141216_O10_OΘΘ

Τα έξυπνα υλικά στην αρχιτεκτονική

Τα έξυπνα υλικά συντελούν στην εξυπηρέτηση των τεχνολογικών αναγκών του 21^ου αιώνα. Η χρήση τους δίνει τη δυνατότητα στους αρχιτέκτονες να προσεγγίσουν διαφορετικά προβλήματα που αντιμετώπιζαν και να αναπτύξουν νέες κτιριακές λειτουργίες και μορφές. Η ικανότητά τους να ανταποκρίνονται σε πολλαπλές καταστάσεις είναι το χαρακτηριστικό που τα κάνει τόσο σημαντικά στον τομέα αυτό, και ο λόγος που οι αρχιτέκτονες προσπαθούν να τα εντάξουν στα έργα τους.

Βέβαια, στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό τα στατικά υλικά δεν είναι ικανά να αναπαραστήσουν το ίδιο ικανοποιητικά και τα έξυπνα υλικά. Όσον αφορά την εφαρμογή των έξυπνων υλικών στην αρχιτεκτονική η χρήση τους βρίσκεται ακόμα σε πειραματικό στάδιο. Όμως, οι όροι ‘’διαδραστικότητα’’ και ‘’μετασχηματισμός’’ αποτελούν ήδη μέρη του λεξιλογίου των αρχιτεκτόνων. Τα έξυπνα υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τους αρχιτέκτονες για σκοπούς όπως την πρόβλεψη αστοχιών του ίδιου του υλικού μέχρι και τη διάδραση με το χρήστη.

Tα υλικά ως δυναμικά συστήματα

Με βάση όλα τα παραπάνω, διαπιστώνεται πώς τα υλικά σήμερα δεν περιορίζονται στις δύο διαστάσεις, δεν αποτελούν μόνο επιφάνειες που ορίζουν το κτήριο. Είναι 3-διαστάσεων, καταλαμβάνουν χώρο. Είναι 4-διαστάσεων, εξελίσσονται στο χρόνο. Είναι ακόμα και 5- διαστάσεων καθώς μεταφέρουν ή μεταδίδουν πληροφορία.

Ήδη εδώ και δεκαετίες έχουν αρχίσει να κοιτάνε τα υλικά ως δυναμικά συστήματα και όχι με στατικούς όρους. Και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα μια διαφορετική αντίληψη για τη σχέση υλικού και μορφής καθώς αυτή δεν επιβάλλεται απ’ έξω ούτε καθορίζεται, αλλά αναδύεται μέσα από ένα ενεργό υλικό. Έτσι το υλικό δεν αποτελεί πλέον ένα σκληρό όριο αλλά λειτουργεί σαν μία μεταβατική ζώνη ανάμεσα σε διαφορετικές καταστάσεις.

Έως τώρα αντιλαμβανόμασταν το κτήριο σαν το όριο ανάμεσα σε ένα εσωτερικό και σε ένα εξωτερικό περιβάλλον. Αυτό είχε ως συνέπεια το σχεδιασμό πολύπλοκων συστημάτων υψηλής τεχνολογίας κυρίως για τις όψεις, τα δάπεδα και τις οροφές που περιφρουρούν με σταθερότητα κάθε είδους διαφορά – μεταβολή των συνθηκών ανάμεσα στο έξω και στο μέσα, εξασφαλίζοντας ένα ενιαίο και ισότροπο εσωτερικό περιβάλλον. Η αντίληψη αυτή ωστόσο είναι  αντιοικολογική δεδομένου ότι η λειτουργία ενός τέτοιου «κλειστού» συστήματος απαιτεί μεγάλες δαπάνες ενέργειας για τη διασφάλιση σταθερών εσωτερικών συνθηκών.

Έτσι η εικόνα του κτιριακού ορίου ανάμεσα σε δύο διαφορετικά περιβάλλοντα – ένα ομοιογενές εσωτερικό και ένα περιρρέον εξωτερικό – μπορεί πλέον να αντικατασταθεί από ένα δυναμικό σύστημα, δηλαδή από την ιδέα των πολλαπλών ενεργειακών περιβαλλόντων που αλληλεπιδρούν ροϊκά  και ελεύθερα με τις μεταβαλλόμενες συνθήκες.

