Skylar Tibbits‘ Team vom Self-Assembly Lab am Massachusetts Institute of Technology (MIT) erweckt Baustoffe durch Programmierung zum Leben

Es ist nicht schwer, ein physisches Gebäude in reine Daten zu übersetzen. Mithilfe heutiger Überwachungs- und Softwaretools lassen sich Energieverbrauch und Effizienz in Elektronen messen, Strömungsmuster abbilden und Vorhersagen treffen, wie Wetterwechsel das Raumklima beeinflussen werden.

Der Software-Revolution folgte die Hardware-Revolution: dynamische Gebäudesysteme, die in der Lage sind, auf diese enormen Datenmengen zu reagieren. Doch der Forscher Skylar Tibbits vom Self-Assembly Lab (Labor für Selbstorganisation) am MIT glaubt, dass das noch nicht ausreicht. „Nach der Soft- und Hardware-Revolution erleben wir jetzt die Materialrevolution“, sagt er.

Im Self-Assembly Lab untersucht Tibbits, wie man neue oder zweckfremde Materialien auf unerwartete Weise verwenden und damit die Vielseitigkeit und Stärke von Bauteilen erhöhen kann. Er entwickelt außerdem Materialien, denen reaktive, dynamische Eigenschaften in ihre Struktur programmiert wurden: Gelenke, die sich selbst beugen, Möbel, die sich von alleine zusammenfügen, und Stoffe, die sich zu neuen Formen drehen und wenden. Es gibt Systemkomponenten, die einen Sonnenschutz zusammenklappen, sobald Wolken die Sonne verdecken: Lichtsensoren, Software, die die Entscheidung trifft, und mechanische Aktoren, um den Sonnenschutz zu bewegen.

Ein Beispiel für Tibbits’ Einfallsreichtum im Umgang mit Baustoffen konnte man bis Januar auf der Architekturbiennale in Chicago bewundern. Gemeinsam mit einem Forscherteam des Gramazio Kohler Research der ETH Zürich entwickelten er und sein Team ihre „Rock Print“-Installation: ein 4 Meter hoher Monolith auf drei Beinen aus bimsähnlichen, grauen Steinen, die lediglich von einer Schnur zusammengehalten werden. Das Objekt war eines der wenigen Ausstellungsstücke, die den Fokus auf den Einsatz von neuen Materialien und Fertigungstechniken in der Architektur richteten.

Die Skulptur besteht aus Misapor – einem Kies aus Schaumglasbeton, der aus Altglas hergestellt wird. Die raue, lavasteinartige Textur und ein geringes Gewicht verleihen dem Material eine griffige Haptik.

Die Videodokumentation über die Herstellung der Skulptur gab den Besuchern der Biennale nicht viel über das Geheimnis preis: Wie hält diese lose Ansammlung von federleichten Steinen und Schnur diesen Giganten zusammen?

Ein von Computeralgorithmen gesteuerter Roboterarm legt Textilschnur in Schleifen aus, über die anschließend eimerweise Misapor ausgeschüttet wird. Provisorische Formwände halten die Steine, während weitere Schnur und Misapor eingefüllt werden. Schließlich werden die Wände entfernt und Installateure drücken an der Skulptur herum, bis nur noch das übrig bleibt, was in das Netzwerk aus Schnur gepresst ist. Es ist, als ob unser grundsätzliches Verständnis der Physik durch Magie auf den Kopf gestellt wird.

Beim „Rock Print“ wirken zwei physikalische Grundsätze, erklärt Tibbits: ein fundamentales Element der Architektur und ein weiteres, weniger gut erforschtes Prinzip. „Jamming“ (Blockieren, Einklemmen, Festlaufen) tritt auf, wenn Flüssigkeiten oder kleinere körnige Festkörper, wie etwa Steine, in einem engen Behälter zusammengedrückt werden und sich eher wie ein größerer Festkörper verhalten. „Das ist wie im Supermarkt, wenn Sie vakuumverpackten Kaffee kaufen“, sagt er. „Der fühlt sich an wie ein Ziegelstein.“ Aber „Jamming“ alleine erfordert eine Membran und ein Vakuum, um Flüssigkeiten in Feststoffe umzuwandeln, und dies wollte Tibbits vermeiden.

Also haben er und ein Team von GKR sich einem der ältesten physikalischen Rätsel der Baukunst gewidmet: dem Gleichgewicht zwischen Spannung und Kompression. Sobald ihre rauen Kanten miteinander in Reibung kommen, verhaken sich die komprimierten Steine fest ineinander – sowie das Gewicht oben zunimmt, wächst der Monolith. Die Schnur definiert die äußere Begrenzung der Skulptur und hält die Spannung und die nach außen strebende Tendenz der Steine in Schach, während mehr Gewicht hinzugefügt wird.

Die Kombination ist erstaunlich robust. Tibbits sagt, er habe es sogar geschafft, das Material zum Auskragen zu bringen, und ein Prototyp in halbem Maßstab hielt Jan Willmann von GKR zufolge im Test 1,5 Tonnen Gewicht Stand.

