La genética como inspiración en el proceso de diseño de la arquitectura. Eisenman y Zaha Hadid

244 1 LA GENÉTICA COMO INSPIRACIÓN EN EL PROCESO DE DISEÑO DE LA ARQUITECTURA. EISENMAN Y ZAHA HADID GENETICS AS INSPIRATION IN THE DESIGN PROCESS OF ARCHITECTURE. EISENMAN AND ZAHA HADID Carmen Escoda Pastor; orcid 0000-0003-4438-1813 Universitat Politècnica de catalUnya Natalia Botero Márquez; orcid 0000-0003-1697-6879 Universitat Politècnica de catalUnya Federico Arévalo Rodríguez; orcid 0000-0002-4703-6129 Universidad de sevilla Antonio Amado Lorenzo; orcid 0000-0002-4208-4463 Universidade da corUña doi: 10.4995/ega.2024.17398 La analogía genética y biológica como inspiración en procesos de diseño y en concreto su uso como base conceptual en la generación del proyecto de arquitectura, abarca procesos que se extienden desde la metáfora hasta técnicas de diseño y procesos gráficos que utilizan algoritmos evolutivos y diseño paramétrico. El uso de dichos algoritmos evoluciona, en el modelado arquitectónico y en la bioinformática, paralelamente a los avances en inteligencia y vida artificial. Para el conocimiento de los avances actuales de los desarrollos basados en la genética, se presenta su evolución cronológica en conexión con su analogía en la arquitectura. Como modelos arquitectónicos basados en dichos procesos, se analizan las propuestas Biocentrum de Peter Eisenman y The Winton Gallery de Zaha Hadid, que se fundamentan en las matemáticas y en los algoritmos, en las que el proceso de ideación se convierte en objetivo del proyecto arquitectónico. PALABRAS CLAVE: ANALOGÍA GENÉTICA, ADN, ALGORITMOS, REPRESENTACIÓN GRÁFICA Genetic and biological analogy as a means of inspiration in the design process and, particularly, its use as conceptual grounds for the birth of the architectural project encompasses processes extending from metaphor to design techniques and graphic processes using evolutive algorithms and parametric design. Regarding the architectural modelling, the use of those algorithms develops in parallel to advances in artificial intelligence and life. To know of current advances of developments based on genetics, a chronological evolution is presented linked to its analogy in architecture. As architectural models based on those processes, the proposals of Biocentrum by Peter Eisenman and The Winton Gallery by Zaha Hadid are analysed. These are rooted on maths and algorithms and their ideation process becomes the goal of the architectural project. KEYWORDS: GENETIC ANALOGY, DNA, ALGORITHMS, GRAPHIC REPRESENTATION From Genetic Chain to Computational Biology Instructions to build a living organism are written in a code of four letters, grouped in words of three (Cherfas, 1982, p. 12) Throughout history, scientific advances have become an important source of inspiration for designers, artists and architects. In the beginning, biology might have been the base for organic analogy, as well as the appearance of taxonomic classifications, lineage and heredity might have motivated artists such as Durero to generate categories based in their underlying geometries. As for genetics, its role as a means of inspiration for art sprang as a consequence of James Watson and Francis Crick’s discovery of the double helix structure in the 50’s. Soon after, in 1961, the Helix City project by Kisho Kurokawa became a clear example of genetic analogy present in architecture (Fig. 2). In the author’s words: “The helicoidal city is a spiralling structure proposed as a third or alternative spatial system. Just as with chromosomes (DNA) in a living system, the helix structure acts as a spatial frame for the transmission of data.” (Kurokawa, 1977, p. 56) The first discoveries in computational biology took place in the sixties. Ivan Sutherland and Cyrus Levinthal developed the first 3D graphic representations of the molecular structure of proteins. The latter developed molecular genetics, focusing his research in computational applications in the processes of biological structures such as the folding of proteins and the connectivity among cells for the development of the nervous system. As a pioneer unifying both areas, the new possibilities implied the analysis of data, the search for alignments, statistics, probabilities, artificial intelligence, graphos theory (Ore, 1995), information theory and search algorithms. These last two advances have become the central axis of genetic analogy in the current development of computer assisted design. Genetic Algorithms and Evolutive Representation Evolutive computation is integrated by genetic algorithms, and evolutive strategies De la cadena genética a la biología