Η λειτουργία του δυναμικού συστήματος βασίζεται στην ικανότητα αυτό-οργάνωσης και ανάδυσης ιδιοτήτων. Με τον όρο αυτό-οργάνωση εννοούμε εν γένει τη συλλογική συμπεριφορά δομικών στοιχείων σαν αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης μεταξύ τους και την εμφάνιση πολυπλοκότητας κατά την οργάνωση μερών απλούστερων σε δομή. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι η συμπεριφορά ενός σμήνους ή κοπαδιού όπου πουλιά ή ψάρια αντίστοιχα προσαρμόζουν δυναμικά τις θέσεις τους σχετικά μεταξύ τους ώστε να καταβάλλεται η λιγότερη προσπάθεια κατά τη διάσχιση του αέρα ή του νερού. Πιο συγκεκριμένα, σύμφωνα με το Norbert Fenzl, αυτο-οργάνωση θεωρείται  η εμφάνιση δομών του νέου συστήματος χωρίς σαφή πίεση έξω από το σύστημα, ή χωρίς να αναμειχθεί το περιβάλλον. Ο Fenzl εστιάζει κυρίως στο ρόλο της ύλης, της ενέργειας και της πληροφορίας στις αυτο-οργανωτικές διαδικασίες. Η έξοδος της ενέργειας και της ύλης και η παραγωγή πληροφορίας σχετικής του συστήματος θα είναι οι βασικές δυνάμεις της αυτο-οργάνωσης. Η ανάδυση είναι η θεμελιακή ιδιότητα των συστημάτων αυτο-οργάνωσης. Θεωρείται η εμφάνιση μιας νέας ιδιότητας του συστήματος η οποία δεν μπορεί να παρατηρηθεί προηγουμένως σαν ένα λειτουργικό χαρακτηριστικό του. Είναι αποτέλεσμα μιας εξωτερικής μεταβολής η οποία πυροδοτεί μία εσωτερική αντίδραση που έχει ως στόχο την προσαρμογή στη νέα αυτή κατάσταση. Η ανάδυση σχετίζεται άμεσα με τη μνήμη, δηλαδή αν μελλοντικά παρατηρηθεί η ίδια μεταβολή το σύστημα θα έχει αποθηκεύσει την πληροφορία και θα ανασύρει τις ιδιότητες που έχουν προηγουμένως παραχθεί.

Στα δυναμικά συστήματα είναι ανούσιο να προσπαθούμε να συλλάβουμε το τελικό αποτέλεσμα, πρέπει να φανταζόμαστε τις μετασχηματιζόμενες δράσεις και αλληλεπιδράσεις. Αυτό που άλλοτε ήταν ένας μπλε τοίχος τώρα μπορεί να προσομοιωθεί με ένα δίκτυο από μικροσκοπικά σημεία που αλλάζουν χρώμα τα οποία αποκρίνονται στη θέση του θεατή όσο και στη θέση του ήλιου. Η αρχιτεκτονική μορφή εμφανιζόταν συνήθως ως το τελικό αποτέλεσμα μιας διαδικασίας και ήταν κάτι στατικό και αμετάβλητο. Με τα συστήματα αυτά όμως η μορφή δεν μπορεί να προσδιοριστεί γιατί μπορεί να αλλάξει από στιγμή σε στιγμή αντιδρώντας στα ερεθίσματα που δέχεται. Η «μορφογένεση» είναι το βασικό αντικείμενο του DeLanda, την οποία ορίζει ως την παραγωγή σταθερών κατασκευών που πηγάζουν από ροές της ύλης. Μια τέτοια παραγωγή δεν είναι το αποτέλεσμα μιας μορφής που επιβάλλεται πάνω σε μια χαοτική ύλη, αλλά συμβαίνει όταν ένα (βιολογικό ή κοινωνικό) σύστημα φτάνει σε ένα όριο το οποίο πυροδοτεί εμμενείς διαδικασίες υλικής αυτο-οργάνωσης. Το παραπάνω συμπυκνώνεται στην παρακάτω διαγραμματική σχέση:

διαδικασία  αναδυόμενη μορφή  επιβαλλόμενη μορφή

Τα έξυπνα υλικά

Σύμφωνα με την encyclopedia of chemical technology, ως “έξυπνα υλικά’’ περιγράφονται ‘’τα αντικείμενα που ανιχνεύουν περιβαλλοντικά γεγονότα επεξεργάζονται τις αισθητιριακές πληροφορίες και κατόπιν ενεργούν επί του περιβάλλοντός τους.’’ Τα υλικά αυτά δηλαδή μπορούν να ενεργοποιήσουν τη συμπεριφορά τους με δεδομένο και ελεγχόμενο τρόπο ανταποκρινόμενα σε κάποιο ερέθισμα που δέχονται από το περιβάλλον τους, όπως μια μεταβολή της θερμοκρασίας ή κάποιο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.

Μπορούμε επίσης να ορίσουμε τα έξυπνα υλικά ως σειρές ενεργειών. Είναι  συνθετικά όσο και ατομικά, ή συναρμογές από πολλά υλικά και συστήματα, ή ακόμα περισσότερο μακριά από μια αναγνωρίσιμη μοριακή δομή.

Τα έξυπνα υλικά έχουν μεταβλητές ιδιότητες και ανταποκρίνονται σε εφήμερες ανάγκες. Έχουν δηλαδή την ικανότητα να αποκρίνονται σε πολλαπλές καταστάσεις αντί να βελτιστοποιούνται για μία μοναδική κατάσταση. Τα κτήρια άλλωστε ανέκαθεν έρχονται αντιμέτωπα με την μεταβολή των συνθηκών.

Με τον όρο ‘’υλικό’’ αναφερόμαστε είτε σε μία ομοιογενή ουσία (π.χ. πιεζοηλεκτρικά κεραμικά) ή ένα σύνθετο σύστημα, συχνά από στρώσεις υλικών. Και αυτό γιατί πολλές φορές οι βασικοί τύποι έξυπνων υλικών δε χρησιμοποιούνται μόνοι τους αλλά σε συνδυασμό με άλλα υλικά για να δημιουργήσουν συσκευές, εξαρτήματα ή και συστήματα που εξυπηρετούν πιο σύνθετες λειτουργίες.

