实验室干货 | 建筑类实验室揭秘之——MIT-Media Lab City Science实验室
实验室揭秘之
MIT-Media Lab “City Science”
//MIT Media Lab icon collections
TechArt开出新干货板块啦！[TechArt-实验室揭秘系列]
近期有不少与我们交流的小伙伴都有提到对海外实验室和部分项目的向往，小编也整理了一系列与建筑设计相关的几个优秀实验室的研究概述，其主要研究成果以及开源的学习代码，之后会定期推出此类干货文章。希望能让大家有一个初步的了解，也为大家之后的研究方向选择做引导。整个系列的推文会按照 院校型 | 独立型实验室间隔性地推出，学术与工作两不误，敬请期待。
（如果大家有什么希望了解的学术干货和一些相关资讯，也欢迎在文章最后扫码与小编交流，小编也将尽力为大家整理哦）
本期的推文，小编就和大家一起聊聊全球顶尖的学术群，MIT Media Lab —— City Science。
以下图文部分来自于MIT Media Lab官网
文章全长字5500，阅读时间13分钟
City Science Lab
“Looking beyond smart cities”
City Science研究小组旨在提出，在人们的生活和工作之间找到流动型的连接方式与新设计战略，以创造未来城市空间的新契机。
研究方向 | Research Key Words
# 机器人与全自动系统 | Robotics & Autonomous System
# 人工智能 | Artificial Intelligence
# 计算机视觉 | Computer Vision
# 人机交互 | Human-computer Interaction
# 增强现实 | Augmented Reality
# 城市规划 | Urban Planning
# 数据可视化| Data Visualization
# 集群智能| Collective Intelligence
研究课题 | Research Themes
整个实验室的研究，主要分为以下三个主题：
1）Places for Live/Work [Changing Places]
2）Urban Modeling, Simulation & Prediction [CityScope]
3）Mobility on Demand [PEV]
图片来源：City Science官网
Theme1：Changing Place
2.1 主题宗旨 | Theme Brief
Changing Places researchers are developing scalable strategies for creating hyper-efficient, technology-enabled spaces that can help make living more affordable, productive, enjoyable, and creative for urban dwellers.
Changing Place的部分项目列表
1. CityHome（2011之后持续研究）
“智能家具”
（项目视频 https://www.youtube.com/watch?v=f8giE7i7CAE&feature=emb_logo）
图片来源：Changing Place官网
类似的CityHome的项目，想必大家都看过不少。CityHome作为2011年智能家具中的先锋项目，指导了Changing Places主题以及智能家具领域之后的研究发展。该项目展示了占地面积非常小的城市住宅是如何在使用中达到两到三倍室内尺寸的作用。其中通过一个可转换的墙系统来实现家具、存储区、运动设备、照明、办公设备和娱乐系统的集成。具体的改造场景有：卧室改造成家庭健身房，客厅改造成14人的宴会空间，厨房可以开放到起居室，也可以关闭用作餐饮厨房等。每位住户都会根据其独特的活动和要求，参与到个性化墙移动壁的设计与改造过程中。
2. Amoeba Wall: A context-aware wall system（2016之后持续研究）“交互式空间单体”
（项目视频 https://www.youtube.com/watch?v=yJ-RahMUX4w&feature=emb_logo）
图片来源：Changing Place官网
Amoeba是一组动态空间元素，该项目系列专注于设计高效、动态且可重构与协作的空间，也同样奠定了Changing Places的研究主题。其研究内容包括可转换形态的地板、天花板、桌子、椅子和工作空间。AmoebaWall 项目中以墙体为实验，并让空间与人产生互动。当人靠近墙体到一定距离，墙体会自动地朝人靠近，从两边围合成半开放的私密性空间。墙体同样会跟随人的移动路线，持续变化形态，保持围合的空间。
2.3 近期项目 | Recent Projects
(CityHome与Amoeba Wall项目的衍生)
1. Piccolo Kitchen
“未来厨房设计”
厨房功能调节的过程
