Evrimsel Mimari Üzerine İncelemeler

ÖZET

 Bu çalışma mimarlıkta bilgisayar uygulamaları adlı dersimin kapsamında evrimsel mimarlık üzerine yapmış olduğum bir inceleme çalışmasıdır. Hedef doğrultusunda öncelikle evrim ile ilgili kısa bir giriş verildikten sonra hesaplamaları tasarım yöntemleri içerisinde kabul edilen evrimsel mimari incelenip, örneklerle ve önemli düşünürleri ile birlikte bügüne kadar ki gelişimi gözlenmiştir. Tasarım sürecinde bilgisayar programlarının detaylı bir şekilde sürecin neresinde hangi şekillerde yer aldığını araştırdım. Mevcut örneklerin analizini yaptıktan sonra, onları yeniden yapma yolu ile başlangıç denemelerimi tamamladıktan sonra grasshopper adlı rhinoceros eklentisi olan bir program ile çeşitli varyasyonlar oluşturacak şekilde basit başlangıç fonksiyonları düzenledim. Çalışmalarım sırasında olabildiğince geniş coğrafyaya yayılmış bilimsel makaleleri inceleyerek ve karşılaştırarak ilerledim. Bu süreç içerisinde her ne kadar bazı akademik çalışmalarda hatalı bilgilere de rastladıysam da konuyu çok yönlü araştırdığımdan dolayı bu yanlış öğrenme sürecinden sıyrılmayı başardım. Çalışmam ders kapsamında daha çok bilgisayar programları ve uygulamaları üzerine kurulduğundan dolayı uygulamalara özen göstererek örnekler oluşturacak şekilde nasıl yapıldığı ile ilgili detaylara kadar inceledim.

Sonuç kısmında ise; edindiğim tüm tecrübeler ışığında konunun genel bir değerlendirmesini yapmaya çalıştım. Evrimsel mimarinin gelecekteki durumu üzerindeki kişisel çıkarımlarımı belirttim.

EVRİM

İlk olarak Charles Darwin’in ortaya attığı evrim, biyolojide canlı türlerinin nesilden nesile kalıtsal değişime uğrayarak ilk halinden farklı özellikler kazanma süreci olarak tanımlıdır. Evrim, bir canlı popülasyonunun genetik kompozisyonunun rastgele mutasyonlar yoluyla zamanla değişmesi anlamına gelir.  Genlerdeki mutasyonlar, göçler veya çeşitli türler arasında yatay gen aktarımları sonucu türün bireylerinde yeni veya değişmiş özelliklerin (varyasyonların) ortaya çıkması, evrim sürecini yürüten temel etmendir (Evolution, 2012). Evrim, bu yollarla oluşan değişimlerin popülasyon genelinde daha sık veya daha nadir hale gelmesiyle işler. Dolayısıyla evrimsel mimarinin anlaşılabilmesi için önce evrimin ve bu konuya dahil olan  bazı anahtar kelimelerin incelenmesi şarttır, örneğin; genotip, fenotip, mutasyon, doğal seleksiyon, çevre koşulları, hayatta kalma ve türün devamını oluşturan kurallar vs.

Text Box: Şekil 1 Gen Kromozom DNA İlişkileriDescription: C:\Users\Deniz\Desktop\Gene.pngGenotip : Canlı bir organizmanın yavrularına yada türünün kendi yaşamından sonra devamını sağlayacak olanlara aktardığı moleküler birimlere Gen adı verilir. Diğer bir değişle Dna yada Rna’dan bir Polypeptit’e karşılık gelen koda verilen addır. Organizmanın üreteceği enzimlerin şifreleri bu dizilerde saklıdır dolayısıyla tüm genlerin bir fonksiyonu vardır.

Fenotip: Genetik ve çevresel etkenlerin yarattığı özelliklerin canlının dış görünüşündeki yansımasıdır. Diğer bir değişle genotipin gözle görülebilen etkisidir.