Το πέρασμα στη μικροκλίμακα

Τα έξυπνα υλικά μας αναγκάζουν να σκεφτούμε σε μικρή κλίμακα: τι χρειάζεται το σώμα και όχι τι χρειάζεται το κτήριο. Η έρευνα αιχμής ασχολείται με τις μοριακές ιδιότητες των υλικών, δηλαδή έχει περάσει στη μικροκλίμακα από τη διάγνωση της σεισμικής συμπεριφοράς, την αναχαίτιση υλικών, καταστροφών, τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων παραδοσιακών υλικών έως τη διάδραση με το χρήστη για τη δημιουργία μεταβαλλόμενων ευφυών περιβάλλοντων διαβίωσης με τη χρήση των έξυπνων υλικών. Τα έξυπνα υλικά δίνουν τώρα τη δυνατότητα να σχεδιαστούν άμεσα και διακριτά περιβάλλοντα για το σώμα, χωρίς όμως να υπάρχει ακόμα οδηγός για την εφαρμογή τους σε αυτόν το σημαντικό τομέα.

Όλα δείχνουν ότι επιστρέφουμε στην υλικότητα μέσα όμως από μια διαφορετική προσέγγιση. Πλέον γίνεται λόγος για την ψηφιακή διάσταση της αρχιτεκτονικής που υποστηρίζει παρά καθορίζει την μορφή καθώς αυτή αποτελεί μια μόνη εκδοχή ανάμεσα σε πολλαπλούς μορφογενετικούς μετασχηματισμούς. Επεμβαίνει στη δομή, δημιουργώντας πραγματικούς χώρους που αλληλεπιδρούν με τον χρήστη. Η λειτουργία της βασίζεται στη χρήση της τεχνολογίας και των ηλεκτρονικών υπολογιστών που επιτρέπουν τη μεταφορά και την επεξεργασία  πληροφορίας αλλά και την επαναχρησιμοποίησή της σε επαναλαμβανόμενες συνθήκες.

 Έτσι, στοχεύει στη δημιουργία κτιρίων-περιβαλλόντων με λειτουργίες και ιδιότητες που πλησιάζουν αυτές ενός ζωντανού οργανισμού, εμπλουτισμένες με ανθρώπινη νοημοσύνη. Περιβάλλοντα που λειτουργούν με πολλαπλούς τρόπους και ταυτόχρονα διαντιδρούν με τις μεταβαλλόμενες συμπεριφορές και επιθυμίες των ανθρώπων αλλά και με τις εξωτερικές συνθήκες.

Τα βασικά χαρακτηριστικά:

Είτε πρόκειται για μόριο, για υλικό, για συνδυασμό ή για ένα σύστημα, τα έξυπνα υλικά θα παρουσιάσουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:

1.    Αμεσότητα (immediacy) – αποκρίνονται σε πραγματικό χρόνο

2.    Παροδικότητα (transiency) – αποκρίνονται σε περισσότερες από μία περιβαλλοντικές καταστάσεις

3.    αυτο – ενεργοποίηση (self-actuation) – η ευφυΐα τους είναι εγγενής

4.    επιλεκτικότητα (selectivity) – η απόκρισή τους είναι ξεχωριστή και προβλεπόμενη

5.    ευθύτητα (directness) – η απόκρισή τους είναι τοπική σε ένα ενεργοποιημένο γεγονός

 Είναι μάλλον αυτό το τελευταίο χαρακτηριστικό, η ευθύτητα, που θέτει την μεγαλύτερη πρόκληση στους αρχιτέκτονες και οδηγεί στην σκέψη της χρήσης των έξυπνων υλικών, επιλεκτικά και στρατηγικά. Έτσι αντί να επιλέγονται αφού έχει ολοκληρωθεί ο σχεδιασμός, τα υλικά και οι ιδιότητές τους αποτελούν το σημείο εκκίνησης. Το κτήριο δεν αποτελεί πια ένα αυτόνομο αντικείμενο αλλά έναν τόπο μεταβαλλόμενο στον οποίο συνυπάρχουν και αλληλεπιδρούν πολλαπλά συστήματα, όχι απαραίτητα όλα αρχιτεκτονικά.

 Αυτά τα χαρακτηριστικά προσδίδονται στα υλικά με τη μορφή μικροσκοπικών λογισμικών συστημάτων κοινά ως προς τα συστήματα που χρησιμοποιεί ο τομέας της ρομποτικής. Σε επίπεδο μοριακό, το υλικό αλληλεπιδρά με το περιβάλλον του και εξελίσσεται εντός και εκτός εργαστηρίου. Η διαδικασία αυτή συνεπώς είναι ένα διαρκώς μεταβαλλόμενο σύστημα που ξεφεύγει από την παραδοσιακή μέθοδο θεώρησης των χαρακτηριστικών του υλικού. Ο χαρακτήρας αυτός του συστήματος ενσωματώνεται στην κλίμακα της αρχιτεκτονικής.