Piccolo kitchen作为CityHome项目的2.0版本，是目前正在开发的室内家具微型单元的组件之一。烹饪是一种具有文化属性的个人体验。该项目旨在创建一个模块化平台，用于特定新型文化的微型厨房空间。此外，这个项目探索了新的烹饪模式，使用机器人控制的橱柜和电器，最大限度地减少厨房的占地面积，同时也最大限度地提高用户在非用餐时间做饭、社交和利用相同空间的能力。厨房在一天内以不同的时间与方式被使用，用来满足不同的文化与使用需求，并且附以用户定制的家具插件来解决特定需求。
2. TerMITes
“室内数据收集设备”
TerMITes的在线室内数据库
TerMITes是无线环境传感器，可以用来检测、环境光、二氧化碳和温度等数据，并且收集人的运动情况，帮助设计师更好地了解环境和人类行为之间的关系。传感器数据主要有时间和位置标记，并支持使用多模式的传感器附件连接到家中的门、窗、抽屉、橱柜、桌子和椅子。该设备通过低功耗Wi-Fi直接登录互联网并自动上传收集到的数据至数据库中，已用于设计师进一步的分析与设计。http://termites.synthetic.space/ ，项目官网中附有相关软件的下载链接，在线数据平台，与使用的详细教程，便于大家学习。
（项目视频 https://www.youtube.com/watchv=51Hu089w8Vw&feature=emb_logo）
项目的概念图，用户感知与控制设备
家具的功能调节过程，3个主功能结合
可调节的玻璃可见度
Escape Pod类似以上的智能家具项目，同样使用智能家具最大限度地提高空间的使用效率，旨在让用户在繁忙的工作中享受空闲的休闲片段。设计师将用户休闲，工作与休息的空间三者在家具模块中结合，上层空间为休息区，下层空间为工作与休闲区，仅靠家具两侧的主轴杆件移动模块。外表面使用的特殊玻璃表面且具有可变的透明度，可以根据用户的隐私要求启用一系列可见性设置。
Theme2：CityScope
3.1 主题宗旨 | Theme Brief
City Science researchers are developing a slew of tangible and digital platforms dedicated to solving spatial design and urban planning challenges. The tools range from simulations that quantify the impact of disruptive interventions in cities to communicable collaboration applications. We develop and deploy these tools around the world and maintain open-source repositories for the majority of deployments. "CityScope" is a concept for shared, interactive computation for urban planning.
CityScope主要有以下分主题的探讨：
1. 人机交互 | Human-Computer Interaction
2. 机器学习 | Machine Learning
3. 增强现实与虚拟现实 | Augmented Reality & Virtual Reality
Machine Learning for Real-time Urban Metrics and Design Recommendations
“ 可交互性的城市数字平台 ”
（项目视频 https://www.youtube.com/watch?v=JEH01UvjzD0）
如果大家对Media Lab有所了解，那也一定听说过CityScope项目的大概设计理念。小编也为大家找到了项目的具体资料与相关文章，帮大家深入分析一下CityScope的技术实现原理：
CityScope Research Background | 项目研究背景：
1. 高度动态性与复杂性
2. 城市缺乏自下而上的设计理念，大众对于城市的设计没有决策权
3. 城市缺乏实时的数据互动性和城市设计的优化过程
4. 城市数据模拟工具与设计工具的割裂
CityScope Brief | 项目概述：
CityScope项目，是关于城市规划共享，交互式计算的设计概念。该平台是一种有形的城市模拟工具，以LEGO实体积木代表城市中的不同建筑，用户通过改变LEGO模块的位置，投影表现的色块化城市分区，了解自身干预对复杂城市数据的影响。整个平台，在实时动态，迭代的过程中让用户参与并理解城市决策。
CityScope设计逻辑 | 人机协作
CityScope Methodology | 设计方法论&具体的技术实时
1. 矩阵装置 | Design of CityMatrix
CityMatrix（16X16）的设置允许用户通过移动带有标签的模块来更改土地使用布局。其中，每个乐高模块都具有不同的功能含义，如：建筑、道路和庭院等，侧边的滑块也允许用户更改对城市密度的设置。用户可以将代表不同功能的模块放入16x16的矩阵中，并且增加或者减少不同功能建筑物的高度。之后再通过向上或向下滑动侧边的滑轨，来控制计算机对这些建筑的高度数据的读取，从而通过将数据可视化的投影，向用户展示计算机对于城市密度以及城市热力图。
16x16的矩阵，和城市密度控制滑轨
2. 需要的设备 | Hardware & Software Structure
需要的硬件设备：
