Programmer la matière

Stream : Nous travaillons sur l’idée que nous sommes en train de vivre une rupture anthropologique. Dans votre domaine, pensez-vous que nous vivons une époque de grands changements ? Notre situation dans les siècles à venir sera-t-elle profondément différente de ce qu’elle a été auparavant ?

Skylar Tibbits : Cela dépend du domaine dont vous parlez. S’il s’agit d’architecture en général, je ne suis pas sûr qu’il y ait vraiment une révolution en cours, mais si vous parlez de la convergence de thématiques diverses entre les disciplines, je pense que nous vivons un moment particulièrement important, et peut-être même une révolution, dans le sens où nous pouvons mettre en œuvre la computation et la programmabilité à différentes échelles et à travers différents domaines. Si vous regardez ce qui est en train de se passer en matière de biologie synthétique, ou encore dans les nanotechnologies, en ADN, avec la science des matériaux, la robotique et jusqu’à la fabrication, il y a une sorte de boom de la capacité à programmer des matériaux physiques, à mettre en œuvre la computation et l’utiliser à une échelle différente, au-delà des logiciels. C’est pourquoi certaines personnes décrivent cela en disant que le hardware et les matériaux sont le nouveau software, mais il s’agit d’un phénomène généralisé. Je ne sais pas si cela concerne spécifiquement l’architecture ou si c’est même vraiment présent en architecture. Je pense qu’il s’agit plutôt d’une vraie révolution impliquant différents domaines.

Vers des matériaux actifs et intelligents

Stream : Nous ne nous focalisons pas seulement sur l’architecture, mais nous nous intéressons plus largement aux forces sous-jacentes qui pourraient donner lieu à une révolution dans le monde de l’architecture du futur : c’est ce que nous cherchons à comprendre, voire à anticiper, mais la façon dont l’architecture est organisée ralentit parfois sa capacité à s’adapter à cette révolution en cours. La notion de convergence entre différentes disciplines constitue clairement une composante importante de ce que nous observons. Et il serait utile que vous commenciez par nous expliquer en quoi consiste précisément votre recherche au MIT, au Self-Assembly Lab, et dans le domaine de l’impression 3D et 4D.

Skylar Tibbits : Mes travaux de recherche se composent de deux axes principaux : celui de l’auto-assemblage et celui des matériaux programmables. Au départ, ces travaux ont été initiés dans le cadre d’une bourse de recherche sur la matière programmable proposée par le DARPA, avec l’idée que si l’on peut programmer la matière à différentes échelles et à travers différents domaines, on peut obtenir un changement de forme, un changement de performance, une transformation… À mon avis, l’un des aspects essentiels qui rend notre laboratoire unique tient à l’échelle des applications auxquelles nous nous intéressons. Nous cherchons en effet des moyens d’utiliser l’auto-assemblage et les matériaux programmables pour des applications à échelle industrielle telles que des produits, la fabrication, la construction, et des scénarios à échelle macro.

Comme je le mentionnais plus tôt, une véritable révolution est en cours à beaucoup d’autres échelles et beaucoup de chercheurs s’intéressent à l’auto-assemblage, à la science des matériaux, à la biologie synthétique, à la chimie, etc. L’une des caractéristiques singulières de notre travail est que nous cherchons à développer cela à plus grande échelle et que nous estimons que ces principes peuvent être mis à profit pour une production utile à l’échelle du monde humain. L’idée que nous avons eue, celle qui est à l’origine de l’auto-assemblage, est que certains éléments distincts et indépendants peuvent s’assembler pour former des structures précises, en fonction des interactions entre énergies externe et interne. On peut observer ce phénomène dans beaucoup de domaines différents mais il n’a tout simplement pas été mis à profit à l’échelle humaine, et nous essayons donc de convaincre qu’il pourrait y avoir une application dans le processus de fabrication : vous avez un ensemble de composants et vous souhaitez qu’ils s’assemblent pour obtenir un produit fini.