computacional Las instrucciones para construir un organismo vivo están escritas en un código de cuatro letras, agrupadas en palabras de tres. (Cherfas, 1982, p. 12) A lo largo de la historia, los avances científicos han representado una importante fuente de inspiración para diseñadores, artistas y arquitectos. En sus inicios, la biología pudo ser la base de la analogía orgánica, así como la aparición de clasificaciones taxonómicas, linajes y herencias pudo motivar a artistas como Durero a generar categorías basadas en las geometrías subyacentes. Por lo que respecta a la genética, su papel como inspiración en el arte surgió como consecuencia de los descubrimientos de la estructura de doble hélice realizados por James Watson y Francis Crick en los años cincuenta. Poco después, en 1961, el proyecto Helix City de Kisho Kurokawa fue un claro ejemplo de analogía genética presente en la arquitectura (Fig. 2). Según indicaba el autor: “La ciudad helicoidal es una estructura en espiral que se propuso como tercer sistema espacial o alternativo. Al igual que en el caso de los cromosomas (ADN) en el sistema de la vida, la estructura de la hélice actúa como un marco espacial para la transmisión de datos” (Kurokawa, 1977, p. 56). En la década de los sesenta se dieron los primeros descubrimientos sobre la biología computacional. Iván Sutherland y Cyrus Levinthal desarrollaron las primeras representaciones gráficas en 3D sobre la estructura molecular de las proteínas. Este último avanzó en la genética molecular, enfocando su trabajo hacia la aplicación computacional, en procesos de estructuras biológicas como el plegamiento de proteínas y la conectividad de células en el desarrollo del sistema nervioso. Como pionero en unificar ambas áreas, las nuevas posibilidades de la bioinformática implicaban análisis de datos, búsqueda de alineamientos, estadísticas, probabilidades, inteligencia artificial, teoría de grafos (Ore, 1995), teoría de información y algoritmos de búsqueda. Estos dos últimos avances forman el eje central de la analogía genética en el actual desarrollo del diseño asistido por medios digitales. Algoritmos genéticos y representación evolutiva La computación evolutiva está formada por algoritmos genéticos, estrategias y programación evolutivas. Ingo Rechenberg (1973) introdujo las estrategias evolutivas en la década de los años sesenta. Fogel, Owens y Walsh crearon, en 1966, la programación evolutiva y, en 1975, John Holland presentó el algoritmo genético basado en estudios sobre la adaptación de seres vivos. Los algoritmos evolutivos están basados en las analogías neodarwinistas que integran la teoría de Darwin sobre la evolución de las especies a través de la selección na- 2 245 expresión gráfica arquitectónica 50 1. Flight of Fantasy, The Science Museum’s Winton Gallery. Diseño basado en ecuaciones de flujos de aire. Z. Hadid (2016) 2. Helix City. K. Kurokawa (1961) 1. Flight of Fantasy. The Science Museum’s Winton Gallery. Design based on equations of air fluxes. Z. Hadid (2016) 2. Helix City. K. Kurokawa (1961) 246 and programming. Ingo Rechenberg (1973) introduced evolutive strategies in the sixties. Fogel, Owens and Walsh created, in 1966, evolutive programming and, in 1975, John Holland presented the genetic algorithms based in researches carried out on the adaptation of living beings. Evolutive algorithms are based in neo- Darwinian analogies on the basis of Darwin’s theory about the evolution of the species through natural selection, Gregor Mendel’s about heredity, random genetic mutation as a means of variation, and the genetics of simulated populations. Those algorithms contemplate the example of a population of possible solutions to a specific problem. Individuals are evaluated through fitness (understood as the capacity of adaptation), so that those whose adaptation is better will become the most capable. Over the course of the process developed through generational cycles, individuals will be going through stages of selection, breeding, mutation and replacement. An evolutive algorithm needs a population of individuals: each one of them is defined by a genotype (a group of genes). Therefore, an individual would become a genotype, and a population an ensemble of individuals. After some repetition of routines, the individuals with the highest fitness are selected. Through this function, the algorithm calculates which individuals comply with the optimal condition (the closest to the solution). Individuals with a better adaptation will be selected as parents of the next generation and so forth, till the problem is solved. Individuals with the lower fitness are eliminated. In the stages