Technology foresight for the Architecture of the future:3D printing

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UNIVERSITĂ€ IUAV DI VENEZIA Corso di Laurea Magistrale in Architettura e Culture del Progetto A.A. 2013/2014

Prospettive Tecnologiche per l’Architettura del Futuro La stampa 3D

Relatore Prof. Arch. Benno Albrecht Correlatore Prof. Arch. Massimo Rossetti Studente Luisa Vittadello 277297



UNIVERSITĂ€ IUAV DI VENEZIA Corso di Laurea Magistrale in Architettura e Culture del Progetto A.A. 2013/2014

Prospettive Tecnologiche per l’Architettura del Futuro La stampa 3D

Relatore Prof. Arch. Benno Albrecht Correlatore Prof. Arch. Massimo Rossetti Studente Luisa Vittadello 277297



per il mondo che verrĂ


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indice — 0 1 . / INTRODUZIONE — 0 2 . / PROSPETTIVE -Popolazione -Singolarità -Possibilità — 0 3 . / LINEE TEMPORALI -Materiali -Alimentazione -Bioingegneria -Robotica -Architettura — 0 4 . / LA STAMPA 3D -La storia della stampa 3D -Le tipologie di stampa -Utilizzi attuali -La Stampa 3D in Architettura — 0 5 . / PROGETTO -Fonti -Il caso degli Slums -Introduzione al progetto -Un nuovo modo di abitare -Le stampe trasparenti — 0 6 . / ORIZZONTE 2045 -Premesse sul futuro -Operare a livello nanometrico -Teorie in campo architettonico -Visioni future — 0 7 . / CONCLUSIONI TITLE

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01. INTRODUZIONE

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Con questa introduzione mi preme mettere in luce alcuni aspetti cruciali su cui tutto il resto della tesi si fonda. Prima di tutto, per capire di che architettura il mondo ha bisogno, è necessario analizzare come sarà l’evoluzione demografica prevista per i prossimi anni. Una volta chiarito questo aspetto, lo studio si focalizza sul tipo di tecnologie che saranno presenti parallelamente alle varie fasi dell’evoluzione demografica, al fine di fornire una panoramica ragionevole riguardo i possibili scenari che si potranno delineare all’interno di questo frame temporale. E’ importante sottolineare che le leggi statistiche che regolano le previsioni demografiche hanno una affidabilità di gran lunga inferiore rispetto alle leggi che regolano l’evoluzione tecnologica delle tecnologie dell’informazione. Infatti, mentre sui trend demografici anche gli studi più autorevoli differiscono notevolmente tra loro, si nota che la legge di Moore e la legge dei Ritorni Accelerati forniscono statistiche e previsioni estremamente precise ed affidabili. La tecnologia per l’architettura si sta spostando rapidamente da un ambito prettamente meccanico ad uno fortemente automatizzato ed informatizzato. Per questo motivo, lo studio tecnologico preliminare, di questi trend è di fondamentale importanza per questa tesi. Inoltre la parte progettuale racchiude in se le tecnologie attuali in previsione di quelle future.

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With this introduction I would like to highlight some key aspects on which the rest of the thesis is based. First of all, to understand the kind of architecture that the world needs, it is necessary to analyse global demographic change over the coming years. Once this aspect is clarified, the study will focus on the kinds of technologies that will be present in parallel with the various phases of demographic change, to provide a reasoned overview of the possible scenarios that can be delineated in this time frame. It is important to underline that statistical laws of demographic forecasts have a reliability far lower than the laws that regulate technological change in information technology. In fact, while authoritative studies on demographic trends greatly differ from each other, it is notable that Moore’s Law and the Law of of Accelerating Returns provide extremely precise and reliable forecasts. The technology for architecture is moving rapidly from being a purely mechanical field to a highly automated and computerized one. For this reason, the study of technological advance of these trends is of fundamental importance for this thesis. Moreover, the section about design includes current technologies as a prediction of future ones.

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02. PROSPETTIVE

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POPOLAZIONE

Osservando il passato possiamo notare come l’uomo abbia impiegato circa 190.000 anni per raggiungere la soglia di un miliardo di abitanti sulla terra. Dal 1800 fino ai giorni nostri la popolazione è aumentata fino ad arrivare a 7 miliardi nel 2011. I dati sulle previsioni future mostrano come questo trend salirà fino ai 9,2 miliardi nel 2045. L’aumento della popolazione non è distribuita omogeneamente in tutti i continenti, la maggior parte dei paesi sviluppati crescerà di poche centinaia di milioni, e in casi come l’Europa, la popolazione calerà di circa lo 0,1%. Le nazioni più popolose nei prossimi anni saranno: India, Pakistan, R.D. Congo, Nigeria ed Etiopia raggiungendo da sole quasi un miliardo di persone. Riassumendo le parole di Hans Rosling nel TED Talk “Global population growth” del 2011 “Nel 1960 la popolazione sulla terra era di 3 miliardi di persone e c’era un divario enorme. Il mondo industrializzato aveva un miliardo di persone, mentre quello in via di sviluppo ne aveva due miliardi. Questo divario tra l’occidente e il rimanente ha creato una mentalità nel mondo che usiamo ancora linguisticamente quando parliamo dell’”occidente” e “i paesi in via di sviluppo.” Un esempio significativo dello sviluppo riguarda i bambini egiziani che nel 1960 vivevano lungo il Delta del Nilo. Soffrivano di diarrea, malaria e molti altri problemi. Poi arrivò la diga di Assuan, e l’elettricità nelle case. Aumentarono così i livelli di istruzione e arrivò un servizio sanitario di base. Poi arrivò acqua più pulita, e la malaria venne debellata. E i loro tassi di mortalità infantile scesero rapidamente. Dal 1960, fino al 2010 la popolazione mondiale è aumentata di quattro miliardi di persone. I paesi industrializzati hanno fatto crescere l’economia, quindi la popolazione occidentale si è spostata ed è diventata ancora più ricca, le nazioni in via di sviluppo che si sono sviluppate e hanno avanzato nel posto in cui prima stava l’occidente diventando economie emergenti. Tre miliardi di persone stanno a loro volta diventano economie emergenti, perché sono abbastanza in salute, relativamente ben istruite,

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Looking at the past, it can be observed that it took mankind about 190,000 years to reach almost one billion inhabitants on earth. From 1800 until the present day the population has grown to arrive at 7 billion in 2011. The data from future forecasts show this number will rise to 9.2 Billion in 2045. Global population growth is not equally distributed across the continents. Most developed countries will grow only by only a few hundred million people, and in cases like Europe, the population will decrease by about 0.1%. The most populous nations in future years will be: India, Pakistan, Democratic Republic of Congo, Nigeria and Ethiopia; reaching nearly one billion people by themselves. Summarising the words of Hans Rosling in the TED talk “Global population growth” of 2011 “In 1960 the earth’s population was 3 billion people and there was an enormous gap: the industrial world had one billion people, while developing ones had two million. This gap between the west and the rest created a mentality in the world that we still use today linguistically when we talk about “the west” and “the developing countries.” An important example of development deals with Egyptian children in 1960 living along the Nile Delta. They were plagued with diarrhoea, malaria and many other problems. Then the Aswan dam was built, and that brought electricity to homes. The number of educated people increased and a new sanitary system was introduced. Better quality drinking water was introduced, and malaria nearly disappeared. The infant death rate decreased rapidly. From 1960 until 2010 the global population has increased in number by four billion people. The industrialised countries contributed to an increase in the global economy; therefore western populations became richer and ascended the list of the world’s richest countries. The developing countries have taken the place of the western populations to become the new emerging economies. Three billion people are turning into emerging economies because they are healthy, better educated, and each family has two or three children. PP

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LA POPOLAZIONE NEL MONDO

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e hanno già due o tre bambini per donna. La tragedia è che ci sono ancora due miliardi di persone che combattono per il cibo e sono ancora poveri quasi quanto lo erano 50 anni fa. In futuro le nazioni a basso o medio reddito e le economie emergenti, imiteranno la salita economica degli altri paesi, e i due miliardi più poveri cresceranno nei prossimi decenni fino a quattro miliardi. Ma se, usciranno dalla povertà,verranno istruiti, otterranno una minore mortalità infantile, la crescita della popolazione si fermerà nel 2050. Quindi l’unica strada per far davvero fermare la crescita demografica è di continuare a migliorare le probabilità di sopravvivenza dei bambini fino al 90%. Oltre all’aumento, la popolazione sarà soggetta anche ad un ulteriore cambiamento; nel 1950 il tasso di abitanti in area urbana era del 28%, oggi è del 55% mentre nel 2045 sarà intorno al 70%. Con questo andamento in circa 30 anni ci sarà un aumento nella popolazione mondiale che tenderà ad insediarsi soprattutto nelle aree urbane. Questo significa che i nostri paesaggi urbani esistenti e di nuova realizzazione dovranno avere accesso agli standard di qualità della vita e che dovranno estendersi fino alla totalità della popolazione. Non potremmo avere persone sotto la soglia di estrema povertà perché otterremmo solo una continua crescita della popolazione. Dovremmo riuscire a fermarci attorno ai nove miliardi attraverso le politiche giuste e raggiungere una popolazione del mondo sostenibile. Questo ci dimostra che gli investimenti nel progresso sono investimenti a lungo termine che devono partire già da ora rapportandosi ai possibili scenari futuri.