 

Genotype (G) + Environment (E) + Genotype & Environment Interactions (GE) → Phenotype (P)

 

Mutasyon : Çok hücreli organizmalarda bir canlının hücre genomu içindeki DNA dizilimleri ile genetik bilgisinde veya tek hücreli organizmalarda, örneğin bir virüsün, DNA ya da RNA diziliminde meydana gelen kalıcı değişmelerdir.  Mutasyona sahip bir organizma ise mutant olarak adlandırılır. Bunlar hücre içinde oluşan ani ve spontan değişimler olarak da bilinir. Çeşitli şartlar altında var olur , örneğin; X ışınları, ultraviyole, ilaçlar, mutajen kimyasallar, transpozonlar, virüsler vs.

Doğal Seçilim : Doğal seçilim, dış çevreye uyum konusunda daha elverişli özelliklere sahip organizmaların, bu elverişli özelliklere sahip olmayan diğer bireylere göre yaşama ve üreme şanslarının daha yüksek olması ve bunun sonucu olarak genlerini yeni kuşaklara aktarabilirler. Böylece dış ortama uyum sağlamakta sorunlar yaşayan bireyler ve genler organizma popülasyonundan tasfiye edilmiş olmaktadır.

MİMARLIK VE EVRİM

Charles Jencks’in 1971 yılında basılan Architecture 2000 adlı kitabındaki görselindeki gibi, sadece canlılar ve onların populasyonları değil, tıpkı onlar gibi bu varlıkların düşünceleride aynı şekilde evrimleşebiliyor. Buna ek olarak ürettikleri işlerde benzer bir evrim algoritması şeklinde çalıştığı açık bir şekilde görülebilir.

Yakın bir geçmişe kadar bilgisayarın sağladığı avantajlar henüz çok sınırlı iken mimari çizim bürolarında amorf formlar üzerine yapılan tasarım çalışmaları çok zahmetli ve yorucu olduğundan dolayı tasarım dünyası daha sıklıkla öklit geometrisi içerisinde hareket ediyordu.

Nurblerin keşfi, benzier eğrileri, spline’lar ve node’ların geliştirilmesinden sonra mimari çizim ve modelleme programlarında amorf formların hayat bulması için ortam  şartları sağlanmıştır. Öklid geometrisinden, Kartezyen uzayndan ayrılma ve matematikte NURBS olarak adlandırılan biçimlerin kullanlmasıyla ortaya çıkmıştır (Kolarevic, 2000).  

Non-Uniform Rational B-Spline kelimelerinin baş harflerine karşılık gelen NURBS, düzenli ve rasyonel olmayan eğriler, yüzeyler olarak tanımlanabilir.  Eğriler tiplere ayrılmıştır. Bezier splines (b-splines), cardinal splines, NURBS, Catmull-Rom splines, Hermite splines gibi farklı ekillerde tanımlanmış eğriler  de mevcuttur. NURBS eğrileri modellemede daha rahat, esnek bir kontrol imkanı sunmuştur. NURBS,  modelleme tekniği ile pürüzsüz eğrisel yüzeyler yaratılmakta, kontrol edilmekte, dönüştürülmektedir (Turan, 2009).

Hesaplamalı Tasarm yöntemlerini bilgisayar teknolojisinden maksimum fayda elde etmeyi amaçlayan  tasarımcılar  tarafından çoklukla seçilen tasarım yöntemlerinden biridir. Bu yöntemi kullanan mimarlar, öncelikle tasarm süreçlerini tasarlayarak işe başlamaktadırlar. Projeye göre kullanacaklar hesaplamalı tasarım yöntemine karar vermekle, diğer disiplinlerden insanlarla beraber çalışarak, gerekli sistemi oluşturarak, işe başlamaktadırlar. Günümüzde, mimarlar, inşaat mühendisi, peyzaj mühendisi yada şehir bölge planlama bölümleriyle çalışmanın yanı sıra bilgisayar programcıları ve yazılım mühendislerinden  oluşan tasarım ekipleri ile de çalışmaktadırlar.