L’autre aspect majeur de nos recherches concerne les matériaux programmables, ce qui a plus à voir avec la façon dont on interagit avec les matériaux au quotidien. Normalement, les matériaux se présentent sous forme de brins, de feuilles, d’objets coulés, de fibres, etc. L’idée derrière les matériaux programmables, c’est de pouvoir programmer ces matériaux de base pour qu’ils changent de forme ou de comportement, et qu’ils se transforment d’une façon ou d’une autre pour obtenir des produits plus adaptables et réactifs, qui puissent se reconfigurer. Ces deux axes de recherche sont donc relativement proches bien qu’ils concernent des domaines différents, mais toujours à l’échelle macro.

Stream : Qu’est-ce qui rend ces nouveaux axes de recherche possibles ? Quelles sont les découvertes scientifiques majeures qui vous permettent de poursuivre vos recherches dans ce domaine  ?

Skylar Tibbits : Je pense qu’il y en a plusieurs. Et c’est une question intéressante parce que si vous regardez seulement six années en arrière, lorsque nous avons reçu cette bourse sur la matière programmable, presque tout le monde la concevait comme une solution de robotique. Et vous pouvez percevoir à quel point les choses ont changé rapidement en discutant avec un grand nombre des personnalités éminentes du domaine : la plupart d’entre elles ont cessé d’envisager les choses du point de vue de notre approche conventionnelle de la robotique et s’intéressent à des opportunités plus directement liées aux matériaux, aux systèmes souples, à la biologie. Je pense qu’il y a plusieurs raisons à cela. Il faut considérer que lorsque vous avez un gros problème à résoudre, mécaniquement ou techniquement, si vous y mettez suffisamment d’argent, de puissance de calcul, de senseurs, etc., vous parvenez en général à surmonter le problème. Je considère donc cela comme la première vague.

Mais ensuite, avec le temps, et avec un peu de chance, la solution devient de plus en plus élégante, solide, économique et extensible. Je considère la possibilité pour les matériaux de changer de forme, de se reconfigurer, de se reprogrammer, etc., comme le moyen de cette transition, et nous allons dorénavant pouvoir utiliser cette possibilité de manière beaucoup plus élégante. Par ailleurs, parmi les éléments qui ont permis cette transition, on compte notamment de nouvelles découvertes dans le domaine de la science des matériaux, ainsi que le développement de l’univers des matériaux « intelligents », qui rend l’auto-assemblage opérationnel comme processus de fabrication. Aujourd’hui, de nombreux matériaux sont en train d’être découverts et produits grâce à l’auto-assemblage.

Ces nouveaux développements offrent de grandes possibilités en matière de biologie synthétique. L’idée que nous pouvons programmer du vivant de la même façon que nous programmons de l’électronique, effectuer des calculs, stocker de l’information et concevoir de nouveaux systèmes en utilisant des composants fondamentaux existants, je pense que c’est une évolution colossale, comme l’est peut-être aussi finalement l’impression 3D, ou fabrication additive. Ces deux technologies existaient déjà, mais il y a eu une forte croissance de la médiatisation et de l’investissement dans le développement du hardware et des matériaux.

Dans notre cas, cela nous a poussés à comprendre que les imprimantes pouvaient être non seulement un outil, mais qu’elles étaient aussi devenues un catalyseur : en effet, maintenant que cette nouvelle technologie existe et que tout le monde affirme qu’elle est révolutionnaire, que nous soyons d’accord avec cela ou non, pourquoi ne pas nous servir de ces machines pour produire des choses que nous n’aurions jamais pu produire avec les processus antérieurs. Et je ne parle pas que de formes : on peut les utiliser pour construire des matériaux macroscopiques ayant des propriétés très différentes, et programmer ces matériaux pour qu’ils puissent changer de forme et de fonction. En conséquence, au lieu d’essayer d’obtenir des plastiques très similaires aux plastiques actuels, ou des métaux très proches des métaux actuels, pourquoi ne pas essayer de concevoir des matériaux actifs plus « intelligents ». Au final, je pense que ces trois tendances –  la biologie synthétique, la révolution dans la science des matériaux et la fabrication additive – ont conduit à l’obtention de solutions beaucoup plus élégantes pour la matière programmable.