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It is tragic that there are still two billion people fighting for survival and still as poor as 50 years ago. In the future the low / middle income and emerging economies will follow the economic growth of the other countries, and the poorest two billion will increase in the next decades to four billion. However if they can exit poverty, become educated, and attain a low infant mortality rate, then population growth will halt in 2050. Therefore the only real way to stop demographic growth is to continue improving child survival probability up to 90%. Further to the increase in number, the population will be subject to another change: in 1950 the rate of inhabitants in urban areas was 28%; today it has grown up to 55%, whilst in 2045 it will be 70%. With this rise in about 30 years, there will be a growth in global population settling mostly in urban areas. This means that existing and future urban landscapes will have access to a quality of life extending to all of the population. We should not have people under the threshold of extreme poverty because that will only cause a continuous rise in the population. We should be able to halt growth crossing nine billion by choosing the right policies to reach a sustainable world population. All this demonstrates that investments in progress are long term investments that must start now in order to take us to possible future scenarios.

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D AT I P O P O L A Z I O N E D E L L E Z O N E U R B A N E D A L 1 8 0 0 A L 2 0 0 0

17.7

Parigi

8.6

Londra

23.8

1800

548

960

172

1850

1053

2362

419

1900

2714

4536

1888

1930

-

-

2040

1950

6150

8196

3336

2000

9700

8250

4101

17.5

Istanbul

276.6

Chicago

219.7

1800

570

-

79

1850

-

30

696

1900

942

1698

3437

1930

-

3376

-

1950

983

4906

12463

2000

10018

8300

17361

112.7 Los Angeles

516.6

San Paulo

-

30

137

1850

-

-

178

1900

102

239

400

1930

1238

1326

1005

1950

3500

2198

-

2000

11500

15500

16400

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New York

119.7Città del messico

1800

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Berlino


POPOLAZIONE CITTÀ AFRICANE DAL 1960 AL 2025

4.1

Casablanca

4.5

Algeri

20.4

1960

967

872

347

1980

2109

1621

1164

2000

3009

2051

4700

2025

3911

3977

7090

8.3

Tripoli

4.1 Alessandria d’Egitto

27.9

1960

174

1504

130

1980

662

2519

489

2000

1063

3800

1800

2025

1456

6189

3632

8.8

Accra

81.2 Ouagadougou

36.3

1960

393

59

192

1980

863

65

1384

2000

1605

1138

2151

2025

3497

4795

6971

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Khartoum

Bamako

Abidjan


R I T O R N I A C C E L E R AT I

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SINGOLARITÀ

La tesi si pone come orizzonte il 2045 per i motivi che andrò a spiegare in questo capitolo. Con il termine singolarità si aprono diverse questioni. Viene coniato per la prima volta nel 1993 da Vernor Vinge, il quale sosteneva che la singolarità sarebbe arrivata nel momento in cui i computer avrebbero eguagliato o avrebbero superato l’intelligenza umana. Da quel momento si creano molte ideologie e movimenti come il Transumanesimo e il Singolaritarismo. Entrambe queste correnti emergono dall’utopismo tecnologico, un’ideologia filo-politica nata nel 1800 e diffusa soprattutto da Friedrich Engels nello scritto “L’evoluzione del socialismo dall’utopia alla scienza” , Robert Owen con il saggio “Per una concezione nuova della società” e Charles Fourier nel testo “Il nuovo mondo amoroso”. Tra queste figure quella di maggiore spicco è John Adolphus Etzler, utopista tecnologico e inventore di origine tedesca vissuto in America nei primi anni dell’800. Adifferenza dei suoi contemporanei propone delle forme di utopia sociale ed etica,inoltre crea delle soluzioni tecnologiche quasi avveniristiche per l’epoca, facendo di lui uno dei primi singolaritaristi. Etzler era convinto che ci fosse un modo per imbrigliare la potenza della terra e trasformarla in energia disponibile per tutti. Purtroppo poche invenzioni di Etzler arrivarono a funzionare correttamente, per gran parte delle sue ipotesi avrebbe dovuto aspettare l’inizio del nuovo secolo se non oltre, ciononostante Etzler scrisse che un giorno ci sarebbe stato un benessere alla portata di tutti gli uomini(1)

This thesis puts the year 2045 as its horizon for the reasons that I’m going to explain in this chapter. With the term singularity different questions are raised. It was first used in 1993 by Vernor Vinge, who said that the singularity will have arrived when computers have equalled or surpassed human intelligence. From that moment many ideologies and movements were created such as Transhumanism and Singularitism. Both these movements emerge from technological utopianism, a political ideology born in 1800 and publicised by Friedrich Engels in the writing “The evolution of socialism from Utopia to science”, Robert Owen with the essay “A New View of Society” and Charles Fourier in the text “The New Loving World”. Among these figures the most outstanding is John Adolphus Etzler, utopian technologist and inventor of German origin who lived in America at the beginning of the 19th Century. Unlike his contemporaries, he proposed utopian social and ethical forms. He also created a few technological innovations that were very advanced for that epoch, making him one of one of the first simgularitists 1. Etzler was convinced that there was a way of harnessing the power of the earth and transforming it into energy available to everybody. Unfortunately not many of Etzler’s inventions managed to work correctly, for most of his hypotheses would have to wait until the beginning of the new century, if not longer. Despite all, Etzler believed that one day wealth would be within the reach of all men.(1)

Da quando la tecnologia ha raggiunto il livello del circuito integrato, gli scienziati hanno iniziato ad ipotizzare se ci fosse una progressione costante nel cambiamento della tecnologia. Nel 1965, Gordon Moore, pubblicò il suo studio “Cramming More Components onto Integrated Circuits” nel quale notò che dall’invenzione del circuito

When technology reached the level of integrated circuits, scientists started to hypothesise if there would be a constant progression in technological change. In 1965, Gordon Moore published his study “Cramming More Components onto Integrated Circuits”, in which he pointed out that from the invention of integrated circuits the number of components integrated on a chip had doubled every year.

1-John Adolphus Etzler, The Paradise within the Reach of all Men, without Labor, by Powers of Nature and Machinery: An Address to all intelligent men, in two parts (1833)

1-John Adolphus Etzler, The Paradise within the theReach of all Men, without Labor, by Powers of Nature and Machinery: An Address to all intelligent men, in two parts (1833)

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integrato il numero di componenti circuitali integrate su un chip raddoppiava ogni anno. Con tali dati Moore ipotizzò che questo trend sarebbe durato per i successivi dieci anni, questa previsione si dimostrò valida non solo per i dieci anni successivi ma per i futuri cinquant’anni. Moore modificò alcuni parametri arrivando così alla definizione della Legge di Moore in cui si stabilisce che “ Le prestazioni dei processori, e il numero di transistor ad esso relativo, raddoppiano ogni 18 mesi.”, questa Legge viene comunque utilizzata unicamente all’interno dell’elettronica e dell’informatica. Nel 2005 Raymond Kurzweil pubblica un saggio intitolato “The Singularity is Near” in cui espande la Legge di Moore a tutto il progresso tecnologico. Kurzweil sostiene che durante il corso dell’evoluzione emerge una tendenza esponenziale tra gli “eventi chiave”, ovvero quei progressi nell’evoluzione biologica e tecnologica che hanno comportato un aumento di complessità(2), questi avvenimenti si susseguono secondo la “Legge dei ritorni accelerati”. Se quindi la Legge di Moore segue un andamento esponenziale, la Legge dei ritorni accelerati segue un fenomeno esponenziale doppio ( ), per cui a questo ritmo il progresso tecnologico nel 2045, secondo le stime di Kurzweil, si troverà ad un punto in cui l’evoluzione tecnologica porterà a dei cambiamenti talmente radicali da non riuscire più a prevedere cosa potrà accadere oltre la metà del secolo, questo momento è detto Singolarità Tecnologica. L’orizzonte, dunque, si riferisce a questa data simbolica, in cui per le diverse decadi troveremo tecnologie e tecnologie architettoniche che nella decade precedente non esistevano e che aumentano con un doppio esponente.