Διαχωρισμός απλών υλικών από τα έξυπνα

Τα καθιερωμένα υλικά είναι στατικά και σαν στόχο έχουν να αντέχουν στις δυνάμεις. Τα έξυπνα υλικά είναι δυναμικά, δηλαδή συμπεριφέρονται σε απόκριση των ενεργειακών πεδίων. Αυτός είναι ένας σημαντικός διαχωρισμός μια και τα κανονικά μέσα αναπαράστασης του αρχιτεκτονικού σχεδιασμού έχουν εκχωρήσει το προνόμιο στα στατικά υλικά: η κάτοψη, η τομή και οι όψεις της ορθογώνιας προβολής σταθεροποιούν σε τόπο και σε θέαση τα φυσικά στοιχεία ενός κτηρίου. Πολύ συχνά σχεδιάζουμε με την πρόθεση να εγκαθιδρύσουμε μια εικόνα ή μία αλληλουχία εικόνων. Με τα έξυπνα υλικά όμως πρέπει να εστιάζουμε στο τι θέλουμε να κάνουνε, και όχι στο πως φαίνονται.

Όντως η ιδέα της στρατηγικής χρήσης είναι καινούργια στην αρχιτεκτονική, μια και τα υλικά στο δικό μας πεδίο σπάνια θεωρούνται ως εκτελεστικά σε άμεσο ή τοπικό ρόλο. Ακόμα περισσότερο, η επιλεκτική χρήση υποδεικνύει μια ατομική δράση αλλά όχι αναγκαστικά ένα μοναδικό υλικό.

Υπάρχουν πολλά νέα υλικά εξαιρετικά εντυπωσιακά και χρήσιμα. Πολλά από αυτά, όπως τα σύνθετα που βασίζονται στις ίνες από άνθρακα ή όπως κάποια από τα ακτινοβολούμενες κατοπτρικές μεμβράνες, δεν αλλάζουν ούτε τις ιδιότητές τους ούτε παρέχουν λειτουργίες μεταφοράς ενέργειας. Για αυτό το λόγο δεν είναι έξυπνα υλικά. Είναι μάλλον αυτό που λέμε «υψηλής απόδοσης» υλικά. Συχνά έχουν αυτό που αποκαλούμε «επιλεγμένες και σχεδιασμένες ιδιότητες» (πάρα πολύ υψηλή αντοχή και ανθεκτικότητα / ακαμψία, ή ειδικές ανακλαστικές ιδιότητες). Αυτές οι ιδιότητες έχουν βελτιστοποιηθεί μέσω της χρήσης ειδικών εσωτερικών δομών και συνθέσεων των υλικών.

Η «εξυπνάδα» απαιτεί ειδικά υλικά και προηγμένες τεχνολογίες; Πολύ πιθανόν όχι, μια και ό,τι μπορεί να κάνει ένα έξυπνο υλικό μπορεί να το κάνει και ένα συμβατικό. Ένα φωτοχρωμικό παράθυρο το οποίο αλλάζει τη διαφάνειά του σε σχέση με την ποσότητα της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας μπορεί να αντικατασταθεί από ένα θερμόμετρο που θα στέλνει σήματα σε ένα κινητήρα ο οποίος διαμέσου μηχανικών συνδέσεων αλλάζει τη θέση των περσίδων στην επιφάνεια υαλοστασίου και έτσι να αλλάζει την διαφάνεια του. Δύσχρηστο, αλλά εφικτό και πιθανό με τις κοινές τεχνολογίες και γνωστά υλικά. Έτσι πιθανόν οι πιο σπουδαίες σκέψεις για τα έξυπνα υλικά και τις τεχνολογίες να είναι αυτές που στοιχειολογούνται από την συμπεριφορά τους.

Τα έξυπνα υλικά δεν φαίνονται και δεν σχεδιάζονται σαν να ήταν γνωστά αντικείμενα εγκαταστημένα σε ένα τόπο και αυτό επηρεάζει και τον ίδιο τον σχεδιασμό. Ο τελικός χρήστης όμως σπάνια θα δει τη δομή και τα συστήματα που κρύβονται πίσω από αυτές τις επιφάνειες.

Βασικοί τύποι έξυπνων υλικών

Μπορούμε να διακρίνουμε δύο βασικούς τύπους έξυπνων υλικών:

Στον πρώτο τύπο  θα αναφερόμαστε στα υλικά που υφίστανται αλλαγές σε μία ή περισσότερες από τις ιδιότητές τους – χημικές, μηχανικές, ηλεκτρικές, μαγνητικές ή θερμικές – σε άμεση απόκριση ενός εξωτερικού ερεθίσματος συσχετιζόμενο με το περιβάλλον που περιβάλλει το υλικό. Οι αλλαγές είναι άμεσες και αναστρέψιμες- δεν υπάρχει καμία ανάγκη για ένα εξωτερικό ελεγκτικό σύστημα που να ευθύνεται για τις αλλαγές που συμβαίνουν. Ένα φωτοχρωμικό υλικό, για παράδειγμα, αλλάζει το χρώμα της επιφάνειά του ανάλογα με την αλλαγή της ποσότητας της υπεριώδους ακτινοβολίας.

 Στο δεύτερο τύπο των έξυπνων υλικών περιλαμβάνονται τα υλικά που μετασχηματίζουν την ενέργεια από τη μία μορφή σε εξαγόμενη ενέργεια (output energy) σε μια άλλη μορφή, και το ίδιο ξανά άμεσα και αναστρέψιμα. Ένα μη-αγώγιμο ηλεκτρικής ενέργειας υλικό μετασχηματίζει την ηλεκτρική ενέργεια σε ελαστική (μηχανική) ενέργεια που με τη σειρά της αλλάζει τη φυσική μορφή του. Τα πιο γνωστά έξυπνα υλικά που ανταλλάσσουν ενέργεια είναι τα φωτοβολταϊκά, τα θερμοηλεκτρικά, τα πιεζοηλεκτρικά, τα φωτοβόλα και τα ηλεκτροσυστολικά.