of recombination and breeding, new individuals are generated combining the parents’ information (two or more individuals). When the breeding takes place, the information of those genotypes is taken and a new one is formed. Through that process, it is possible to eliminate or modify undesirable characteristics by adding information (inserting genes) from other living beings. As a consequence, in the field of evolutive computation an analogy can be established consisting on the use of evolutive “genes” in the processes of search and optimization. A gene is evolutive when its design presents a high degree of adaptation (Gero & Kazakov, 1996). tural, la de Gregor Mendel sobre la herencia, la mutación genética aleatoria como fuente de variación y la genética de poblaciones simuladas. Dichos algoritmos plantean el ejemplo de una población de posibles soluciones a un problema específico. A través del fitness (entendido como capacidad de adaptación) se evalúan los individuos, de manera que los que se hayan adaptado mejor serán los más capacitados. Durante todo el proceso desarrollado a través de ciclos generacionales, los individuos se verán afectados por estadios de selección, cruzamiento, mutación y reemplazo. Un algoritmo evolutivo necesita de una población de individuos: cada uno está definido por un genotipo (conjunto de genes). Por lo tanto, un individuo sería un genotipo, y una población, un conjunto de individuos. Después de alguna repetición de rutinas, los individuos con mejor fitness son elegidos. A través de esta función, el algoritmo calcula qué individuos cumplen con la condición óptima (la más cercana a la solución). Los individuos con una mayor adaptación serán seleccionados como padres de la siguiente generación y así sucesivamente, hasta resolver el problema. Los individuos con el fitness más bajo son eliminados. En los estadios de la recombinación y cruzamiento, se generan nuevos individuos combinando entre sí la información de los padres (dos o más individuos), cuando se realiza el cruzamiento, se toma la información de esos genotipos y se forma uno nuevo. A partir de este proceso, es posible eliminar características no deseadas o modificarlas agregando información (insertando genes) de otros organismos vivos. Como consecuencia, en el campo de la computación evolutiva, se puede establecer una analogía consistente en la utilización de “genes” evolutivos en procesos de búsqueda y optimización. Un gen es evolutivo cuando su diseño presenta un alto grado de adaptación (Gero y Kazakov, 1996). Lo que hace a un individuo mejor que otro es su fitness y esto sólo puede ser desarrollado a nivel fenotipo. Mientras que, sí queremos actuar sobre el material genético interviniendo en el cromosoma, estamos haciendo referencia al genotipo. El biólogo evolucionista Richard Dawkins en su libro The Blind Watchmaker (Dawkins, 1986) propuso una teoría para demostrar que la darwinista podría verse reflejada en los procesos de ideación del arte y de la ingeniería. Para ello, desarrolló el programa Biomorph en el que el usuario jugaba el papel de “la selección natural”. A partir de una forma inicial (un punto), el algoritmo presentaba en la primera generación nueve formas (Fig. 3). Según su criterio, el usuario seleccionaba uno de los genes presentados en pantalla y la información de este gen era la que definía los parámetros para la siguiente generación y así hasta encontrar la solución. Analogía genética a través de la deformación en el diseño paramétrico. Anamorfosis, familias y linaje En su tesis doctoral, Botero (2021) explica el funcionamiento del diseño paramétrico asociativo y de variación, planteando una comparativa entre varios procesos de representación: la anamorfosis de 247 expresión gráfica arquitectónica 50 3. Biomorph. Simulación de la evolución de un animal a partir de nueve parámetros. R. Dawkins (1986) 3. Biomorph. Simulation of an animal’s evolution from nine parameters. R. Dawkins (1986) What makes an individual better than other is its fitness, and this can only be developed at the level of phenotype. Whereas, if we want to manipulate the genetic material by intervening over the chromosome, we are referring to the genotype. The evolutionary biologist Richard Dawkins, in his book The Blind Watchmaker (Dawkins, 1986), proposed a theory to demonstrate that the Darwinian one could be reflected in the processes of ideation of art and engineering. In order to do that, he developed the Biomorph program in which the user played the role of “natural selection”. Starting with an initial form that was a point, the algorithm presented nine forms in the first generation (Fig. 3). At his