In der Architektur gäbe es unzählige praktische Anwendungen für dieses „Stein-und-Schnur“-System im Bauwesen. Tibbits bezeichnet es als „bearbeitbaren Beton“ – ein robustes Baumaterial, das sofort „aushärtet“, weder Schalung noch Ausformung benötigt und vollständig wiederverwertbar ist. Und vieles weist darauf hin, dass es zudem wesentlich umweltfreundlicher ist als Beton. So wäre beispielsweise weit weniger Energie erforderlich, um einen Haufen Steine und Schnur umzustoßen und diese aufzusammeln, als betonfressende Roboter anzutreiben, die ihrer Beute mit Wasserhöchstdruckdüsen zu Leibe gehen.

Tatsächlich ist das elegante Gleichgewicht der Materialeigenschaften des Rock Print weit weniger kompliziert als die „4D-Druck“-Initiativen des Self-Assembly Lab. Sowohl für Eisenstein als auch für Tibbits ist Zeit die vierte Dimension, und ein wesentlicher Schwerpunkt des Self-Assembly Lab liegt auf der Entwicklung von Druckmaterialien, die sich auf externe Reize hin mit der Zeit bewegen und verändern. Ein solch externer Reiz könnte in Form von Wärme, Feuchtigkeit, Geräusch oder sogar zufälliger kinetischer Energie auftreten.

Dieser Umweltreiz wird daraufhin durch die programmierte Struktur des jeweiligen Objekts geleitet, die bestimmt, wie es sich bewegt und reagiert. „Man könnte es vielleicht anhand von Blindenschrift erklären“, sagt Tibbits. „Das Ertasten der Braille-Zeichen ist eine geometrische Übersetzung von Information. Unser Anliegen ist es, die Fähigkeiten der EDV oder Robotertechnik, wie Sensorik, Aktorik und Logik in die Materialien selbst einzubetten.“

So entsehen beispielsweise Möbelstücke, die sich beim Rotieren in einer großen, eiförmigen Kammer selbst mit Magneten zusammenfügen, oder auch gedruckte, eindimensionale Materialstreifen mit Gelenken, die sich zu einem Kubus oder dem Wort „MIT“ formen, sobald sie mit Wasser in Berührung kommen. In all diesen Beispielen führen dynamische, reaktive Systeme roboterartige Funktionen aus – ganz ohne externe Energiequelle.

In Zusammenarbeit mit Autodesk entwickelte Tibbits eine Software zur Unterstützung bei der Programmierung von selbstorganisierenden Materialstrukturen. „Wenn wir wirklich daran glauben, dass wir in Zukunft nicht nur Computer und Maschinen, sondern buchstäblich Materialien und Materie programmieren werden“, sagt Tibbits, „dann sind wir gefordert, völlig andere Planungstools zu entwickeln – sowohl digitale als auch physische.“

Als gelernter Architekt kam Tibbits nach vielen langen, Rücken strapazierenden Nächten, in denen er Architekturinstallationen von Hand fertigte, zur Self-Assembly. Sein Lab jedoch ist absolut interdisziplinär. Er erforscht Schuhe und Hemden, die sich dem Körper anpassen, und ein logischer nächster Schritt wären selbstorganisierende medizinische Anwendungen – wie zum Beispiel ein sich selbst einsetzender Koronarstent.

Dieser integrative Ansatz zeigt die bedeutungsschwere Konsequenz dieser Forschung auf: die Idee, dass dynamische Reaktionsfähigkeit, Interaktivität und Bewegung spartenübergreifend in sämtliche Werkstoffe integriert werden können.

Obwohl Tibbits nach eigener Aussage kein Anhänger von architektonischen oder designtechnischen Ansätzen ist, die biologische Systeme sklavisch nachempfinden, stellte er fest, dass dynamische Interaktivität in der Natur nicht die Ausnahme, sondern die Regel ist. In einer Welt, in der die Baubranche Tibbits‘ Ideen uneingeschränkt angenommen hat, wird die zufällige kinetische Energie wandhoher, in einer Art Zementmixer rotierender Regalteile ausreichen, um diese zum Einrasten zu bringen – bereit zum Anschrauben: eine maßstabsgerechte Version seines „Self-Assembly Line“-Projekts. Gebäude werden sich von selbst zur Sonne wenden, sodass sie die nötige Strahlungsenergie aufnehmen können, um eine gleichbleibende Innentemperatur von 20 Grad Celsius zu halten, und statische Bauteile werden sich beim Kontakt mit Wasser oder Wärme zu maßgefertigten Bogenträgern zusammenfügen.

„Einerseits ist es total radikal und andererseits auch wieder völlig normal“, sagt Tibbits. „Unsere gesamte Umwelt ist hochaktiv, einschließlich wir selbst. Unsere Körper reagieren in vielfältiger Weise auf Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit, Sonnenlicht und Bewegung. Wir zittern, wenn uns kalt ist. Alles ist aktiv – außer den Dingen, die von Menschen gemacht wurden. Warum sollten sie nicht ebenfalls aktiv sein?“