With this data, Moore hypothesised that this trend would have lasted for the following ten years. This prediction was correct not only for the following ten years but also the successive 50 years after that. Moore modified some parameters, thus arriving at a definition of Moore’s Law in which he established that “Processor performance, and the number of related transistors, double every 18 months.” However this law is only used in electronics and information technology. In 2005 Raymond Kurzweil published an essay entitled “The Singularity is Near” in which he expands Moore’s Law to all technological progress. Kurzweil said that, in the course of evolution, an exponential tendency emerges between “key events”. In other words, progress in biological evolution and technology has brought a rise in complexity(2), these events following the “Law of Accelerating Returns”. Therefore if Moore’s Law follows an exponential path, the Law of Accelerating Returns follows a double exponential growth rate ( ). At this rate in 2045, according to Kurzweil’s estimates, we will find ourselves at a point where technological evolution will bring such radical change that it will be impossible to predict what will occur beyond the middle of the century: this moment in time is called the Technological Singularity. This horizon, therefore, is referred to as a symbolic date, in which for the a number of decades we will find technologies and architectural technologies that in previous decades didn’t exist and will grow at a double exponential rate.

2 - Theodore Modis, “Forecasting the growth of complexity and change”

2 - Theodore Modis, “Forecasting the growth of complexity and change”

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POSSIBILITÀ

— “L’uomo sensato esamina prima di giudicare. Lo sciocco giudica prima di esaminare” John Adolphus Etzler, 1833

— “The man of sense looks before judging. The fool judges before looking.” Adolphus Etzler, 1833

Partendo dalla Legge dei ritorni accelerati, nei primi centocinquanta mila anni della nostra specie, l’uomo ha vissuto in un mondo tecnologicamente lineare, e solo di recente (circa 200 anni) l’andamento è diventato esponenziale. Un esempio di vita lineare possiamo riscontrarla prima della rivoluzione industriale in cui il legame tra l’aspetto sociale ed economico alla propria terra era più fortrmente radicato, i cambiamenti avvenivano molto lentamente, al punto che, tra una generazione e quella successiva non accadeva nessun mutamento tecnologico ed architettonico significativo. Il mondo in cui invece ci troviamo oggi è fortemente globalizzato, questo significa che possiamo essere a conoscenza in tempo reale di quello che accade in tutto il mondo, ma tutta questa conoscenza spesso non viene utilizzata nel modo più corretto. Ascoltando i TED Talk di Hans Rosling si intuisce che la maggior parte dei dati a nostra disposizione riguardanti l’economia, l’aspettativa di vita e l’educazione mondiale, non è né chiara né largamente disponibile, quindi ci ritroviamo ad assimilare informazioni riguardo gli avvenimenti mondiali attraverso sorgenti di notizie secondo cui il criterio “il sangue fa notizia” vale ancora. Il pessimismo che trapela dagli organi di informazione ci porta ad essere convinti che il futuro non possa che essere peggiore del presente. Hans Rosling nel 2006 ha realizzato un programma per rappresentare tutti i dati riguardanti, tassi di povertà, tassi di fecondità, aspettativa di vita, ecc. che aveva trovato negli archivi ONU. Questo semplice programma si chiama Gapminder e permette di vedere le tendenze più importanti del mondo, degli ultimi 200 anni, avendo a disposizione informazioni basate sui fatti e non influenzate dall’andamento delle notizie. Attraverso questo programma abbiamo la possibilità di osservare la quantità di figli per donna in rapporto all’aspettativa di vita, a quale sia la distribuzione del reddito pro capite nel mondo o il livello di istruzione attuale. Dall’andamento del grafico dell’aspettativa di vita per

Starting from the Law of Acceleraring Returns, in the first hundred and fifty thousand years our species, man lived in a world of technologically linear growth, and only recently (around 200 years) growth has become exponential. We can find an example of linear life before the industrial revolution when the link between society, economics and the land was more deeply rooted. Changes came about very slowly, so much so that between one generation and the next no technological or significant architectural change happened. Instead , the world in which we find ourselves today is strongly globalised. This means we can be aware of what is happening in the whole world in real time. However all this knowledge often isn’t used in the best way. Listening to the TED talk by Hans Rosling one realises that most of the data available to us about the economy, life expectancy and global education, are neither clear nor widely available. Therefore we find ourselves assimilating information about world events through news sources for whom the criterion “blood makes news” is still valid. The pessismism that comes through the organs of information bring us to believe the future can only be worse than the present. Hans Rosling in 2006 started a programme to make all data available regarding poverty rates, fertility rates, life expenctancy etc. that he found in ONU archives. This simple programme is called Gapminder and allows people to see the most important trends in the world over the past 200 years using information based on facts and not influenced by the style of news. Using this programme we can observe the number of children per family relative to life expectancy, the distribution of income per capita in the world or the present level of education. Looking at the graph of life expectancy against income per person, we can see that in 1800 all the countries of the world could be found in the poorest and most unhealthy corner of the graph, with a life expectancy of under 40 years. Rapidly advancing through the years, we can see on

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prodotto pro capite, possiamo notare come nel 1800 tutti i paesi del mondo si trovassero nell’angolo più povero e malato del grafico, con un’aspettativa di vita al di sotto dei 40 anni. Facendo avanzare velocemente gli anni, possiamo notare nel grafico come i cambiamenti si susseguono: la rivoluzione industriale, l’influenza spagnola, la grande depressione, la seconda guerra mondiale, ad ogni avvenimento corrisponde un movimento della popolazione. Poi nel 1948 cominciano gli anni di abbondanza, ma ancora la maggior parte delle popolazioni risiede nella zona più povera. Nel corso di circa 70 anni i paesi che si trovavano tra la povertà e la fascia media si sono spostati fino ad arrivare tra la fascia media e la ricchezza. Ci sono ancora paesi che vivono in condizioni di povertà, ma malgrado il divario, oggi la situazione è migliore rispetto al passato, il divario storico storico tra ovest ed est si sta rimpicciolendo e tutti possono riuscire ad arrivare all’angolo di salute e ricchezza. Quindi se abbiamo un quadro della situazione attuale basato sui fatti e non sui preconcetti, possiamo essere in grado di comprendere cosa succederà in futuro e quali azioni intraprendere oggi in modo da essere pronti per il domani.

the graph how changes occur: Spanish ‘flu, the Great Depression, the Second World War, for every event there is a corresponding population change. In 1948, there starts to be an increase in wealth, but most of the population is still in the poorest zone on the graph. In the next 70 years countries which were between poverty and the middle band have moved to be between the middle band and the rich one. There are still countries living in conditions of poverty but despite the gap, today, the situation is better compared to the past. The historical gap between the west and east is diminishing and everybody can get to the corner of health and wealth. Thus if we picture the actual situation based on facts and not on preconceptions, we can understand what will happen in the future and what actions to take today in order to be ready for tomorrow.

The Wanderer above the Mists 1817-18 Caspar David Friedrich

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The Wanderer above the Mists 1817-18 Caspar David Friedrich

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03. LINEE TEMPORALI

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M AT E R I A L I

— “Feci di più: donai loro anche il fuoco e molte arti da quello apprenderanno.” Eschilo, Prometeo incatenato 460 A.C.

— “I did more: I gave them also fire from which many arts they will learn.” Eschilo, Prometeo incatenato 460 B.C.

Al fine di ottenere una visione d’insieme sulle possibili prospettive tecnologiche future, sono stati presi in analisi alcuni indirizzi di ricerca che hanno sempre goduto dei benefici del progresso tecnologico. Per ottenere una suddivisione temporale sono suddivisi in intervalli decennali.

In order to obtain an overview of possible future technological perspectives, a number of areas of research have been analysed that have always enjoyed the benefits of technological progress. They have been subdivided into ten year intervals.

I “materiali” sono la base da cui tutte le altre discipline attingono per ottenere dei miglioramenti nel proprio campo di lavorazione. 2015: Grafene 2025: Nano macchine 2035: Nanofili 2045: Assemblatori molecolari 2015: Grafene Il grafene è un materiale molto semplice, composto da un singolo strato di atomi di carbonio disposti a nido d’ape, la sua resistenza meccanica è tecnicamente superiore di cinquanta volte quella dell’acciaio. Attualmente non sono ancora stati realizzati strumenti in grado di sfruttare questa proprietà. La sua altissima conducibilità termica, però, permette agli elettroni di muoversi più velocemente rispetto al silicio e questo ha permesso all’UCLA (University of California, Los Angeles) nel 2010, di realizzare un transistor in grafene con una frequenza di 300GHz. Il problema riscontrato era che in questi transistor le correnti di dispersione attraversano il grafene anche quando il

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“Materials” are the base from which all other disciplines draw improvements in their own field of work. 2015: Graphene 2025: Nanomachines 2035: Nanothreads 2045: Molecular Assemblers

2015: Graphene Graphene is a very simple material, composed of a single layer of carbon atoms in a honeycomb shape. Its mechanical strength is fifty times higher than steel. Currently there are still no tools available to exploit this property. Its very high thermal conductivity allows electrons to move faster than in silicon and this has enabled UCLA (University of California, Los Angeles) in 2010 to create a transistor in graphene a frequency of 300GHz. The problem encountered was that, in these transistors, leakage currents cross the graphene even while the transistor is off. At the present time, experimentation is in progress into ways to inhibit the passage of electrons while the

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transistor è spento. Attualmente sono in corso di sperimentazione dei sistemi che impediscano il passaggio di elettroni quando il transistor è spento. I ricercatori della Stanford University hanno trovato una possibile soluzione sintetizzando il grafene direttamente su un wafer di silicio, utilizzando il DNA.

transistor is off. Researchers at Stanford University have found a possible solution by synthesising graphene directly on a silicon wafer using D.N.A..