Learning from biology

Stream : Vous avez participé à ArchiLab il y a quelques années. Il y a eu une évolution intéressante par rapport à ce que nous avons pu observer, et à l’orientation vers la forme qui prévalait au début des années 2000. Il semble que l’on souhaitait surtout produire de nouvelles formes, alors qu’aujourd’hui, dans cette relation avec la biologie, il y a aussi quelque chose de nouveau en lien avec l’objectif du projet architectural, quelque chose qui ne relèverait pas tant de la forme elle-même, en tant qu’objet sculptural, mais davantage de la finalité, de l’objectif d’un tel projet, porté par la préoccupation, plus environnementale, d’une architecture capable de mieux s’intégrer dans son environnement. Est-ce quelque chose qui a influencé votre travail ?

Skylar Tibbits : Il est vrai que ce qui a lancé ma carrière dans les années 2000, c’est l’introduction de la computation dans le monde du design. Cela a sans doute commencé par l’art génératif, avant de se propager au design puis à l’architecture génératifs, ce qui a conduit ensuite à l’ère des surfaces fluides et des blobs.

Je pense que c’est révélateur des outils qui étaient alors disponibles. Les logiciels commençaient à devenir relativement puissants et nous arrivions à un point où nous avions accès à toutes ces nouvelles possibilités pour concevoir des formes comme nous ne l’aurions jamais pu auparavant. Mais exactement au même moment, la fabrication digitale a commencé à se développer et il y avait alors d’une part un code qui changeait notre façon de concevoir et d’autre part un code qui changeait notre façon de fabriquer. En fait, c’est cela qui m’a réellement poussé à étudier la computation et l’informatique au MIT. Nos travaux de recherche tendent désormais véritablement à passer à l’étape d’après : au lieu d’utiliser du code pour concevoir et du code pour fabriquer, pouvons-nous utiliser du code pour construire ? C’est la dernière phase de cette évolution, ou au moins la troisième phase, peut-être y aura-t-il autre chose derrière…

On nous demande souvent comment la biologie nous inspire, et de quelle façon notre travail est issu du biomimétisme, et je réponds toujours de façon mitigée : il ne fait aucun doute que nos travaux sont inspirés par le vivant, et nous travaillons beaucoup avec des spécialistes de la biologie moléculaire et de la science des matériaux, des chimistes, des généticiens – la biologie est donc sans aucun doute l’un des fils conducteurs de notre travail, et certains de nos projets en sont même directement issus, comme ce récent projet d’impression ADN sur lequel nous avons travaillé et qui consistait littéralement à imprimer avec de l’ADN, en deux dimensions. Nous avons conçu des structures de protéines repliées et des virus qui s’auto-assemblaient. Cependant, je fais aussi attention à ne jamais affirmer que notre travail est biomimétique, et il y a un certain nombre de raisons à cela.

La première de ces raisons est que je pense que la biologie est fascinante mais que c’est aussi le cas de beaucoup d’autres domaines. Aussi, penser que la biologie est le seul domaine exemplaire serait un peu un piège. Il y a beaucoup de systèmes sans fondement biologique et de scénarios synthétiques qui sont tout aussi intéressants : la chimie de synthèse par exemple, ou, dans le cas de scénarios d’échelle macro, le mouvement des personnes ou les phénomènes d’astrophysique – pour n’en nommer que quelques-uns. De nombreuses autres choses sans rapport à la biologie sont régies par les mêmes principes fondamentaux qui nous intéressent, c’est-à-dire par une construction de comportements précis, de structures qui ne soit pas fondée sur approche descendante. La biologie constitue donc un bon exemple, mais ce n’est qu’un exemple parmi d’autres.