Hesaplamalı tasarımlar ; izomorfik, topolojik, metaforik, parametrik ve evrimsel mimarlık adı altında sınıflandırılabilir  (Altunbaş, 2009).

Evrimsel Mimarlık

Sibernetik uzmanı Gordon Pask, John Frazer’in “Evrimsel Mimarlık” adlı kitabının önsözünde, mimarin rolündeki değişimden bahsederek, mimarın yeni rolünü, bir bina yada şehir tasarlamaktan çok, tasarımların kendi kendine evrimleşebileceği şekilde davranması konusunda, mimarın değişim için hızlandırıcı bir etken olması olarak açıklamaktadır (Frazer, 1995). Dolayısıyla artık mimar yavaş yavaş tasarımları tasarlayan sistemi tasarlayan kişi olma yönünde ilerlemektedir.  Her tasarım yöntemi gibi, evrimsel mimarlığın da kendi projelerini ortaya koyabilmesi  için ilk önce kendi için gerekli araçların  tasarlanması gerektiği ortadadır.  Bunun için son yıllarda çeşitli araçlar ortaya çıkmıştır. Örneğin evrimsel hesaplayıcılar yada ısıtıp soğutarak çalışan çözümleyiciler vs.

Evrimsel Mimarlık; genetik kodlama, tekrarlama, seçilim ve morfogenez ilkelerinin geçerli olduğu bir yapay  yaşam  biçimidir (Frazer, 1995).  Genetik kodlama ile bina genlerine ayrılır,  tekrarlama seçilim ile bir yaşam süreci simule edilir, her jenerasyonda olumsuz özelliklere sahip olan çözümler yok edilir ve bir süre sonra populasyondaki olası çözümler kümesi yeterince tatminkar sonuçlar verdiği zaman simulasyon durdurulur ve sistemdeki çözümlerden uygun görülenin genleri ve parametreleri uygulanarak binaya dönüşür.

Morfogenez; bir canlının gelişmesi sırasında büyüme ve hücre farklılaşması ile özel şeklini alması olayı olarak  tanmlanmaktadır  (Frazer, 1995). Evrimsel Mimarlığın amacının; yapılı çevrede, ortak yaşam devinimi ve metabolik dengeyi, doğadaki gibi sağlayabilmek olduğunu belirtmiştir. Evrimsel Mimarlık’taki biçim türetme sürecini; doğadaki morfogenez (morphogenesis) sürecine benzetmektedir. Bu sayede mimarlık alanında biçimler evrim kuralları ile türetilebilecektir. Diğer bir deyişle evrimsel mimarlık, doğadaki evrim sürecine benzer şekilde kendi kendine büyüyen, gelişen, organize olup büyüyebilen biçimlerin, genetik algoritmalar araclığıyla üretilmesini sağlar.

Description: http://www.acadia.org/acadia2008/wp-content/uploads/2008/08/093_006.jpg

Şekil 2 : Simule Edilmiş Örnek Populasyon ve Üyeleri

 

Bu  noktadan  sonra artık asıl önemli olan konu bu algoritmaların nasıl bir şekilde yaratılacağıdır. Genel sistem hiyerarşisi nasıl seçilecektir? Tasarım sürecindeki operasyonlar nelerdir? Kurallar neye göre belirlenir?  Hangi programlar kullanılır? Bu sorular sayesinde en başta belirtilen noktaya geri dönülür. Evrimsel tasarım sistemleri aslında sistem tasarımı Text Box: Şekil 3: Evrimsel Tasarım SüreciDescription: C:\Users\Deniz\Desktop\Evolutionary DEsing.JPGolduğundan asıl sorun sistemin nasıl kurulacağıdır.