2025: Nanomacchine Per operare a livello nanometrico attualmente utilizziamo due tipi di approcci. Il “Bottom Up” sta ad indicare l’approccio nel quale, partendo dagli atomi, si cerca di controllarne/indirizzarne l’assemblaggio utilizzandoli come “building blocks” per realizzare nanostrutture. Il “Top Down”, invece, indica ridurre con metodi fisici le dimensioni di una macro struttura verso i livelli nanometrici.

2025: Nanomachines To operate at a nanometric level there are currently two approaches. “Bottom Up” indicates the approach in which, starting with atoms, one attempts to control/steer assembly using them as “building blocks” to create nanostructures. On the other hand, “Top Down” indicates reduction in dimensions of a macrostructure towards nanometric dimensions by physical methods.

Le nano macchine opereranno secondo lo stesso procedimento del “bottom up”, potranno modificare a livello molecolare qualsiasi oggetto. Le nanomacchine saranno l’inizio dell’utilizzo di strumenti che ci permetteranno di modificare in mondo fisico, saranno delle macchine più piccole di un globulo rosso che opereranno in ambiti multidisciplinari. Un gruppo di ricercatori della The University of Arizona ha realizzato nel 2014 la prima nano-macchina biologica utilizzando pezzi di DNA.

Nanomachines that operate using the “bottom up” process will be able to modify any object at the molecular level. Nanomachines will be the beginning of the use of tools that will allow us to change the physical world. There will be machines smaller than a red blood cell that will work in multidisciplinary fields. A group of researchers at the University of Arizona has created in 2014 the first biological nanomachine using pieces of D.N.A..

2035: Nanofili

2035: Nanothreads

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I nanofili potranno essere l’evoluzione successiva dei semiconduttori, avranno una struttura quasi unidimensionale, con un diametro dei poche decine di nanometri. A queste dimensioni il nanofilo può essere considerato simile al filo quantistico, nel quale gli effetti quantistici condizionano le proprietà di conduzione.

Nanothreads could be the next evolution of semiconductors. Their structure will be one-dimensional, with a diameter of a few tens of nanometres. At these dimensions the nanothread can be considered to be similar to a quantum thread, so that quantum effects influence conduction properties.

2045: Assemblatori molecolari Partendo dalla nanotecnologia, sarà possibile ottenere degli assemblatori molecolari come descritto da Eric Drexler nel suo libro “Engines of Creation” del 1986. Un assemblatore molecolare, come definito da Drexler, è un “dispositivo proposto in grado di guidare le reazioni chimiche tramite il posizionamento di molecole reattive con precisione atomica”. L’assemblatore molecolare potrebbe essere in grado di realizzare qualunque cosa, è stato definito “universale” anche se, come riferito dallo stesso Drexler, potrà realizzare solo strutture atomicamente stabili. Attraverso una maggiore conoscenza della biologia potremmo realizzare gli elementi proprio nello stesso modo in cui lavora la vita stessa. Gli assemblatori molecolari permetterebbero una abbondanza radicale.

2045: Molecular Assemblers Using the latest nanotechnology, it will be possible to create molecular assemblers as described by K. Eric Drexler in his book “Engines of Creation” in 1986. A molecular assembler, according to Drexler, is a “proposed device able to drive chemical reactions by positioning the reacting molecules with atomic precision”. The molecular assembler could create anything. It has been considered as “universal”, even though, as Drexler himself said, it will only be able to create structures that are atomically stable. With a better understanding of biology we could create the right elements in the same way that life itself works. Molecular assemblers would allow a radical abundance.

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A L I M E N TA Z I O N E

FOOD

L’aumento della popolazione e l’aumento dello stato di benessere di tutta la popolazione comporterà degli interventi necessari nel campo dell’alimentazione.

Population growth and the rise in the wealth of the whole population will result in action being needed in the field of nutrition.

2015 Coltivazione fotosintetica 2025 Carne in vitro 2035 Printed food 2045 Molecular manufacturing food 2015: Coltivazione fotosintetica La fotosintesi è un processo relativamente inefficiente, le piante tipicamente convertono solo dal 2% al 4% dell’energia disponibile nella radiazione, questa bassa efficienza ha fornito uno stimolo per cercare di manipolare geneticamente le piante al fine di raggiungere una maggiore efficienza della fotosintesi. Per le piante coltivate in condizioni di crescita ottimale ed elevata CO2, i tassi fotosintetici possono essere più del 50% superiore a quelli delle piante coltivate a normali concentrazioni di CO2, questo permetterebbe maggiore produzione con minore utilizzo di suolo. I ricercatori della University of Illinois stanno conducendo una ricerca dal titolo “RIPE – Realizing Increased Photosynthetic Efficiency” con lo scopo di aumentare la produttività delle colture alimentari di base in tutto il mondo.

2015 Photosynthetic cultivation 2025 In vitro meat 2035 Printed food 2045 Molecular food manufacturing

2025: Carne in vitro La carne in vitro, o carne sintetica, viene prodotta senza la macellazione di animali. Vengono prelevate delle cellule staminali, sia embrionali che adulte, e fatte crescere in dei bioreattori, in questo modo si ottiene la crescita ed il nutrimento sostituendo la circolazione del sangue degli esseri viventi. Successivamente, le cellule staminali vengono convertite in cellule muscolari, le quali vengono stimolate per ottenere una muscolatura simile a quella sviluppata dall’animale. In questo modo partendo da 10 cellule staminali in due mesi si raggiungerebbero 10 tonnellate di carne. Attualmente la produzione della carne sintetica è già in corso ma per la distribuzione a livello mondiale bisognerà attendere circa dieci anni.

2025: In vitro meat In vitro meat, or synthetic meat, is produced without the slaughter of animals. Both embryonic and adult stem cells are taken and grown in bioreactors. In this way growth and nourishment occurs, substituting the blood circulation of living things. Subsequently, the stem cells are converted into muscle cells that are stimulated to get a musculature similar to that developed by an animal. In this way, starting with 10 stem cells, 10 tons of meat would be produced in two months. Currently the production of synthetic flesh is already underway, but we must wait about ten years for its worldwide distribution.

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2015 Photosynthetic cultivation Photosynthesis is a relatively inefficient process: plants typically convert only between 2 and 4% of the available radiant energy. This low efficiency has inspired research into genetic manipulation of plants to reach a greater effectiveness in photosynthesis. For plants grown in optimum conditions and elevated CO2, photosynthetic rates can be 50% higher than in plants grown in normal levels of CO2. This would allow greater production using less land. Researchers at the University of Illinois are conducting research entitled “RIPE – Realizing Increased Photosynthetic Efficiency” with the aim of increasing productivity of the entire world’s staple food crops.

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2035: Printed food Attualmente il cibo stampato consiste nella deposizione dello stesso ingrediente, unicamente in forme diverse rispetto all’originale. Il printed food consisterà nell’utilizzare i nutrienti base disidratati, come proteine, carboidrati e vitamine, e combinarli assieme attraverso una stampante 3D. Il processo di stampa stratificherà i diversi ingredienti cucinandoli al momento della deposizione, le “cartucce” della stampante potranno durare anni grazie all’assenza di acqua nei nutrimenti.

2035: Printed food At the moment, printed food is made by deposition of the same ingredient, only in different shapes compared to the original. Printed food will consist of dehydrated base nutrients, such as proteins, carbohydrates and vitamins, combined together using a 3D printer. The printing process will layer the various ingredients, cooking them at the moment of deposition. The printer “cartridges” will last for years thanks to the absence of water in the nutrients.

2045: Molecular manufacturing food Come descritto precedentemente gli assemblatori molecolari potranno essere in grado di spostare i singoli atomi al fino di ottenere un oggetto completo. In questo caso un assemblatore potrebbe realizzare un pasto completo utilizzando gli atomi che ha a disposizione.

2045: Molecular food manufacturing As has been described previously, molecular assemblers will be able to move single atoms to obtain a complete object. In this case an assembler could create a complete meal using the atoms available to it.