Selon moi, l’autre raison principale est que la biologie est devenue une sorte de dogme. C’est comme si le simple fait de dire que nous nous fondons sur la biologie suffisait à assurer que notre travail est bon, ou que nous devons accepter qu’il est utile pour le monde, etc. Je pense donc également que c’est dangereux, car beaucoup d’études ont démontré que la biologie n’était certainement pas optimale, et que beaucoup des solutions biologiques issues de processus évolutifs résultent en fait de conditions et de circonstances très spécifiques.

Si vous considérez un moment donné de l’histoire où des espèces ont dû faire face à certains défis, des mutations utiles ont eu lieu au sein de ces espèces. Mais si vous considérez la même espèce à une échelle ou une époque très différente, l’ensemble des contraintes sont différentes et la mutation qui a eu lieu n’est presque certainement pas la meilleure solution, parce qu’elle n’est pas optimale au niveau du système mais seulement localement. Je suis un peu inquiet quand je vois que l’on essaie de transplanter ces solutions, et que l’on dit ensuite que les systèmes biomimétiques constituent le futur de l’ingénierie. Nous pouvons en tirer beaucoup d’enseignements, mais nous devons faire attention à ne pas tout absorber et à ne pas tout prendre comme argent comptant pour le transplanter. Je crois cependant que le véritable intérêt de la biologie pour nous, réside dans l’extensibilité de ces principes fondamentaux, notamment dans le fait que l’auto-assemblage peut s’appliquer à travers les échelles et les domaines.

Stream : Pour moi, l’un des aspects très intéressants de ce Self-Assembly Lab est qu’il s’agit d’un travail pluridisciplinaire. Vous êtes un architecte et vous travaillez tous les jours avec des biologistes et des chercheurs de nombreux autres domaines scientifiques. Est-ce vraiment quelque chose que le MIT permet et encourage ?

Skylar Tibbits : Certains de nos collaborateurs sont au MIT et d’autres non. Nous travaillons avec des personnes à Harvard et avec des chercheurs au Scripps Research Institute en Californie, avec des personnes d’un peu partout en fait. Le MIT possède cette culture et cette mentalité pluridisciplinaire. Si vous marchez le long de l’Infinite Corridor qui traverse le MIT, d’abord vous n’avez aucune idée du moment où vous passez d’un bâtiment au suivant, ensuite vous ne savez pas non plus si vous êtes en train de passer par le département d’ingénierie, d’architecture ou de sciences des matériaux. C’est très représentatif du campus et cela favorise probablement cette convergence confuse et indistincte des disciplines. En tant que designers, nous avons des ressources et des idées à offrir. Je pense plus que jamais que les architectes sont utiles, même si l’on ne s’en rend pas forcément compte. Mais il est aussi profitable d’apprendre des autres disciplines, elles peuvent nous apporter quelque chose que nous n’avons pas. Cette collaboration est donc en quelque sorte devenue une partie de notre métier – nous essayons de nous inspirer d’autres disciplines, et de collaborer avec des personnes en dehors de notre propre domaine.

Programmation et autonomie

Stream : Vous travaillez également sur le concept de l’impression 4D. Pouvez-vous nous expliquer quelle évolution il y a eu entre l’impression 3D et l’impression 4D ?

Skylar Tibbits : L’impression 4D, c’est fondamentalement l’idée selon laquelle vous imprimez avec des matériaux « intelligents » – en tout cas c’est ainsi qu’on l’entend généralement – ce qui signifie qu’au lieu d’imprimer des objets statiques qui sont soit des prototypes, soit des produits finis, on cherche à imprimer des objets qui ont des comportements programmés et qui peuvent soit changer de forme, soit changer de propriétés sur simple demande. Vous imprimez alors des choses qui sont actives, et non statiques. Actuellement, nous faisons cela en imprimant avec des matériaux multiples.