discretion, the user selected one of the genes appearing in the screen and the information of this gene was the one defining the parameters for the next generation, and so forth until the solution was found. Genetic Analogy through Deformation of Parametric Design. Anamorphosis, Families and Lineage In her PhD thesis, Botero (2021) explains the functioning of associative and variational parametric design, setting out a comparative among several processes of representation: Samuel Marolois’ anamorphosis (1630), the deformations in the representation of faces by Alberto Durero (1528), D’Arcy Thompson’s maths (1961), and the modifications, using the theory of graphos, applied to architectural plans by Phillipe Steadman (1983). The word ‘anamorphosis’ comes from the Greek to transform. In Marolois’ Opera Mathematica ou Oeuvres Mathematiques Traictant de Geometrie, Perspective, Architecture, et Fortification (1617), about the anamorphosis of a dog, the transformation of the dog can be observed with multiple variations, similar to the creation of families and lineages (fig. 4). To accomplish it, he represents a dog over a 1 x 1 graph paper maintaining his normal proportions. In the following image, after applying anamorphosis, a deformation in a proportion of 3:1 can be observed (Fig. 5). Samuel Morolois (1630), las deformaciones en representaciones de caras de Alberto Durero (1528), las matemáticas de D’Arcy Thompson (1961) y las modificaciones a través de la teoría de grafos, aplicadas a plantas arquitectónicas, de Phillipe Steadman (1983). La palabra anamorfosis viene del griego transformar. En el tratado sobre geometría y perspectiva de Marolois (1617) sobre la anamorfosis de un perro, se observa su transformación con múltiples variaciones, similar a la creación de familias y linajes (fig. 4). Para ello, representa un perro sobre una cuadrícula de 1 x 1 manteniendo sus proporciones normales. En la siguiente imagen, aplicando la anamorfosis, se observa la deformación en una proporción de 3:1 (Fig. 5). Similar proceso había sido desarrollado por Durero en 1528, con una representación muy particular de las proporciones de caras humanas (Fig. 6), constatando cómo, al alterar dimensiones en la cuadrícula, resultan diferentes caras. D’Arcy Thompson, en el capítulo “On the theory of transformations or the comparisons of related forms” de su libro On Growth on Form (Thompson, 1961), utiliza un sistema similar, mostrando cómo diferentes tipo- 3 248 A similar process had been developed by Durero in 1528, with a particular representation of the proportions of human faces (Fig. 6), establishing how different faces result when the dimensions of the grid are altered. D’Arcy Thompson, in the chapter “On the theory of transformations or the comparisons of related forms”, from his book On Growth on Form (Thompson, 1961), uses a similar system, showing how different typologies of insects share a common origin (Fig. 7). A clarification is needed here that the concepts of anamorphosis considered by Marolois and Durero are wrong since they do not respond to the laws of perception in perspective to which anamorphosis has always been linked. Inspired by the works mentioned, Philip Steadman (1983) in Architectural Morphologies, an Introduction to the Geometry of Building Plans, applies a similar process to architectural design by generating families of architectural plans. His proposal reached a higher degree of rigour when he applied the theory logías de insectos comparten un origen común. (Fig. 7). Inspirado en los trabajos mencionados, Philip Steadman (1983) en Architectural Morphologies, an Introduction to the Geometry of Building Plans, aplica un proceso similar, trasladado al diseño arquitectónico, generando familias de plantas de arquitectura. Su propuesta adquirió más rigor al aplicar la teoría de grafos para analizar la agregación de espacios, subdivisión, simetría y adyacencia, permitiéndole llegar a unas familias de edificios a las que, de manera similar a las gramáticas formales, les fueron establecidas un conjunto de reglas asignadas a los grafos (Figs. 8 y 9): “Se verá que, podrían producirse un infinito número de plantas particulares, las que, sin embargo, compartirían la forma básica de cuatro habitaciones” (Steadman, 1983, p. 167). Analogía genética en arquitectura a través del método tradicional de diseño. Eisenman En el proyecto para el Biocentrum de la Universidad de Frankfurt, realizado en 1987 por Peter Eisenman, el arquitecto se basó en la analogía entre procesos arquitectónicos y biológicos, en relación a cómo se construyen las proteínas. Una serie de bloques de laboratorios paralelos se interrumpen por un volumen central que complejiza y enriquece la composición (Fig 10). Eisenman utilizó cuatro formas geométricas a las que asignó un color específico, representando los elementos básicos y necesarios para crear la estruc-tura del ADN: Adenina (A), Guanina (G), Cianina (C) y Tiamina (T) (Figs. 10 y 11). 