

これをしらないと、結構大変なエラーの原因になります。エラーにメッセージも出ないし、

もしfloatをmathematicaサイドに送って処理をさせても、そのまま何の問題もなく
実行できる場合もあります。なので、知らないと泥沼になります。（なりました）

レーザーカッターの機能改善、自作フィルターの取り付け (Clean up laser cutter and set the new filter )

本日レーザーカッターの集塵機を修理、自作フィルターの取り付けを
行いました。
＜結果＞
においはまったくなくなりました。
特にアクリルを切ってもまったくにおいがありません。
（今まではおなかが痛くなるほどのにおいでした。）

＜原因＞
においの一番の原因は、レーザーカッターに取り付けられた部分に
とても大きな穴が開いていたことです。

この様に、あからさまにでかい穴がレーザーのすぐ裏のパイプに見られました。
これがにおいの一番の原因だと考えられます。これは蔵の中に、汚染された空気
を撒き散らしているも同然です。
もうひとつの原因は、これまでフィルターだとされていたものがまったく機能して
いなかったことだと考えられます。
以下が、既存のフィルターです。これはフィルターではなく、ただの”網”です。。。

つまり、汚染された集塵をフィルタリングする役割はほとんど果たされていなかった
と思われます。
＜解決策＞
ダクトを穴の開かない塩化ビニールに変えました（田中先生が行ってくれました。）

さらに、自作でフィルターをつくりました。
内訳はエアコンの、フィルターシート、活性炭です。
この２つをタッパーにつめます。タッパーですので集塵がたまったら交換
可能です。

以下で、修理、フィルターの取り付けは終わりです。
これで本当ににおいがしなくなりました。
ゆうかさんが外でにおいのチェック、僕、枡森くんが蔵でにおいのチェックを
おこないました。一番においの強いアクリルをきっても、まったくにおいが
しませんでした。

mathematica code [memo]

複素数を除いて、さらに正の数を抽出するコード。
Cases[Cases[{-5, 2, 5+i},Except[Complex]] x_ /; x > 0]
mathematicaのサンプルコード検索するいい方法ないかねぇ。。。。

卒業制作途中経過

moduhedronに加え、曲線、曲面を平面の木材の部材で構成する

研究を始めています。 

今、作っているシステムは、３つ意味があると考えています。

1.有限の部材から形態をつくる。　

2.形態から部材をつくる。

3.同じ形態でも弾性の異なる、形態をつくる。（物質特性を含めたデザイン）

この３つを可能にするための、システムを構成しています。

まずは２次元から考えます。

２次元の曲線を描くのに有効なベジェ曲線を利用します。

ベジェ曲線はいたるところで微分可能で、インダストリアルデザインでは

よく用いられる、曲線です。

このベジェ曲線を合板の部材の組み合わせで作ろうというのが最初の

試みです。

具体的には、曲げわっぱの自由な曲線バージョンといったイメージでしょうか。

最初に述べた３つの命題をときながら形態・機能（物質特性）をつくる設計システムの

内訳をいかに述べます。

まず、以下の写真を見てください。

ベジェ曲線を描くと、同時に曲率分布も計算し、その曲率に応じて必要な部材が

決定されます。　逆に、どの程度曲がるかがわかっている部材から、その部材のみで

ある曲線を構成することもできるでしょう。

なお、部材の弾性は以下の写真のように、部材に切り込みを入れることで変化させる

ことができます。この切り込みのパターンで曲げやすさ、曲げ許容度を制御します。

ひとつの形態の中に、硬い部分柔らかい部分をつくりたい場合、このソフトウェアは
有効だろうと考えています。まだまだ途中ですが、機能も含めた曲線・曲面デザイン
システムの雛形のようなものをつくっています。