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ROBOTICA

ROBOTICS

La robotica è il campo che ha ottenuto maggiore sviluppo negli ultimi 20 anni 2015: Interpretazione del linguaggio umano 2025: Veicoli a guida automatica 2035: Utility fog 2045: I.A. Con capacità computazionali pari all’uomo

Robotics is the field that has developed the most over the last 20 years. 2015: Interpretation of human language 2025: Self driving vehicles 2035: Utility fog 2045: A.I. with computational power equal to man

2015: Interpretazione del linguaggio umano Nel 2011 il sistema di intelligenza artificiale Watson ha partecipato ad un quiz televisivo battendo i suoi concorrenti umani, le difficoltà che ha riscontrato erano su alcune domande troppo corte, questo perchè la sua capacità di comprensione del linguaggio umano non era del tutto ottimizzata. Per permettere ad una intelligenza artificiale di comprendere l’elaborazione del linguaggio naturale bisogna o inserirle una quantità di informazioni munite di regole che le permettano di stabilire un rapporto tra domanda e risposta, oppure mettere in condizione l’ I.A. di imparare. Attualmente iCub, realizzato dall’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova, possiede un programma “Italk” che permette un apprendimento progressivo della lingua in modo casuale da parte del robot.

2015: Interpretation of human language In 2011 the artificial intelligence system Watson took part in a television quiz programme, beating the human contestants. The only problem was that some questions were too short for him, as his capacity to understand human language was not completely optimized. In order to enable an artificial intelligence to understand how to process natural language, one needs to enter sufficient information in the form of rules that enable it to establish a relationship between questions and answers, or put the A.I. in a learning state. Right now iCub, created by the Italian Institute of Technology of Genoa, has a programme “Italk” that allows random progressive learning of language by a robot.

2025: Veicoli a guida automatica Nel 2004 la Darpa ha promosso il DARPA Grand Challenge, un concorso a premi creato per stimolare lo sviluppo delle tecnologie necessarie per realizzare i primi veicoli completamente autonomi. Nel 2004 nessuno dei prototipi è riuscito a terminare il percorso, mentre nel 2005 il veicolo realizzato dalla Stantord University, composta da quindici ingegneri di Google, si aggiudicò il primo posto. Dopo sette anni, nello stato del Nevada, Florida e California, è entrata in vigore la legge che permette la circolazione di veicoli a guida automatica. Questa tecnologia sta avanzando rapidamente e permetterà di sostituire completamente il guidatore umano.

2025: Self driving vehicles In 2004, DARPA promoted the DARPA Grand Challenge, a competition designed to stimulate the development of the technologies necessary to create the first fully autonomous vehicles. In 2004, none of the prototypes were able to finish the course, while in 2005 the vehicle built by Stanford University, consisting of fifteen engineers from Google, won first place. After seven years, in the states of Nevada, Florida and California, laws came into force that permit the circulation of self-driven cars. This technology is progressing rapidly and will allow complete replacement of the human driver.

2035: Utility fog L’utility fog è un materiale intelligente polimorfo. Consiste in una moltitudine di nanorobot, disposti in

2035: Utility fog The utility fog is a smart polymorphic material. It consists of a multitude of nanobots, arranged in

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un agglomerato informe, in grado di interagire tra di loro per modificare la loro posizione all’interno della nube, dando così all’agglomerato una forma differente ogni volta che l’utente lo richieda.

shapeless agglomerate, able to interact between each other to change their position within the cloud, thus giving the agglomerate a different shape each time the user requests it.

2045: Intelligenza artificiale con capacità computazionali pari all’uomo Hans Moravec, inventore, teorico e professore di robotica alla Carnegie Mellon University, ha teorizzato che, al contrario di un uomo, per un computer, la risoluzione di alti livelli di ragionamento richiede una bassa capacità computazionale, mentre per la risoluzione di bassi livelli senso-motori è richiesta una altissima capacità computazionale. Questa singolarità viene chiamata “paradosso di Moravec”. Una soluzione ai problemi ingegneristici, potrebbero essere le reti neurali artificiali, queste permetterebbero di avere un sistema che simula reazioni complesse; attraverso uno strato di unità di elaborazione d’ingresso, l’informazione viene elaborata e trasmessa all’unità successiva fino all’uscita.

2045: A.I. with computational power equal to man

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Hans Moravec, inventor, theorist and professor of robotics at Carnegie Mellon University, has theorised that, as opposed to a man, a computer requires a low computational capacity to perform high level reasoning, whereas performing low level sensory-motor functions require the highest computational capacity. This singularity has become called the “Moravec Paradox”. An engineering solution to the problem could be artificial neural networks. These could make it possible to have a system that simulates complex reactions through a layer of input processing units, the information being processed and transmitted to the next unit until the output.

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BIOINGEGNERIA

BIOENGINEERING

La bioingegneria è una disciplina nata alla fine della seconda guerra mondiale che, grazie ai progressi conseguiti nel campo della tecnologia militare, ha unito la medicina ed l’ingegneria.

Bioengineering is a discipline born at the end of the Second World War that, thanks to the progress made in the field of military technology, has combined medicine and engineering.

2015: Protesi stampate 2025: Trattamenti con cellule staminali 2035: Nano medicina 2045: Advanced humans

2015: Printed prosthesis 2025: Stem cells treatment 2035: Nanomedicine 2045: Advanced humans

2015: Protesi stampate Glenn Green e Scott Hollister, due medici dell’università del Michigan, hanno stampato un supporto tracheale per aiutare una neonata a respirare. Il supporto è realizzato in poliestere biodegradabile, può adattarsi alla crescita della neonata, e in tre anni si dissolverà completamente. Attualmente l’organizzazione non governativa Robohand, formata da una rete di ingegneri, designer, inventori e medici, sta realizzando protesi meccaniche low cost utilizzando stampanti economiche.

2015: Printed prosthesis Glenn Green and Scott Hollister, two doctors from the University of Michigan, printed a tracheal support to help a newborn baby breathe. The support was made with biodegradable polyester, and can adapt to the body of a growing baby and dissolve completely in three years time. At present the non-government organisation Robohand, formed by a network of engineers, designers, inventors and doctors is devising low cost mechanical prostheses using cheap 3D printers.

2025: Trattamenti con cellule staminali Il Professor Shinya Yamanaka, nel 2009, ha sviluppato una cellula staminale pluripotente indotta. Partendo dalle cellule somatiche del paziente è possibile ottenere cellule staminali potenzialmente non immunogeniche senza alcuna alterazione genetica. Attualmente sono in fase di sperimentazione per eliminare completamente i geni oncologici, in modo da poter arrivare a curare patologie croniche autoimmuni e anche patologie neurodegenerative. Anthony Atala, professore e direttore del Wake Forest Institute Medicina Rigenerativa, nel 2011 ha utilizzato delle cellule staminali per stampare un rene in miniatura, dopo circa un anno le sezioni del tessuto dell’organo hanno cominciato a secernere una sostanza simile all’urina.

2025: Stem cells treatment In 2009 Professor Shinya Yamanaka developed an induced pluripotent stem cell. Starting from a patient’s somatic cells, it is possible to obtain potentially immunogenic stem cells without any genetic modification. At the moment, experimentation is in progress to eliminate cancer genes completely, such that a cure could be found for chronic autoimmune and degenerative pathologies. Anthony Atala, a professor and director of the Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, in 2011 has used stem cells to print a kidney miniature, after about a year the sections of the organ tissue began to secrete a substance similar to urine.

2035: Nano medicina Attualmente la chemioterapia agisce in quasi tutto il

2035: Nanomedicine Today Chemotherapy affects the whole body. Us-

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corpo, attraverso la nano medicina sarà possibile ottenere all’interno del proprio corpo delle nano macchine capaci di individuare le cellule cancerogene ed iniettare il farmaco senza danneggiare una sola molecola sana.

ing nanomedicine it will be possible to get inside the body, with nanomachines’ capable of picking out cancerous cells and injecting them with medication without damaging a single healthy one.

2045: Advanced humans Le nano macchine all’interno del corpo potranno espandere la mentre umana, citando le parole di Ray Kurzweil “I nostri cervelli oggi hanno una struttura relativamente costante. [...] Quando la parte non biologica del nostro pensiero comincerà a dominare, potremmo andare al di là dell’architettura dei base delle regioni neurali del cervello. Impianti cerebrali basati su nanobot intelligenti massicciamente distribuiti amplieranno enormemente la nostra memoria e miglioreranno grandemente tutte le capacità sensoriali, di riconoscimento di forme cognitive.”

2045: Advanced humans Namomachines inside the body will be able to expand the human mind. Quoting the words of Ray Kurzweil, “Our brains today have a relatively constant structure. [...] When the non biological part of our thinking starts to dominate, we will be able to surpass the basic architecture of the neural regions of the brain. Cerebral implants based on massively distributed intelligent nanobots will greatly extend our memory and greatly improve all sensory capabilities and cognitive pattern recognition.”