Nous utilisons ainsi des matériaux dont les propriétés sont différentes et répondent à des énergies externes ou internes. En ce moment, nous imprimons avec un polymère qui se dilate au contact de l’eau et un polymère plutôt rigide. C’est ce polymère rigide qui forme en quelque sorte le support de toute la structure et de l’information géométrique, de l’angle et de la précision, etc. Il y a donc différents types de plastiques qui réagissent à des conditions variées et vous pouvez ainsi imprimer en combinant plusieurs matériaux pour obtenir ces réponses. Ce faisant, en positionnant ces matériaux de façon très spécifique, vous pouvez prédire le type de structure que vous allez obtenir lorsque l’une ou l’autre de ces conditions sera atteinte. L’idée est de penser l’objet pour qu’il se transforme en ceci ou cela lorsque tel ou tel événement se produit. C’est une approche très différente de l’impression que de chercher à entrer en concurrence avec les processus traditionnels de fabrication.

Stream : Cela soulève deux questions pour moi. La première est de savoir comment vous envisagez le rôle du designer dans le type de processus où la forme n’est plus issue directement d’un dessin, mais où, d’une façon ou d’une autre, elle peut être auto-organisée. Et ma seconde question est de savoir si vous pouvez nous donner un exemple de recherche ou d’application qui commence maintenant à atteindre l’échelle d’un bâtiment.

Skylar Tibbits : Pour répondre à votre première question, je pense que le rôle du designer réside dans la collaboration. Nous ne sommes plus du tout dans le schéma du designer placé au sommet du processus et qui force les matériaux et les machines à faire ce qu’il veut obtenir dans sa création. Je pense que nous nous approchons d’une situation où la machine peut faire des choses que nous ne pouvons faire, que le designer peut faire des choses que la machine ne peut pas faire, et que les matériaux peuvent faire d’autres choses encore que ni la machine ni le designer ne peuvent faire. Nous essayons donc de collaborer avec les machines et les matériaux en réponse à l’énergie. Cela se passe de la façon suivante : le rôle du designer peut consister à faire émerger les objectifs à atteindre ou encore les choix à effectuer dans certaines conditions, par exemple, si une condition donnée émerge, alors il faut aller dans tel ou tel sens. Le rôle du designer peut ainsi être considéré comme la fonctionnalité supérieure du processus, disons qu’il définit la composition des matériaux qui guide la structure dans une direction ou une autre. Le rôle de la machine est beaucoup plus précis, il s’agit de tâches répétitives, de précision, de placement des matériaux et d’autres tâches de ce type. Le rôle des matériaux relève de la physique, il consiste à interagir avec leur environnement, avec eux-mêmes, et à matérialiser les programmes qui leur ont été intégrés. Nous ne sommes donc pas dans une situation où nous ne pouvons rien faire parce que les matériaux prennent les décisions : en fait, nous intégrons des programmes que les matériaux ont à suivre, mais les matériaux ont aussi un comportement et un rôle dans cette collaboration.

Pour répondre à votre seconde question, concernant les recherches et les applications à l’échelle du bâtiment, l’essentiel de nos travaux est tourné vers des systèmes à grande échelle, et j’entends cela de deux façons différentes : il peut s’agir d’une grande multiplicité de composants ou de grandeur à proprement parler. Les deux sujets nous intéressent. Nous faisons des choses assez grandes si vous les comparez à ce qui est fait en matière de robotique, de science des matériaux et de biologie, mais par rapport à l’architecture, je dirais ce que nous faisons n’est toujours de très grande taille. Cependant, nous avons beaucoup travaillé sur la base d’une grande multiplicité de composants, avec des centaines de milliers d’éléments qui s’assemblent simultanément, et nous sommes en train d’essayer de faire évoluer cette stratégie vers des systèmes à plus large échelle. Nous ne sommes clairement pas encore au stade de la construction, et nous n’y arriverons peut-être jamais, mais nous travaillons aussi sur d’autres domaines tels que la fabrication à grande échelle et les grands espaces, entre autres, et différentes applications de ce type. J’imagine que vous faisiez également allusion à l’impression 4D et à ses applications dans le domaine de la construction ?