Η χρήση της λέξης υλικά σε ότι αφορά το δεύτερο τύπο μπορεί να είναι παραπλανητική, καθότι τα παραπάνω «υλικά» έχουν στην πραγματικότητα κατασκευαστεί από διάφορα βασικά υλικά που έχουν σχηματισθεί με τέτοιο τρόπο ώστε να παρέχουν έναν ειδικό τύπο λειτουργίας. Ένα θερμοηλεκτρικό αποτελείται στην πραγματικότητα από πολλαπλές στρώσεις διαφορετικών υλικών. Η τελική σύνθεση μπορεί να περιγραφεί καλύτερα ως ένα εργαλείο.

Τα υλικά μέχρι και τον 20ο αιώνα επιλέγονται όχι τόσο για τον τρόπο που δρουν, αλλά για αυτό που εκφράζουν. Τα έξυπνα υλικά και οι νέες τεχνολογίες θέτουν ένα δίλημμα, γιατί στην κλίμακα της συμπεριφοράς τους έχουν πολύ λίγες εκφραστικές ιδιότητες. Η «εξυπνάδα» συχνά ταυτίζεται με τον αυτοματισμό. Η διαδεδομένη υπόθεση είναι πως ένας απλός «έλεγχος» ή άμεση λειτουργία κάποιου πράγματος από μία συγκεκριμένη τεχνολογία (ένας χρονοδιακόπτης ανοίγει μια καφετέρια το πρωί) δεν θεωρείται «ευφυΐα».

Ο στόχος είναι όχι να προδιαγράψουμε ένα ιδανικό σύστημα αλλά να καταστήσουμε δυνατή μία ρευστή διάδραση ανάμεσα στον άνθρωπο και στο περιβάλλον του. Εφόσον αυτές οι κατευθύνσεις εμφανίζονται ως ανθρωποκεντρικές, εφαρμόζονται τόσο στην κοινωνία και στις κοινότητες όσο και στο ίδιο το άτομο. Σαν αποτέλεσμα, αν και κάθε άτομο μπορεί να έχει τον «έλεγχο» του περιβάλλοντος του, αυτός ο έλεγχος τοποθετείται πάντοτε σε μεγαλύτερης έκτασης πλαίσια πέρα από τον τομέα του ατομικού περιβάλλοντος. Επίσης εννοείται πως το μέσο με το οποίο οι δράσεις συμβαίνουν είναι η χρήση ενσωματωμένων τεχνολογιών που υποστηρίζονται από υπολογιστές

Έχοντας πια τη δυνατότητα να σχεδιάζουμε αρχίζοντας από το πολύ μικρό, από μια μόνη κίνηση και να δημιουργούμε τοπικά και διασυνδεδεμένα γεγονότα, το πρόβλημα της εμπειρίας, του τι αισθάνονται οι χρήστες και πώς θα μπορούσαν να διαντιδρούν με το περιβάλλον τους, επιστρέφει στο προσκήνιο της.

Υλικά αλλαγής χρώματος

Θερμοχρωμικα(thermochromics): Υλικά που αλλάζουν χρώμα όταν προκύπτουν συγκεκριμένες θερμοκρασιακές μεταβολές.

Φωτοχρωμικά(photocromics): Yλικά που αλλάζουν χρώμα όταν εκτίθενται σε φως ή όταν αλλάζουν οι συνθήκες φωτισμού.

Μηχανοχρωμικά(mechanocromics): Υλικά που αλλάζουν χρώμα όταν υποβάλλονται σε μηχανικές εντάσεις ή παραμορφώσεις.

Χημοχρωμικά(chemocromics): Υλικά που αλλάζουν χρώμα όταν εκτίθενται σε συγκεκριμένες χημικές ουσίες ή περιβάλλοντα.

Ηλεκτροχρωμικά(electrocromics): Υλικά που αλλάζουν χρώμα όταν εκτίθενται σε ηλεκτρική τάση.

Υγροί κρύσταλλοι(liquid crystals): Υλικά που αλλάζουν χρώμα ή διαφάνεια όταν εκτίθενται σε ηλεκτρική τάση οπότε και αλλάζει η κατεύθυνση των μορίων τους. Ως συνέπεια αυτού αλλάζει η οπτική διαπερατότητα ή και τα χρώματά του ηλιακού φάσματος που αντανακλούν.

Υλικά αλλαγής φάσης

Ηλεκτρορεολογικά(electrorheological): Υλικά που αλλάζουν την πυκνότητά τους δραστικά όταν βρίσκονται σε περιβάλλον ηλεκτρικής τάσης. Η αλλαγή είναι τόσο έντονη που σχεδόν μετατρέπονται σε στερεό.

Μαγνητορεολογικά(magnetorheological): Υλικά που αλλάζουν την πυκνότητά τους δραστικά μετά την εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου.