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ARCHITETTURA

ARCHITECTURE

Infine l’Architettura viene soltanto in parte influenzata dalle nuove tecnologie, soprattutto a causa della lenta assimilazione ed riproduzione.

Architecture is only partly influenced by new technologies, above all because of its slow assimilation and reproduction.

2015: Stampanti 3D architettoniche Robotizzazione Chimica e Biologia 2025: Agricoltura verticale 2035: Arcologia Realtà virtuale 2045: Assemblatori e disassemblatori molecolari architettonici

2015: 3D architectural printers Robotisation Chemistry and Biology 2025: Vertical agriculture 2035: Arcology Virtual reality 2045: Molecular architectural assemblers and disassemblers

2015: Stampanti 3D architettoniche Attualmente sono in fase di sperimentazione alcune stampanti 3D a scala architettonica, tra cui: il D-Shape, ideato dall’Ing. Enrico Dini, consiste in una stampante 3D che permette la realizzazione di strutture di qualsiasi forma grazie ad un procedimento simile a quello utilizzato dalle stampanti SLS (selective laser sintering). Questa tecnica utilizza sabbia mescolata al sale e, come legante, un bicomponente inorganico ecocompatibile che, facendo reazione con il sale, trasforma la sabbia in roccia. WASP è una stampante 3D a tre assi, questo le permette di essere molto più stabile, che utilizza il procedimento di stampa FDM (fused deposition modeling). Questa stampante al momento utilizza argilla o una mescola di terra che può essere ricavata nel luogo dove si vuole stampare.

2015: 3D architectural printers At present there are a few 3D printers of architectural scale in the experimental stage, including: D-Shape, conceived by the engineer Enrico Dini, is a 3D printer that produces structures of any shape thanks to a process similar to the one used by SLS (selective laser sintering) printers. This technique uses sand mixed with salt and an environmentally friendly bicomponent inorganic binding agent that reacts with the salt and transforms the sand into rock. WASP is a 3D printer with three axes, allowing it to be much more stable, and uses the FDM (fused deposition modelling) printing. This printer at the moment uses clay or a mixture of earth that can be dug up wherever you want to start printing.

2015: Robotizzazione La robotizzazione nei cantieri permetterebbe un minor uso di risorsa umana a favore delle macchine, limitando così il frequente numero di incidenti sul lavoro. Il progetto Flight Assembled Architecture, sviluppato dagli architetti Gramazio & Kohler, utilizza dei quadcopters che, lavorando in modo semiautonomo, potrebbero realizzare grattacieli alti fino a 600 metri. la tecnica del Contour Crafting, ideata da Behrokh Khoshnevis, consiste in una versione robotizzata del cantiere in cui le murature vengono realizzate in cal-

2015: Robotisation Use of robots on building sites would allow less use of human resources in favour of machines, thus limiting the number of frequent workplace accidents. The project Flight Assembled Architecture, developed by the architects Gramazio & Kohler, uses quadcopters working in semiautonomous mode that could build skyscrapers as high as 600 metres. The technique of Contour Crafting, devised by Behrokh Khoshnevis, is a robotic version of the building site where walls are built in concrete with a 3D printer and roofs assembled using a mechanical arm.

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cestruzzo con una stampante 3D e le coperture assemblate con un braccio meccanico.

2015: Chimica e Biologia Anche la biologia potrebbe entrare a far parte dell’edilizia sostituendosi a molti materiali. Magnus Larsson ha scoperto che il batterio Bacillus Pasteurii può trasformare la sabbia in arenaria in 24 ore. Le strutture che si creano, simili a dei Tafoni, oltre a bloccare l’avanzamento del deserto ospiterebbero delle oasi controllate e un supporto per le abitazioni.

2015: Chemistry and Biology Even biology could become part of the building industry replacing many materials. Magnus Larsson has discovered that the bacterium Bacillus Pasteurii can transform sand into sandstone in 24 hours. The structures that are created, similar to “tafoni”, could halt the advance of deserts and would host managed oases and support for housing.

2025: Agricoltura verticale Spesso viene riferito che, a causa dell’aumento di popolazione, sarà necessario aumentare la nostra produzione di cibo. In realtà stando all’Institute for Food and Development Policy/Food First, attualmente produciamo già il doppio della quantità necessaria di cibo per sfamare tutta la popolazione. Le cause della malnutrizione sono dovute soprattutto alla distribuzione, le fonti di produzione sono mal distribuite e ci sono paesi in cui le condizioni ambientali non permettono una coltivazione efficiente. Attraverso una agricoltura verticale sarebbe possibile decentrare la produzione di cibo all’interno di ogni città, mantenendo una produzione uniforme dei raccolti durante l’anno, senza rischio di alluvioni o siccità. Anche l’utilizzo dell’acqua verrebbe fortemente diminuito, attualmente il 70% dell’acqua potabile

2025 Vertical agriculture It is often reported that, because of population growth, it will be necessary to increase our food production. In reality, according to the Institute for Food and Development Policy/Food First, we currently already produce double the required amount of food to feed the entire population. The causes of malnutrition are mostly related to distribution: production sources are poorly distributed and there are countries where environmental conditions do not allow efficient cultivation. Through vertical farming, decentralisation of food production to be within every city would be possible, keeping uniform production of crops throughout the year with no risk of flooding or drought. Also water use would be strongly reduced. Right now 70% of potable water is used for irrigation of fields according

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viene utilizzato per l’irrigazione dei campi, secondo i dati forniti da Dickson Despommier1, l’idroponica è il 70% più efficiente dell’agricoltura tradizionale, mentre l’aeroponica è il 70% più efficiente dell’idroponica, il consumo di acqua si ridurrebbe quindi dal 70% al 6%. I maggiori esempi progettuali attuali sono La Tour Vivante del gruppo SoA ed i progetti di Urban industrial vertical farming della compagnia svedese Plantagon. Tramite la conversione delle acque grigie e la resa energetica delle biomasse, aumentata dalla coltivazione fotosintetica, queste fattorie verticali saranno autosostenibili. Inoltre permetteranno una riduzione del consumo di suolo, una migliore conservazione dei viveri e una distribuzione quasi a chilometro zero.

to data supplied by Dickson Despommier1 . Hydroponics is 70% more efficient than traditional farming methods, while the aeroponics is 70% more efficient hydroponics. The consumption of water would therefore be reduced from 70% to 6%. The key projects in this area are La Tour Vivante by the SoA group and Urban industrial vertical farming of the Swedish company Plantagon. Therefore, with the conversion of grey water and the energy yield of biomass from increased photosynthetic cultivation, these vertical farms will be self sustaining. They will also allow a reduction in land use, better food preservation and almost zero mileage for distribution.

2035: Arcologia Il termine arcologia, un’ibridazione tra architettura ed ecologia, viene coniato per la prima volta da Paolo Soleri negli anni ‘60. Soleri fu uno studente di Frank Lloyd Wright dal quale assimilò i concetti di coincidenza tra architettura ed urbanistica e di architettura organica, ma con una sostanziale differenza dal suo pensiero urbanistico. Soleri era convinto che la città dovesse essere un elemento organico fondato sugli stessi principi degli organismi biologici, senza ridurre gli spazi utili ma eliminando gli spazi inutili. Il concetto è quello di città ottimizzata, che si riscalda e si raffredda naturalmente, che non ha bisogno di trasporto privato perchè i percorsi sono brevi ed automatici, dove la produzione agricola, manifatturiera e cognitiva si sviluppano in zone pianificate e compatte e dove gli spazi per vivere ed incontrarsi sono studiati per esaltare nell’essenzialità i bisogni dell’individuo. Queste città permetterebbero un risparmio sia energetico sia di consumo del suolo, grazie anche alle in-

2035: Arcology The term arcology, a hybrid between architecture and ecology, was coined for the first time by Paolo Soleri in the 60s. Soleri was a student of Frank Lloyd Wright, from whom he assimilated the ideas of connections between architecture, city planning and organic architecture, but substantially differed in his thinking about city planning. Soleri was convinced that the city should be an organic element based on the same principles as a biological organism, getting rid of unnecessary spaces but without reducing the useful spaces. The concept is of an optimised city that heats and cools itself naturally; it doesn’t need private transportation because routes are short and automated; agricultural production, manufacturing and learning are developed in planned and compact zones; where living and meeting spaces are designed to enhance essential human needs. These cities would allow savings in energy and land

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venzioni come le fattorie verticali, portando a quello che lo stesso Soleri chiama un “trionfo della natura umana”. Acrosanti, la città realizzata da Soleri a partire dagli anni ‘70, è stata il luogo principale della sua attività, un laboratorio urbano ancora oggi in costruzione. Gli unici progetti attuali di arcologia sono, la Piramide di Tokyo, una struttura che ospiterà 750.000 persone con una altezza di 2 chilometri e la Linear living “Arcologia per arterie” progettata da Soleri, una proposta alternativa alla proliferazione incontrollata delle città cinesi.

consumption thanks also to inventions like vertical farming, leading to what Soleri himself called a “triumph of the human nature.” Acrosanti, the city built by Soleri starting in the 70s, has been his main place of activity, and is an urban laboratory still under construction. The only real arcology projects are the Tokyo Pyramid, a structure with a height of 2 kilometres that will host 750,000 people, and Linear living “Arcology for arteries” designed by Soleri, a proposed alternative to the uncontrolled proliferation of Chinese cities.