Başlangıç olarak evrimsel tasarım yöntemlerinde ilk önce genetik dil araclığıyla, genetik kodu, algoritması hazırlanır.  Hazırlanan kod ile türetici kurallar oluşturulur. Türetici kuralları ile çok kısa süre içersinde, populasyon  simule edilerek çok sayıda, bir çoğu beklenmedik olan biçimler ortaya çıkar. Bilgisayar modelleri ile biçimin gelişimi takip edilir. Dolayısıyla evrimsel mimarlıkta, bilgisayar evrimsel hızlandırıcı ve üretken güç olarak kullanlmaktadır (Frazer, 1995).

Diğer taraftan evrimsel mimarinin gerçek evrim ile olan ilişkisinin irdelenmesi konusunda ise durumun basit analojik bir benzeşim olmadığı ortadadır. Çünkü doğal biçimlerin çeşitliliği ve çevre ile uyumluluk yeteneği evrimin acmasız denemeleri sonucunda ortaya çıkmıştır. Doğada, çevreleriyle metabolik dengede olan bitki ve hayvanlar, türlerine bağlı olarak zengin bir biyolojik değişim geçirirler. Evrimsel Mimarlık’ın evrim teorisi ile analojisi sadece doğal seçilim doğrultusunda gelişim olarak algılanamaz. Evrimin, kendi kendine organize olma eğilimli görüşü doğal seçilimle eş, hatta belki daha da önemli bir yere sahiptir.

Doğal süreçteki metabolizma hareketleri ve operasyonların termodinamik kurallar, morfoloji, morfogenetik ve simetriyi krma prensipleri olarak, araştırmanın merkezinde yer alır. Charles Darwin, Newton’n paradigmasının stabilliğinden kopmayı, ayrışmayı sağlam, sürekli gelişim ve değişimin yaşandığı yeni bir dünya kurmuştur (Frazer, 1995). Fakat diğer yandan bu evrimsel süreç içerisindeki kurallar düzgün bir şekilde kurulsada bazı problemler yüzünden çözüm yolları çeşitli sorunlar ile tıkanabiliyor. Örneğin evrim mekanizması harekete geçirildiğinde yüzde bir oranında mutasyon sisteme dahil edilmeli ki bu sayede çeşitliliği destekleyici bir tavır alınabilsin yada değişen çevre koşulları algoritmaları yazılabilirse sistemin sürekliliği korunmuş olur. Değişebilen çevre koşulları algıritmaları yine uzman sistemlerin kapsamına giren bir konudur.

Bu bilgiler ışığında Frazer’ın  yapmış olduğu Emergent Artificial Life adlı çalışma dizisinde de görülebileceği gibi, populasyon 17. Jenerasyondan sonra artık “stable” yani durağan bir hale gelmiştir. Çünkü bütün fitness kondisyonlarını yerine getiren ve dış etkenler karşısında başarıyla hayatını devam ettirebilen bir organizmaya ulaşmayı başarmıştır. Bu durumda son öneri jenerasyon 17 olur. Dolayısıyla mimarlıkta cevresel etmenleri bu kadar iyi tanımlayabilirsek eğer şekildeki gibi tam bir sonuca ulaşmak mümkündür. Fakat tasarım “ill defined” bir problem olduğundan dolayı bu durum sistematik bir çalışma gerektirir. Tüm bunların dışında verilerin nasıl algılanıp fitness kondisyonlarının nasıl uygulandığı ve tanımlandığına göre tüm çözüm önerileri birbirinden farklı olabilir.

Text Box: Şekil 4:Evrimsel tasarım optimizasyonu (Bentley, 1999)Description: C:\Users\Deniz\Desktop\Untitled-1.jpgEvrimsel tasarım yöntemi kullanılarak yapılan bazı sağlama çalışmlarından örnekler verecek olursak, Bentley’in yapmış olduğu masa çalışması ile çeşitli masa varyasyonları arasından aslında şuan kullandığımız masa fenotipinin gerçektende fitness fonksiyonlarını en iyi karşılayan masalar olduğunu rahatlıkla görebiliriz.