Κράματα μνήμης σχήματος(shape memory alloyw): Πρόκειται κυρίως για κράματα τιτανίου- νικελίου τα οποία έχουν την ιδιότητα να μεταμορφώνονται σε συγκεκριμένες προγραμματισμένες μορφές όταν βρεθούν σε συγκεκριμένες συνθήκες θερμοκρασίας ή ηλεκτρικής τάσης. Σήμερα εξελίσσονται και πολυμερή με δυνατότητες μνήμης.

Φωτιζόμενα υλικά

Ηλεκτροφωτιζόμενα(electroluminescents) : Υλικά που είτε βασίζονται σε ημιαγωγούς( semiconductors) είτε σε ατέλειες των φωσφορικών στοιχείων και παράγουν ένα ήπιο φως όταν διαπερνώνται από ρεύμα χαμηλής τάσης.

Δίοδοι εκπομπής φωτός(light-emitting diodes – LED): Πρόκειται για ημιαγωγούς ηλεκτροφωτιζόμενους αλλά με πολλές εφαρμογές και πολλές δυνατότητες.

Φωτοφωτιζόμενα(photoluminescents): Yλικά που απορροφούν το φως και το εκπέμπουν αργότερα με ηπιότερο τρόπο.

Χημοφωτιζόμενα(chemoluminescents): Υλικά που μετατρέπουν σε φως την ενέργεια χημικών αντιδράσεων.

Θερμοφωτιζόμενο(thermoluminescents): Υλικά που μετατρέπουν το πλεόνασμα ενέργειας από θερμότητα σε φως.

Φωτοβολταικά(photovoltaic): Υλικά που μετατρέπουν την ενέργεια που δέχονται από το φως(κυρίως ηλιακό) σε ηλεκτρικό ρεύμα.

Υλικά αμφίδρομης ανταλλαγής ενέργειας

Πιεζοηλεκτρικά(piezoelectric): Υλικά που μετατρέπουν την ενέργεια από μηχανικές παραμορφώσεις σε ηλεκτρική τάση και αμφίδρομα με την παρουσία ηλεκτρικής τάσης παρουσιάζουν μηχανικές παραμορφώσεις που συνήθως δίνουν κινητική δύναμη.

Πυροηλεκτρικά(pyroelectric): Πρόκειται για ηλεκτρονικές μορφές αντλιών θερμότητας που μετατρέπουν την ηλεκτρική τάση σε κρύα/θερμή επιφάνεια. Χρησιμοποιούνται ευρέως στην κατασκευή προσωπικών υπολογιστών και την ψύξη των επεξεργαστών.

Θερμοηλεκτρικά(thermoelectric): Όμοια με τα πυροηλεκτρικά

Ηλεκτροπεριοριστικά(electrorestrictive): Υλικά στα οποία η εφαρμογή ενός ρεύματος μεταβάλλει την ενδοατομική απόσταση μέσω πόλωσης με αποτέλεσμα την αλλαγή της ενέργειας του μορίου.

Μαγνητοπεριοριστικά(magnetorestrictive): Υλικά στα οποία η εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου μεταβάλλει την ενδοατομική απόσταση μέσω πόλωσης, με αποτέλεσμα την αλλαγή της ενέργειας του μορίου.

Παραδείγματα υλικών σχεδιασμένων με νέες ιδιότητες συγκεκριμένων προδιαγραφών από αρχιτέκτονες

·         Aegis Hypo-Surface – dECOI architects,1999

       Μεταλλική επιφάνεια που έχει τη δυνατότητα να παραμορφώνεται φυσικά δεχόμενη                         ηλεκτρικά ερεθίσματα από το περιβάλλον (κίνηση, ήχος, φως).Από το καθορισμένο μεταβαίνουμε στο              διαδραστικό και ακαθόριστο.

·         Pavillon de L’Orme – Objectile architecture, 2001

Το περίπτερο σχεδιάστηκε σαν φόρος τιμής στον εφευρέτη της στερεοτομίας. Η γενική αρχιτεκτονική του είναι ένας προοπτικός κύβος που οι τρεις ομάδες  κορυφογραμμών του συγκλίνουν στο άπειρο. Πολύπλοκα συμπλέγματα, κυματοειδείς επιφάνειες  κόμβοι που μεταβάλλονται δημιουργήθηκαν αλγοριθμικά και παράχθηκαν σε ρούτερ μέχρι και την τελευταία τους λεπτομέρεια. Μπορούμε να πούμε ότι το σημείο-κλειδί της ψηφιακής αρχιτεκτονικής μοιάζει να είναι η πλήρης συσχέτιση σχεδιασμού και παραγωγής.

·         Blur Building, Diller & Scofidio ,2002

Πρόκειται για μία αρχιτεκτονική της ατμόσφαιρας. Το κτίριο περιβάλλεται από μία ομιχλώδη μάζα. Το νερό από τη λίμνηNeuchatel φιλτράρεται και εκτοξεύεται σαν ομίχλη μέσα από σωλήνες υψηλής πίεσης. Βασίζεται σε ένα έξυπνο σύστημα που ανιχνεύει τις αλλαγές στη θερμοκρασία, την υγρασία, τη ταχύτητα και τη διεύθυνση του ανέμου και προσαρμόζει την πίεση του νερού αναλόγως. Μπαίνοντας σε αυτό το  κτίριο οι οπτικές και ακουστικές αναφορές εξαφανίζονται. Καλείσαι να αφεθείς στη χωρική και αισθητική εμπειρία, να αλληλεπιδράσεις με το χώρο. Είναι ένα κτίριο που μπορείς να το πιείς.