• 模块化的操作台
• 底部预先标记的乐高模块
• 操作台上的LED表面
• 摄像头记录（操作台下）
• 便携计算机用以运行程序
• 高清投影仪（悬挂于墙）
• 垂直屏幕用以显示可视化数据
需要的软件设备：
• 用户输入&建筑高度与类型的转译
• 城市效能评估 （五个效能指标）
• 机器学习预测与机器优化协助大众的城市设计决策
• 实时数据可视化输出
整个交互装置的设备细节图
CNN的网络结构和热力图的训练数据
3. 机器学习的训练与预测 | ML Training and Prediction
训练数据为10000张随机生成的模拟分析图，7000个被用作训练集，3000个为验证测试集。设计师对多个机器学习模型进行了比较和评估，包括使用Scikit learn和三层卷积神经网络（CNN）实现的线性回归，TensorFlow和Keras一起搭建的神经网络模型。训练与预测的输入是网络上的点位置（模块标签）与高度，输出是该摆放情况下的热力分析图，交通分析图等。通过不同网络预测结果的准确性，最后选取最合适的网络用于之后的应用。在之后的用户操作中，通过底部拍摄的模块标签图，作为实时的输入，即可反馈给投影仪作为实施的分析图输出。
模拟结果与机器预测结果的对比
4. 实现效果
当用户输入新的模块定位时，计算机会不断更新数神经网络实施预测的五个城市规划指标（1. Experience Diversity，2. Emergy & Cost Efficiency 3.Traffic Performance 4. Population Density 5.Solar Performance），并且通过显示屏，与用户交流人工智能建议下的城市决策。最终的效果实现将应用到真实的环境中，解决真实的社区矛盾与城市改造问题。计算机不仅可以对用户的决策提出建议，而且还可以通过实时数据告知用户作出这一决定的原因，在一定程度上让用户与计算机协作互动。
左上，城市交通分析图；左下，城市热力图分析
相关软件 & 开源代码
CityScope当前所有的开发，工具和软件也都是开源的（https://cityscope.github.io/），大家可以下载操作研究。以下链接是小编搜索到的关于CityScope Github的部分教程，大家也可以查看。
CityScope Github开源代码
相关教程 https://www.youtube.com/watch?v=Z7v2clIaTKY
(CityScope项目的衍生)
大部分项目都与小编在以上分析的CityScope比较相似，部分项目会有一些新技术的结合，如AR&VR。
CityScope Andorra
“集群智能与增强现实”
（项目视频 youtube.com/watch?v=7u-YyP50XV8&feature=emb_logo）
粒子系统 & 实时预测对整体片区的影响
增强现实的应用
这个项目在CityScope1.0版本上有两个改进：1）将CityScope中CityMatrix的预测效果置放到大尺度的片区，实验如何用小区域的城市更改带动城市整体的交通流通。通过在CityMartix装置中的调节，机器的预测结果实时投影在片区中，再通过粒子系统的实时模拟，得到改进之后的交通情况，2）第二点则是增加了增强现实在展示效果中的应用，用户可以用手机摄像机等扫取平面的城市图。通过读取图像中的feature points，预先建好的城市模型将以一定角度放置在平面的城市图上，三维模型对于大众也能更直观地理解城市空间。用户也可以在手机中点击具体的街道与建筑，留下自己的意见，与其他用户互动。
以下为其他项目的最终效果图，部分操作原理与以上两个项目类似，小编在此就不再做展开了。
CityScope Livingline Shanghai项目
Deep Urban Interaction项目
利用计算机视觉和深层神经网络对城市中人群的互动进行分析和可视化
Reversed Urbanism项目
用增强现实将人群粒子在城市中的活动可视化
Theme3：Mobility on demand
4.1 主题宗旨 | Theme Brief
Urban populations around the world are rapidly growing. To improve livability, urban residents must reduce dependency on fossil fuels and private cars, while needing efficient equitable access to inexpensive and reliable transportation. Urbanization has outpaced transportation innovation as we know it, and urban transportation issues are far more complex and diverse than they appear when viewed from a car seat. Going beyond the robotization and electrification of cars, we conceptualize, prototype and pilot mobility interventions.