À mon avis, l’impression 4D est une sorte de processus ou de technique très large avec des applications très diverses. Du coup, tout processus dans lequel nous utiliserions traditionnellement des moteurs ou des senseurs pour réaliser des systèmes « intelligents » ou transformatifs constitue une application éligible à l’impression 4D, car il est désormais possible d’intégrer cette transformation et ces informations dans les matériaux eux-mêmes. Il y a un très grand nombre de produits différents possibles, de l’habillement sportif à l’infrastructure, de mécanismes de valve à l’aérospatial, d’ailes à géométrie variable jusqu’aux pneus qui changent de forme en fonction de l’état des routes.

Si vous vous intéressez au secteur de l’architecture et de la construction, vous savez qu’il y a clairement eu au moins une sorte de mouvement ou d’intérêt durant les dernières décennies pour les structures transformatives dont les enclenchements mécaniques tendent à jouer un rôle de médiation par rapport à l’environnement. Mais la question de savoir combien de temps de telles structures fonctionneraient vraiment, et quelle quantité d’énergie est nécessaire pour les contrôler, reste d’actualité. Je pense donc que les applications possibles consisteraient soit à programmer un changement de comportement des matériaux en fonction de l’environnement, soit à programmer des changements géométriques ou structurels – on peut par exemple envisager des scénarios de séismes au cours desquels la géométrie des façades se transformerait, il y a là d’innombrables applications qui ont déjà suscité un intérêt.

Notre vision consisterait à nous éloigner des actionnements électromécaniques et des senseurs en raison des problématiques latentes de coûts, de défaillance, de difficulté de programmabilité et de contrôle qui leur sont inhérentes. Au final, l’application de la robotique à l’architecture n’est probablement pas encore viable à l’échelle des bâtiments. Elle le sera peut-être dans le futur, mais je pense qu’il y a une solution plus élégante : en effet, si l’on parvenait à mettre à profit des matériaux et une géométrie qui répondent à l’énergie interne et externe, alors on pourrait obtenir le même type d’actionnement et de détection par senseurs qu’avec des moteurs et la computation (au sens traditionnel), mais de façon beaucoup plus robuste, économique, facile à contrôler et assembler. Je pense donc que ce sont là les applications qu’il faut développer à l’échelle architecturale.

Stream : Peut-être pourrions-nous conclure avec ce mot, « élégant », que vous utilisez beaucoup…

Skylar Tibbits : J’imagine que j’affirme ainsi l’importance d’obtenir des solutions élégantes par opposition à l’approche traditionnellement utilisée en ingénierie, à savoir mobiliser tous les moyens possibles pour faire face aux défis qui se posent : ressources financières et humaines, puissance de calcul, moteurs, senseurs, etc. Une solution élégante reviendrait à opter pour quelque chose de beaucoup plus raffiné et simple, qui soit aussi plus robuste, moins cher, plus extensible, qui nécessite moins de composants, et ainsi de suite. Je parle bien d’une solution plus simple et plus robuste. Habituellement, cette évolution a lieu de façon graduelle, et l’on finit par découvrir des façons plus simples de faire les choses, dénuées de toute la complexité initiale. C’est cela que je décris comme élégant, mais évidemment il pourrait aussi y avoir un côté esthétique, et, étant donné que nous avons un profil d’architecte et de designer, cela coule de source dans notre travail. Mais je pense que c’est utile, et que cela nous distingue radicalement d’une grande partie de nos collègues scientifiques ou ingénieurs. L’esthétique est un aspect important des choses – souvent les systèmes de matériaux que nous concevons constituent l’esthétique d’un projet, et il ne s’agit donc pas d’une composante ajoutée : le choix des matériaux et de la géométrie devient l’esthétique.

(Cet article a été publié dans Stream 03 en 2014.)