2035: Realtà virtuale L’evoluzione della computer grafica permetterà di realizzare ambienti quasi del tutto indistinguibili dalla realtà, l’architettura di questi luoghi potrebbe essere completamente avulsa dall’aspetto statico permettendo di realizzare opere impossibili da costruire nella realtà. Michio Kaku, nel suo libro “Fisica del futuro” scrive: “Gli artisti e gli architetti potrebbero invece manipolare e rimodellare le loro creazioni virtuali. Le possibili applicazioni della realtà aumentata sono infinite.|...| Immaginiamo di essere un architetto: potremo muoverci in una stanza vuota e improvvisamente “vedere” un’immagine tridimensionale dell’intero edificio che stiamo progettando. Le forme del progetto prenderanno letteralmente vita mentre attraversiamo ogni ambiente. Le stanze si animeranno all’istante, con tanto di mobilio, tappeti e decorazioni, permettendoci di visualizzare in 3D la nostra creazione prima

2035: Virtual reality Evolution of computer graphics will allow the creation of environments almost indistinguishable from reality. The architecture of these places could be completely divorced from the static point of view allowing the creation of constructions impossible to build in real life. Michio Kaku in his book “Physics of the Future” writes: “Artists and architects could instead manipulate and remodel their virtual creations. The possible applications of virtual reality are infinite. [...] Let us imagine being an architect: we could move into an empty room and suddenly “see” a three-dimensional image of the entire building that we are planning. The shapes of the plan will literally come to life as we walk into each space. The rooms will instantly take life, complete with furniture, carpets and ornaments, and we’ll be able to visualise in 3D our creation before it’s really built. With a simple hand gesture, we’ll be able

ancora che sia realmente costruita. Con un semplice gesto delle mani potremo creare nuovi ambienti, spostando pareti e cambiando arredamento.”

to create new spaces, moving walls and changing furniture.”

2045: Assemblatori e disassemblatori molecolari architettonici Con l’invenzione degli assemblatori molecolari sarà possibile realizzare qualunque cosa che abbia una struttura atomica stabile, avendo solo a disposizione la quantità di atomi giusti. Presumendo che entro il 2045 le discariche delle più grandi città attualmente in via di sviluppo non sia-

2045: Molecular architectural assemblers and disassemblers With the invention of molecular assemblers, it will be possible to create anything that has a stable atomic structure, providing only the right quantity of atoms. Assuming that, by 2045, landfills of the largest cities currently being built haven’t yet been cleared out, this disassembler / assembler would allow the creation of

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no ancora state smaltite, questo disassemblatore/ assemblatore permetterebbe di realizzare delle intere Architetture utilizzando esclusivamente gli atomi provenienti dal materiale presente nelle discariche, eliminando così l’emergenza rifiuti. Da alcuni anni esistono degli impianti di dissociazione molecolare in cui lo smaltimento dei rifiuti avviene attraverso la rottura dei legami chimici del carbonio, all’interno delle molecole di origine organica complesse, con la conseguente costituzione di molecole più semplici che, riassemblate, realizzano un gas sintetico detto SynGas.

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entire architectures utilising only atoms from landfill materials, thus eliminating the waste crisis. For a number of years molecular dissociation plant have existed, where the disposal of waste occurs by breaking carbon chemical bonds in complex organic molecules to form simpler molecules that, once reassembled, create a synthetic gas called SynGas.

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04. LA STAMPA 3D

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LA STORIA DELLA S TA M PA 3 D

HISTORY OF 3D PRINTING

— “La stampa tridimensionale rende economico creare singoli oggetti tanto quanto crearne migliaia e quindi mina le economie di scala. Essa potrebbe avere sul mondo un impatto così profondo come lo ebbe l’avvento della fabbrica. Proprio come nessuno avrebbe potuto predire l’impatto del motore a vapore nel 1750 — o della macchina da stampa nel 1450, o del transistor nel 1950 — è impossibile prevedere l’impatto a lungo termine della stampa 3D. Ma la tecnologia sta arrivando, ed è probabile che sovverta ogni campo che tocchi.”

—“Three-dimensional printing makes it as cheap to create single objects as create thousands and thus undermines economies of scale. It could have a profound impact on the world as great as the advent of the factory. Just as no one could have predicted the impact of the steam engine in 1750 - or the printing press in 1450, or the transistor in 1950 - it is impossible to predict the long-term impact of 3D printing. But the technology is coming, and it is likely to subvert every field it touches.”

The Economist, in un editoriale del 10 febbraio 2011

The Economist, in an editorial of 10th February 2011

Anche se la prototipazione rapida sembra una nuova tecnologia di recente sviluppo, in realtà è già presente da circa trent’anni, in costante crescita e verso la popolarità. A partire dalla metà anni ’80 iniziano a circolare i primi macchinari per la stampa 3D, al tempo l’unica tecnica disponibile era la stereolitografia, un processo lento e costoso, un macchinario poteva arrivare a costare fino a 500 mila dollari. Nel 1986 Charles Hull, ingegnere ed inventore statunitense, ottenne il primo brevetto sulla stampa 3D e lo stesso anno vennero brevettate ed immesse sul mercato le stampanti laser. Durante l’anno successivo fondò la 3D Systems lanciando sul mercato il primo dispositivo di prototipazione rapida, SLA-1 un sistema che utilizza un processo di stereolitografa ed impiega un laser per solidificare sottili strati di polimero liquido. Ma la 3d Systems non ha dominato il mercato troppo a lungo, aziende come la Ballistic Particle Manufacturing, CMET, Quadrax, Cubital, Helisys, Stratasys, EOS e DTM si sono introdotte negli anni successivi. Durante gli anni ‘90 sono state brevettate una serie di modifiche a questa tecnologia, la Stratasys commercializza il sistema l’FDM (fused deposition modeling) processo che prevede la realizzazione di un oggetto

Even though rapid prototyping seems a new technology that was recently developed, in reality it has altready been around for around 30 years, constantly growing in popularity. Starting in the mid 80s, the first 3D printers started circulating. At the time the only technique available was stereolithography, a slow and expensive process, and a machine could cost up to 500 thousand dollars. In 1986 Charles Hull, American engineer and inventor, obtained the first patent for 3D printing and inthe same year laser printers were patented and put on the market During the following year he founded 3D Systems, launching the first rapid prototyping device, SLA-1, a system that used a stereolithografic process and employed a laser to solidify thin layers of liquid polymer. But 3D Systems did not dominate the market for too long. Companies such as Ballistic Particle Manufacturing, CMET, Quadrax, Cubital, Helisys, Stratasys, EOS and DTM entered in the following years. During the 90s, a series of modificantions to this technology were patented. Stratasys commercialised the system FDM (fused deposition modeling), a process that involves the production of an object, layer by layer, using a deposited filament. DMT created the system SLS (Selective laser sintering), employing

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strato dopo strato tramite un filamento che viene depositato, la DMT realizza il sistema SLS (Selective laser sintering) impiegando un laser che solidifica in maniera selettiva una polvere termoplastica L’invenzione della prototipazione rapida ha creato un cambiamento di paradigma verso lo sviluppo di una nuova gamma di possibilità e tecnologie guidato da disegno digitale. Questa esplosione tecnologica ha dato vita ad un ampio numero di sottocategorie. Nel 2005 scade il brevetto per la stampa a filo fuso(FDM) e Adrian Bowyer lancia il progetto RepRap, con l’obiettivo di creare una macchina in grado di stampare i pezzi per ricreare se stessa. Da questo momento lo sviluppo di altre stampanti diventa esponenziale. Nel 2007 Bre Pettis, Zack Smith e Adam Mayer si trovano a collaborare assieme con l’obiettivo di proporre un kit base di RepRap ma con una serie di miglioramenti. Nel 2009 alla SXSW di Austin portano la prima stampante Cupcake sns con cui stampano piccoli oggetti, al loro ritorno a New York aprono un blog che chiamano MakerBot per la vendita della stampante. Nel mese successivo ottengono più di tremila ordini per il loro kit. Solo due anni più tardi l’azienda Makerbot diventa quindi una società e nel 2012 iniziò a lavorare ad una nuova versione della sua stampante 3D completamente assemblata. Nel febbraio del 2014 è scaduto il brevetto per la stampa Selective Laser Sintering (SLS), questo potrà portare, come nel 2005 per la FDM, ad uno sviluppo accelerato per le stampanti che utilizzano questo sistema. Durante gli ultimi anni la crescita delle stampanti 3D è stata esponenziale, attualmente vengono utilizzate in molti settori, come la biongegneria, la moda ed il design.