4 5 6 7 249 expresión gráfica arquitectónica 50 of graphos to analyse the addition, subdivision, symmetry and adjacency of spaces, allowing him to develop families of buildings which comply with an ensemble of requirements, set for the graphos, similar to formal grammars (Figs. 8 & 9): “It will be seen that, in this way, an infinite number of particular plans might be produced, all of which would, however, share the same essential four-room shape.” (Steadman, 1983, p. 167) En la memoria del proyecto redactado para el concurso se indica que, trasponiendo estas figuras biológicas a una forma arquitectónica, se puede crear un edificio que sea arquitectónico y simbólicamente específico de la disciplina que alberga. De esta manera, Eisenman establece una analogía entre construcción biológica y arquitectónica, trasvasando la estructura del ADN a la forma arquitectónica. No solo representa la configuración física del ADN, sino que articula en el proyecto tres procesos básicos dentro de la producción de proteínas: replicación, transcripción y traslación. Más que representar simplemente la configuración física del ADN (es decir, una doble espiral), la forma del proyecto es el resultado de la acción de los tres procesos más básicos por los que el ADN fabrica proteínas; replicación, transcripción y traslación. De las figuras geométricas que los biólogos utilizan para explicar estos procesos, se usan cuatro, cada una con un color específico, que simbolizan el código del ADN (…) Descubrimos que existe una similitud entre los procesos de geometría fraccionaria y del ADN. Esta similitud fue utilizada para proponer una analogía entre los procesos arquitectónicos y los biológicos, que 8 9 4-5. Anamorfosis de la imagen de un perro, publicada por S. Marolois (1617) 6. Modificaciones en la cuadrícula. Diferentes tipologías de caras, razas, familia. Durero (1528) 7. Caparazones de varios cangrejos, relacionados a través de su forma por D’Arcy Thompson (1961) 8. Esquema de inicio y deformaciones básicas. Steadman (1983) 9. Familia de plantas generadas a partir de una planta modelo. P. Steadman (1983) 4-5. Anamorphosis of a dog’s image, published by S. Marolois (1617) 6. Modifications of the grid. Different typologies of faces, races, family. Durero (1528) 7. Shells of various crabs, related in their form by D’Arcy Thompson (1961) 8. Initial scheme and basic deformations. Steadman (1983) 9. Family of plans generated from a model plan. P. Steadman (1983) 250 Genetic Analogy in Architecture through the Traditional Design Method. Eisenman In the project for the Biocentrum at Frankfurt University, designed in 1987 by Peter Eisenman, the architect’s starting point was the analogy between architectural and biological processes, in particular, how proteins are built. A series of parallel lab blocks are interrupted by a central volume enriching and making more complex the composition (Fig 10). Eisenman used four geometrical forms and assigned a specific colour each, representing the basic and necessary elements to recreate the structure of DNA: Adenine (A), Guanine (G), Cyanine (C) and Thiamine (T) (Figs. 10 & 11). In the specifications of the project drawn up for the competition it is explained that by transposing these biological shapes into architectural form, an architectural building that symbolically reflects the discipline it accommodates can be created. In this way, Eisenman stablishes an analogy between hizo posible un proyecto no solamente arquitectónico o biológico, sino partícipe de ambas disciplinas. (Porras- Ysla y Soriano, 1988, p. 86) Por tanto, el proyecto del Biocentrum se basa en los conceptos biológicos de los procesos del ADN y es concebido supeditando este código figurativo y sus símbolos, a los procesos biológicos, interpretados mediante el uso de la geometría fractal que guardaba similitud con la geometría del ADN. Como en la biología, la forma generatriz se aplica a una forma base. Se establece así una analogía entre 10 11 251 expresión gráfica arquitectónica 50 10. Boceto del Biocentrum de la Universidad de Frankfurt. P. Eisenman, (1987) 11. Símbolos geométricos asignados a códigos: arco: Adenina (A), cinta: Guanina (G), pentágono: Cianina (C), y cuña: Tiamina (T) 12. Hélice de ADN, Emparejamiento de proteínas. Representación esquemática del código de ADN del colágeno. P. Eisenman (1987) 10. Sketch of Biocentrum, University of Frankfurt. P. Eisenman (1987) 11. Geometric symbols assigned to codes: arch, Adenine (A); ribbon, Guanine (G), pentagon, Cyanine (C), and wedge, Thiamine (T) 12. DNA helix. Pairing of proteins. Schematic representation of the collagen’s DNA code. P. Eisenman (1987) biological and architectural construction, transferring the structure of DNA into architectural form. The project not only represents the physical configuration of DNA but also articulates the three basic processes in the production of proteins: replication, transcription, and translation. More than just representing the physical configuration of DNA (that is, a double helix), the form of the project is the result of the interaction of the three most basic processes DNA uses to produce proteins: replication, transcription, and translation. From the geometric forms biologists use to explain these processes, four are used, each one of them with a specific colour that los procesos biológicos y el proceso geométrico arquitectónico. El proceso de replicación de la cadena de ADN que se separa en dos ramas para formar nuevas cadenas complementarias, inspira a Eisenman en su proyecto. El modelo arquitectónico extrae los aspectos biológicos, representando la abstracción de las formas en los volúmenes del vestíbulo central, en donde se ven representados estos símbolos y los tres procesos de replicación, transcripción y traslación (Figs. 13-17). En el tercer proceso biológico, el de traslación, al igual que el código ADN se desplaza fuera de la estructura de la proteína, en el edificio, las trazas biológicas se trasladan a las formas rectilíneas arquitectónicas. Analogía genética en el diseño paramétrico. Zaha Hadid La geometría y la materialización de las características organizadoras centrales de la galería son el resultado tanto de la transferencia práctica de conocimientos entre disciplinas como de estructuras de tejido de linaje que Zaha Hadid había emprendido en el pasado. (Bhooshan, 2017, p. 133). El diseño paramétrico basado en la asociación de variables es una herramienta que en sus inicios fue pensada para el diseño industrial y la producción en serie, aunque poco a poco se ha ido integrando en procesos de ideación, creación y construcción del proyecto arquitectónico. Durante la fase creativa del proceso de diseño, esta herramienta permite representar una analogía con la genética. Crear un modelo paramétrico consiste en asignarle una serie de variables a los elementos geométricos, resultando la forma del modelo de diseño. 12 252 symbolises the DNA code (…) We discovered that a similarity exists between the processes of fractional geometry and DNA. This similarity was used to propose an analogy between architectural and biological processes that made a not just architectural or biologic, but draw from both disciplines (Porras-Ysla & Soriano, 1988, p. 86). Therefore, the Biocentrum project is based in the biological concepts of DNA processes, and it is conceived submitting Relacionando estos elementos entre sí, el diseñador tiene la oportunidad de controlar el modelo digital, llegando a manejar un único parámetro. Al crear pequeñas modificaciones en estas variables se puede reconfigurar todo el modelo debido a que las formas geométricas de base están asociadas entre sí. Este hecho genera una serie de familias o linajes y es aquí donde la analogía con la genética se puede ver relacionada. La galería Winton en el Museo de Ciencias de Londres, proyectada por Zaha Hadid en 2016, es un ejemplo claro de diseño paramétrico, en el que se constata cómo 13 15 14 13. Gráfico de geometría fractal. Representación del proceso de réplica en el código de ADN del colágeno. P. Eisenman (1987) 14. Proceso de transcripción del código. El tamaño de la forma generatriz varía en función de la figura base a la que se aplica. Biocentrum. P. Eisenman (1987) 15. Analogía entre el proceso arquitectónico y el proceso biológico. Representación del proceso del proyecto. Biocentrum, Eisenman (1987) 16. Planta de la propuesta Biocentrum. P. Eisenman (1987) 17. Perspectiva de la propuesta Biocentrum. P. Eisenman (1987) 13. Fractal geometry graph. Representation of the replication process of collagen’s DNA code. P. Eisenman (1987) 14. Code transcription process. The size of the generatrix form varies depending on the base figure to which it is applied. Biocentrum. P. Eisenman (1987) 15. Analogy between the architectural and biologic processes. Representation of the project’s process. Biocentrum, Eisenman (1987) 16. Proposal’s plant. Biocentrum. P. Eisenman (1987) 17. Proposal’s perspective. Biocentrum, P. Eisenman (1987)