 

 

Description: C:\Users\Deniz\Desktop\sditled-1.jpgEvrimsel tasarım optimizasyonu yaklaşımı ile yapılan çalışmada ilk önce masanın parametreleri belirlenir. Masa tasarımında parametreler; masa ayaklarının pozisyonu ve uzunluğu şeklinde belirlenebilir. Evrimsel algoritma belirlenen parametrelere göre, istenen ölçütler doğrultusunda optimizasyon işlemini gerçekleştirebilecektir. Şekil 4 ‘te örneğin bu ölçütler denge, stabilite olarak seçilmiştir. Masanın en iyi stabiliteye ulaşabilmesi için evrimsel algoritma hazırlanmıştır (Cho, 2002). Text Box: Şekil 5 :Celestino Soddu'nun sandalye jenerasyonlarıDescription: C:\Users\Deniz\Desktop\asd.jpgŞekil 5’teki örneklerde ise sandalye üzerine yapılan çalışmanın çözüm kümesinin bir kısmı görünmektedir. Evrimsel tasarım yaklaşımı ile tek bir tasarım değil yüzlerce tasarım kendi kendile oluşur, dolayısıyla insan bu sistemde seçici olma durumundadır. Bazen tasarımcıların tamamen unuttuğu bir tasarım şekli var olabilir ve bu şekili evrimsel algoritmalar ile ortaya çıkarabiliriz şekilde görüldüğü gibi.  Şekil 6’da ise yine örnek olarak var olabilecek bütün şarap kadehi varyasyonları denenmiştir.  Bu şekilde ihtiyaçları karşılayabilecek bütün formları keşfetme şansına sahip olunmuştur.

Text Box: Şekil 6: Interactive Evolutionary Design In A Hierarchical Way, 2001Classifier Systems : Bu sistemler bilgisayar ortamında çeşitli programlar ile yazılan uzman sistemlerdir. Bu sistemler ile bilgisayarda simule edilen popülasyon maruz kaldığı dış değişikliklere karşı tepkiler verebilecek şekilde evrimleşir. Dolayısıyla bu binalar sonuç çözümkümesinden çıkan ve araziye yapılan donuk – ölü varlıklar olmaktan çıkıp arazide etrafıyla ilişki içerisinde olan canlı binalara dönüşebilmektedir. Responsive architecture adı ile geçen bu binalar rüzgar şiddeti yada güneş açılarına göre tepkiler verebilmektedir.

Description: C:\Users\Deniz\Desktop\Mimari Kompozisyon ve Geometri\Beni Tıkla.html.pngBiomorf : Canlıların büyüme süreçlerinde iken vucutlarında oluşan değişiklikler sebebiyle kendi türüne ait olmayan başka bir varlığa benzemesine verilen addır. Diğer taraftan Charles Dawkins tarafından geliştirilmiş bilgisayar programındaki, 2 boyutlu, yenilenebilir, ağaç benzeri strüktürlerdir. Büyümeleri ve gelişmeleri ağaçların dal sayısı yada dalların açıları gibi basit genetik simgelerle kontrol edilir. Varlıklar, mutasyonlarla türetilir. Ayrıca her varlık kümesinde bir ağaç yeni türetme  işlemi için seçilir (Frazer, 1995). Bu program yine internette biomorph adı altında yapılan aramalarda rahatlıkla bulunabilir. Program mantığı basit bir şekilde şekilleri genlerine ayırıp mouse ile yapılan modifikasyonlara göre scale, stretch, rotate, move, mirror vb  basit boolean operasyonları yapabilmektedir. (http://www.rennard.org/alife/english/biomintrgb.html)