Mobility on demand的部分项目列表
Mobility on demand 主要有以下分主题的探讨
1. 自动化系统 | Lite Autonomy
2. 人机交互Social-Machine Interaction
3. 基础设计和政策 Infrastructure & Policies
4. 移动模拟 | Deployment Simulation
5. 技术与社会需求 | Open-Innovation
Persuasive Electric Vehicle (PEV)
“自动可交互自行车”
（项目视频 https://vimeo.com/273550070）
Mobility PEV设计逻辑
PEV项目旨在通过一种健康、方便、可持续的汽车替代品来解决城市交通的挑战。该项目是一种低成本、灵活、共享使用的自动自行车，既可以作为乘客上下班的电动辅助三轮车，也可以作为包裹递送的自动载体。设计采用标准自行车部件，重量轻（<50kg），但坚固耐用，且传感器易于重新配置。用户可以通过手机app召唤PEV，最近可用的PEV会自动到达迎接该用户。完成行程后，PEV只需继续等待下一个乘客或者执行包裹取货的服务，也可以由驾驶员操作，为驾驶员提供电动辅助。
(PEV项目的衍生)
（项目视频 https://vimeo.com/163026256）
线上PEV路径模拟平台
Mobility on Demand的近期的研究项目不多，主要都是围绕PEV项目的具体操作的深入展开。车辆与用户交互的可用性是成功共享使用移动服务背后的一个关键因素。正确管理供需动态对于实现移动服务的可行性至关重要，供应不足会导致服务可用性低和用户不满意；过度供应会导致资源使用效率低下。此外，随着客运和货运方面的多样化，其所需的运营的规模和投资变得更加难以估计。在这项服务部署模拟研究中，项目目标是创建一个互动性的区域性服务模拟工具，用以作为测试平台，使得电动汽车（PEV）作为共享移动服务媒介达到较高的可行度，并完成一定的部署规模。该模拟工具还允许测试各种附加的系统型设计功能，如重新平衡车队和分配充电站的策略。
2. Human-Machine Interaction (HMI) in Social & Public Environments
"PEV的线上交互与模拟平台"
（项目视频https://www.youtube.com/watch?v=UjRIdpGt3yE&feature=emb_logo）
该项目同样作为PEV的进阶版，旨在将人与机器之间共存、信任和协作的关系具体落实至功能。与上一个项目的研究相互做补充，该项目具体在感测系统上做了改进，如：车辆与行人之间有效的双向交流（人能在视觉上得知机器的运动方式，机器也会预设的避障范围与人保持一定的距离）；街道安全和交通让行机制（机器预设的移动位置，即具体的车道）；以及机器的移动模式改进。以上附有的4个链接，都直观地展示了这些功能在具体操作时所能达成的效果。
关于更多优秀实验室与项目详情，欢迎在文章最后联系TechArt学术顾问，一起交流。
学术干货 | 机械臂建造 Robotic Assembly & Fabrication 建筑应用汇总（第一期）
学术干货 | 机器人和全自动系统 Robotics and Autonomous System 建筑应用汇总学术干货 | 人工智能风格迁移 Style Transfer的建筑应用工具与程序汇总
TechArt将继续分享最前沿的建筑艺术类的学术知识与优质的海外科研资源，为热爱学术的小伙伴们提供满满的福利！
咨询更多项目详情
可长按二维码添加学究科研社学术顾问微信预约