·         Bio-concrete(Βιολογικό Μπετόν ή Βακτηριακό Μπετόν ή «Αυτοθεραπευόμενο» Μπετόν)

Ένας σοβαρός κίνδυνος για τη δομή του οπλισμένου σκυροδέματος είναι η δημιουργία ρωγμών. Οι ρωγμές είναι υπεύθυνες για την αλλοίωση της μάζας του σκυροδέματος καθώς και για τη διάβρωση του ενσωματωμένου οπλισμού.

Για την αντιμετώπιση του προβλήματος αυτού έχει εφευρεθεί το «αυτοθεραπευόμενο» μπετόν, βασισμένο σε βακτηριακή δομή, που έχει την ικανότητα να επουλώνει αυτόματα τις ρωγμές. Πιο συγκεκριμένα, προστίθεται στη σύνθεση του σκυροδέματος ένας θεραπευτικός παράγοντας δύο συστατικών, τα οποία είναι  βακτήρια και μία πρόδρομη μεταλλική ένωση. Είναι ένας ειδικός τύπος σκυροδέματος που εφευρέθηκε από μία ομάδα μικροβιολόγων ερευνητών υπό την καθοδήγηση του Henk Jonkers. Έχει δημιουργηθεί με σκοπό να αυξήσει τη διάρκεια ζωής και την αντοχή της δομής του μπετόν  μέσω της αυτοθεραπευτικής δράσης.

Η έναρξη της δράσης αυτής πυροδοτείται με την εξαναγκασμένη είσοδο του νερού μέσα στη ρωγμή του σκυροδέματος, κάτι που ενεργοποιεί την πρόδρομη μεταλλική ένωση που εμπεριέχεται σε αυτό. Αυτή με τη σειρά της παρακινεί τα βακτήρια να αντιδράσουν.

Κατά την παραγωγή του bio-concrete οι θεραπευτικοί παράγοντες εφαρμόζονται με δύο τρόπους, την άμεση εφαρμογή, δηλαδή την άμεση πρόσθεση των δύο συστατικών κατά τη σύνθεση και την ενθυλάκωση.

Εκτίμηση αποτελεσμάτων: Η ανάμιξη με τους θεραπευτικούς παράγοντες δεν πρέπει εξ αρχής να επηρεάζει τις υπόλοιπες ιδιότητες του σκυροδέματος. Μια μεγάλη ποσότητα βακτηρίων και  πρόδρομων μεταλλικών  ενώσεων, όπως γαλακτικό ασβέστιο, επηρεάζουν ουσιαστικά το σκυρόδεμα σε θλιπτική και εφελκυστική  αντοχή. Για το λόγο αυτό απαιτείται βελτιστοποίηση του θεραπευτικού παράγοντα ώστε να μην επηρεάσει την ανθεκτικότητα του μπετόν.

Εν κατακλείδι μπορούμε να το κατατάξουμε στην κατηγορία των έξυπνων υλικών, γιατί δεν είναι ένα συμβατικό  και στατικό σκυρόδεμα, αλλά αντιδρά όταν προκαλούνται ρωγμές στη μάζα του, εμφανίζοντας την αναδυόμενη ικανότητα των βακτηρίων να τις επουλώνουν.

·         Algae Cellunoi

Η  συγκεκριμένη εγκατάσταση είναι μια διακοσμητική κατασκευή τοιχώματος για εξωτερική χρήση που αποτελείται από πολλά κυτταρικά συστατικά που λειτουργούν ως ένα ικρίωμα για να αναπτυχθούν φύκια. Τα διακοσμητικά μοτίβα του τοίχου έχουν πολλαπλές μορφές με κενά και ρωγμές που στοχεύουν τη σταδιακή εμπλοκή της φύσης στην τρισδιάστατη επιφάνεια του. Το τοίχωμα είναι κατασκευασμένο από αφρώδες υλικό το οποίο είναι κατά βάση ένα μονωτικό υλικό. Αυτό που είναι συνήθως κρυμμένο στο εσωτερικό των τοίχων μετατρέπεται σε αυτή την περίπτωση σε εξωτερικό και εκτίθεται ως μία περίτεχνη παχιά επιφάνεια.

Κάθε κυτταρικό συστατικό σπέρνεται με επίγεια άλγη που αναπτύσσονται στις ράχες των μεταβλητών μοτίβων. Τα επιλεγμένα  φύκια είναι ένα έδαφος με βάση τα φύκια του γένους Neochloris και Trentepohlia - ένα είδος νηματοειδών πράσινων φυκιών  chlorophyte, που παραδοσιακά ζουν σε κορμούς δέντρων, πέτρες ή προσόψεις κατοικιών. Τα νήματα του Trentepohlia έχουν μια ισχυρή πορτοκαλί απόχρωση που προκαλείται από μεγάλες ποσότητες καροτενοειδών χρωστικών ουσιών που συγκαλύπτουν το πράσινο της χλωροφύλλης. Το ιδιαίτερο με αυτά τα ταχέως αναπτυσσόμενα φύκια είναι ότι ζουν συμβιωτικά στις λειχήνες που αναπτύσσονται πολύ πιο αργά. Τελικά δημιουργείται μια διαρκή φυσική εξωτερική προστασία για τη μόνωση τοίχων.