Evrimsel Mimarlık Tartışmaları

Eugene Tsui ve John Frazer’ın “Evrimsel Mimarlık” kavramlarının birbirinden tamamen farklı olduğunu ortaya koymuştur (Zarzar, 2008). Evrimsel Mimarlık’ı Frazer hesaplamalı tasarım için bir araç olarak görürken, Tsui ise doğadaki objelerden, hayvanlardan öğrenmek olarak ele almıştır.  Frazer’ın yaklasımı son derece rasyonel ve metodolojik olarak hata barındırmazken, Tsui’nin yaklaşımında çeşitli problemler vardır. Örneğin, Tsui Evi olarak literatüre geçen bina, bir böcekten esinlenilmiş olup hiçbir parametre yada gene sahip olmadan, bilgisayarda simule edilmeden, evrim kurallarına tabii tutulmadan, sadece analojik olarak benzerlik içerdiğinden ve çeşitli avantajları olacağı düşünüldüğünden dolayı yapılmış bir örnektir (Altunbaş, 2009). İncelediğim  makalelerde Tsui’nin bu şekilde değerlendirildiği bir makale bulamamakla beraber, evrimsel mimarlık kavramı ve kurallarının tanımlarından hiçbirine sahip olmadığı için Tsui’nin yaptığı binalar evrimsel mimarlık kapsamına alınamayacağını düşünüyorum.

Description: C:\Users\Deniz\Desktop\parity1d.gifVon Neumann’ın Cellular Automata adlı çalışmları sayesinde evrimsel algoritmalar büyük bir sıçrama yaşadı. Artık görsel bir devinime sahip çoğalma ve ölme kuralları belli olan bir programa sahip olundu. Bu hücresel devinim programlarının araştırma konusu olmaya başlamasının hemen ardından John Horton Conway’in “The Game of Life” adlı oyununda, tek hücreli minik varlıklar, kutular şeklinde yaşayıp ölerek bir grid üzerinde görselleştirildi.  Kural tabanlı bir evrim sistemi artık nerdeyse tam anlamıyla oluşturulabilmiştir.  Örneğin 8 komşu, hücrenin hayatta kalmasını yada ölmesini belirlerken, ölü hücreler eğer üç komşu hücre canlı ise yeniden hayata dönebilmektedir (Grassini, 2000). Bu yazılımı Wolfram adlı programı kullanarak internet sitesinden çeşitli ayarlarını değiştirerek kullanabiliriz. Bknz: Real-time Simulation of the Game of Life.  Buna ek olarak günümüzün geldiği güncel durumlardan birinde ise bu kurallar’ın sayısı oldukça artmış durumda olup istenildiği kadar çok sayıda karmaşık algoritmalar ile sistem zenginleştirilebilmektedir. Bknz: Open source Evolutionary Artificial Life Simulation of Predator – Prey Dynamics.

Örnek Evrimsel Mimarlık Çalışması:  

Description: C:\Users\Deniz\Desktop\Untitled-3.jpgÇalışma için ele alınan başlangıç objesi,  sekizinci şekilde görülen modifierlar, shape temelli etkilere sahip olduğundan dolayı shape üzerinde etkili olacaklardır. Şekil 9’da gördüğünüz nesne artık iki kromozomlu bir yapıya sahiptir (Marin & Bignon, Generative Exploration of Architectural Envelope Responding to Solar Passive Qualitaties, 2008) .Bu kromozomlar malzeme ve şekil olarak seçilmiştir. Malzemenin içerisinde şekildeki gibi iki gen, şekil kromozomunda ise üç gen vardır. Bu genler yine diagramda belirtildiği gibi herbiri kendine özgü ek özelliklere sahip olabilir. Örneğin burda ilk iki gen’in birbirine stacklenebilir olduğunu görürken aynı zamanda ilk patterni belirten genide kolayca görebiliyoruz.

Description: C:\Users\Deniz\Desktop\Untitled-5.jpg