·         ShapeShift3, by ETHZ & EMPA, 2010

Το ShapeShift είναι ένα πείραμα που διερευνά την πιθανή εφαρμογή του ηλεκτροενεργού πολυμερούς (EAP - electroactive polymer) σε μια αρχιτεκτονική κλίμακα. Ως μια συνεργασία  μεταξύ του Computer Aided Architectural Design (στο ETHZ) και του Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (EMPA), γεφυρώνει το χάσμα μεταξύ των προηγμένων τεχνικών στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό/κατασκευή και την επιστήμη των υλικών, ενώ παράλληλα προωθεί την ακαδημαϊκή έρευνα για εφαρμογές στον πραγματικό κόσμο.

Η αρχική ιδέα αφορούσε την ανάπτυξη ενός αυτόματου συστήματος εξαερισμού και φωτοσκιασμού το οποίο θα μπορούσε να ενταχθεί στην επιδερμίδα ενός κτηρίου, λειτουργώντας ως πιθανός αντικαταστάτης των συμβατικών κτηριακών επιδερμίδων. Οραματιζόμενο την ιδέα μιας φουτουριστικής, μαλακής και εύκαμπτης αρχιτεκτονικής, προτίθεται να παράξει μια μοναδική χωρική εμπειρία και να αλλάξει τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε γενικά το χτισμένο περιβάλλον, προσφέροντας

παράλληλα αισθητικές ποιότητες.

Το σύστημα λειτουργεί κάνοντας μια οργανική κίνηση που αποτελείται από πολυαξονικές ελαστικές παραμορφώσεις συγκεκριμένου σημείου διαρροής. Η δυνατότητα οφείλεται στο ίδιο το υλικό, που είναι εξαιρετικά ελαφρύ και εύκαμπτο κι έχει την ικανότητα να αλλάζει σχήμα χωρίς την ανάγκη μηχανικών ενεργοποιητών. Μπορεί να μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια που παρέχεται μέσω καλωδίων συνδεδεμένων σε αυτό σε μηχανική δύναμη. Αποτελείται από ένα λεπτό στρώμα ελαστικής ταινίας ακρυλικού, τοποθετημένο μεταξύ δύο ηλεκτροδίων. Μόλις τάση της κλίμακας πολλών κιλοβόλτ εφαρμόζεται μεταξύ των ηλεκτροδίων, το πολυμερές αλλάζει το σχήμα του με την ταυτόχρονη συντέλεση δύο αντιδράσεων. Πρώτον, λόγω της έλξης των αντίθετων φορτίων, η ταινία συμπιέζεται και το πάχος μειώνεται (μέχρι και 380%). Δεύτερον, οι δυνάμεις απώθησης μεταξύ ίδιων φορτίων και στα δύο ηλεκτρόδια, οδηγεί σε μια γραμμική διαστολή του φιλμ. Δηλαδή όταν δεν παρέχεται ρεύμα τα στοιχεία έχουν μεγαλύτερο πάχος και μικρότερη επιφάνεια ενώ όταν παρέχεται αυτά ανοίγουν και λεπταίνουν καλύπτοντας περισσότερη επιφάνεια. Επιστρέφουν στην αρχική θέση με την διακοπή του. Έρευνα σε διάφορα παραμετρικά μοντέλα με τη βοήθεια ψηφιακών τεχνολογιών σχεδίασης (Rhino, Grasshopper) παρήγαγε τις δυο διαφορετικές γεωμετρίες που δοκιμάστηκαν. Και οι δύο βασίζονται στην στρεβλή παραμόρφωση του τετραγώνου.

Η κατασκευή χρησιμοποιεί δυναμικά συστήματα στήριξης που κάμπτονται μαζί με το υλικό. Δεν υπάρχει, δηλαδή, ανάγκη για στατικές δομές, αλλά τα ίδια τα μεμονωμένα στοιχεία συνδέονται μεταξύ τους για να παράγουν αυτοφερόμενες μορφές. Το ηλεκτροενεργό πολυμερές έχει τοποθετηθεί σε εύκαμπτα πλαίσια τα οποία περικλείουν την ηλεκτροενεργή επιφάνεια. Τα πλαίσια αυτά έχουν μεγάλο βαθμό ευκαμψίας ώστε να μην αποτρέπουν την κίνηση του πολυμερούς αλλά παράλληλα να μπορούν να το στηρίξουν. Οι δυναμικές δομές, λοιπόν, επιτυγχάνουν τη μορφή τους από τη σχέση των προ-εντεταμένων EAP και των ευέλικτων πλαισίων. Παράγεται έτσι ένα πολύπλοκο σύστημα αλληλοεξαρτώμενο από τα μέλη του, όπου κάθε στοιχείο έχει άμεση επιρροή στη μορφή και την κίνηση των γειτονικών του,και επομένως, και στη δομή σαν σύνολο.

Αναφορικά, κάποια άλλα παραδείγματα χρήσης δυναμικών συστημάτων και έξυπνων υλικών είναι το E-motive House και το Saltwater Pavillion (ONL architecture 2002 και 1997 αντίστοιχα) και το Laban Dance Center από  Herzog & de Meuron.