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a laser that solidified a thermoplastic powder in a selective manner. The invention of rapid prototyping has caused a paradigm shift towards development of a new range of possibilities and technologies driven by digital design. This technological exposion has given life to a wide number of subcategories. In 2005 the patent expired for printing with melted thread (FDM), and Adrian Bowyer started the project RepRap, with the objective of creating a machine capable of printing the pieces to recreate itself. From that moment onwards, the development of other printers became exponential. In 2007 Bre Pettis, Zack Smith and Adam Mayer met to collaborate together with the aim of offering a kit based on RepRap but with a series of improvements. In 2009, at SXSW in Austin they brought out the first printer Cupcake sns with which they print small objects. On their return to New York they opened a blog called MakerBot to sell the printer. In the following month they had more than three thousand orders for their kit. Only two years later the company MakerBot became a listed company, and in 2012 started work on a new fully assembled version of its 3D printer. In February 2014 the patent expired for Selective Laser Sintering (SLS) printing. This could lead to, as with FDM in 2005, an acceleration of development for printers utilising this system. In the last few years the growth of 3D printers has been exponential, and they are becoming used in many sectors such as bioengineering, fashion and design.

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T I P O L O G I E D I S TA M PA

TYPES OF PRINTING

Attraverso la prototipazione rapida è possibile produrre oggetti di geometria complessa direttamente dal modello matematico dell’oggetto realizzato con un qualsiasi programma di modellazione. Il processo di realizzazione di un oggetto 3D parte dall’analisi del modello salvato nel formato SLS. Il software (Slicing, CAM software) converte i modelli 3D in comandi meccanici, i quali permetteranno alla stampante di procedere “layer by layer” alla realizzazione dell’oggetto. La realizzazione dei singoli layer varia a seconda della stampante utilizzata:

Through rapid prototyping it is possible to create an object with complex geometry directly from the object’s mathematical model created by any modelling program. The process of making a 3D object starts with analysis of the model saved in SLS format. The software (Slicing, CAM software) converts the 3D models into mechanical instructions, which allow the printer to proceed “layer by layer” in making the object. The construction of individual layers varies depending on the printer:

FDM (fused deposition modeling) lavora su un principio “additivo” rilasciando il materiale su strati. Un filamento plastico viene srotolato da una spirale che fornisce il materiale da un ugello di estrusione. L’ugello viene riscaldato per poter sciogliere il materiale e può essere spostato sia in direzione orizzontale che verticale. Per questo sistema di stampa è stata realizzata da Tyler McNaney, uno studente del Vermont Technical College, la Filabot, una macchina che permette di riciclare la plastica usata e convertirla in filamento in adatto alla stampa. Questa “pre-stampante” è in gradi di riciclare la maggior parte delle plastiche degli scarti, occorre impostare la tempera adatta per ogni materiale (ABS, PET, PE, ecc)

SLS (selective laser sintering) impiego di polveri termoplastiche, fa uso di un laser per sinterizzarle. Inizialmente viene steso un sottile strato di polvere da un apposito apparato e il laser provvede alla sinterizzazione ove necessario. La tavola si abbassa della quantità voluta, si stende un altro strato di polvere e il tutto si ripete. Il vantaggio sta nel fatto che non c’è bisogno di prevedere dei supporti dato che è la polvere non sinterizzata che provvede a sostenere i piani superiori.

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FDM (fused deposition modeling) works on an “additive” principle, material in layers. A plastic filament is unwound from a coil that provides the material from an extrusion nozzle. The nozzle is heated to melt the material and can be moved both in a horizontal and vertical direction. Tyler McNaney, a student at Vermont Technical College, devised the Filabot, a machine that allows recycling of plastic to convert it into a filament suitable for printing. This ”pre-printer” is able to recycle most waste plastics, it being necessary to set the temperature correctly for each material (ABS, PET, PE, etc.)

SLS (selective laser sintering) employs thermoplastic powder and makes use of a laser to sinter it. Initially a thin layer of powder is spread by a suitable apparatus and the laser performs the sintering where necessary. The table is lowered by the amount desired, another layer of powder is laid down and everything is repeated. The advantage lies in the fact that there is no need to provide supports since the sinterised powder supports the layers above.

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DLP (digital light processing) una vasca di polimero liquido è esposto alla luce di un proiettore DLP in condizioni di luce inattinica. Il polimero liquido esposto si indurisce. La piastra di costruzione poi si muove in basso e il polimero liquido è di nuovo esposto alla luce. Il processo si ripete finché il modello non è costruito. Il polimero liquido è poi drenato dalla vasca, lasciando il modello solido.

DLP (digital light processing) a bath of polymer liquid is exposed to light from a DLP projector in Safelight conditions. The exposed liquid polymer hardens. The contruction plate is then lowered and the liquid polymer is again exposed to the light. The process is repeated until the model has been constructed. The liquid polymer is then drained from the bath, leaving the solid model.

U T I L I Z Z I AT T U A L I

RECENT USES

Bioingegneria Nel marzo del 2014, Glenn Green e Scott Hollister, due medici dell’Università del Michigan hanno stampato un supporto tracheale per aiutare un neonato a respirare. Il dispositivo, in poliestere biodegradabile, può adattarsi alla crescita del neonato e in tre anni si dissolverà completamente. Nell’odontoiatria vengono già realizzati ponti e protesi. Nel 2013 è stata creata una struttura di polimero modellabile che ha sostituito più del 75% del cranio di un paziente.

Bioengineering In March 2014, Glenn Green and Scott Hollister, two doctors from the University of Michigan, printed a tracheal support to help a newborn baby breathe. The support was made with biodegradable polyester, and can adapt to the body of a growing baby and dissolve completely in three years time. In dentistry bridges and dentures are already being built. In 2013 a structure of mouldable polymer was created to replace more than 75% of patient’s skull.

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La MakerBot in associazione con il progetto Robohand, organizzazione non governativa fondata da Richard Van As e formata da una rete di ingegneri, designer, inventori e medici, sta realizzando protesi meccaniche low cost utilizzando stampanti 3D.

Makerbot, in association with the project Robohand, the non-government organization founded by Richard Van As that consists of a network of engineers, designers, inventors and doctors, is devising low cost mechanical prostheses using 3D printers.

Moda Lo stilista olandese Iris van Herpen ha vestito le modelle con una collezione di abiti da passerella interamente stampati in tre dimensioni.

Fashion The Dutch fashion designer Iris van Herpen has dressed models with a collection of clothes for the catwalk entirely printed in three dimensions.

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Design Gli architetti svizzeri Michael Hansmeyer e Benjamin Dillenburger hanno ideato e realizzato una struttura a misura d’uomo interamente stampata in 3D, fabbricata attraverso il sand-printing technology, in arenaria. Dus Architects nel 2014 ha iniziato la produzione di tredici stanze realizzate con interi blocchi in materiale plastico in un edificio nella città di Amsterdam. Il progetto è stato annunciato sia come concept che come iniziativa artistica.

Design The Swiss architects Michael Hansmeyer and Benjamin Dillenburger have designed and made a humansize structure entirely printed in 3D, fabricated using sand-printing technology, in sandstone Dus Architects in 2014 began production of thirteen rooms made with whole blocks of plastic material in a building in the city of Amsterdam. The project was announced as a concept that is as artistic initiative.

Nel 2014 l’architetto Neri Oxman ha realizzato la propria Chaise Longue utilizzando la stampante Objet500. Questa stampante consente ai materiali ed ai colori di combinarsi simultaneamente durante il processo di stampa, questa tecnologia innovativa utilizza tre getti in grado di combinare tra loro gocce di tre materiali base per produrre combinazioni differenti di materiali rigidi o flessibili il tutto in un singolo processo di stampa.

In 2014 the architect Neri Oxman fabricated his own Chaise Longue using the printer Objet500. This printer allows the materials and colors to combine simultaneously during the printing process. This innovative technology utilises three jets to combine drops of three basic materials to produce different combinations of rigid or flexible materials all in a single printing process.

Attualmente le stampanti 3D in commercio utilizzano, per la stampa, materiali differenti in base alla stampante utilizzata. Con la tecnica SLS è possibile produrre oggetti a partire da materiali in polvere, tra cui polimeri (come polistirene o nylon), metalli (tra cui acciaio, titanio e varie leghe) e polveri di arenaria. Con la tecnica FDM vengono impiegati soprattutto materiali termoplastici come policarbonato, (ABS, PET, PE, ecc) ma alcune stampanti utilizzano anche altri materiali tra cui il Laybrick, una miscela di gesso macinato e copoliestere, gli oggetti stampati con questo materiale risultano più simili a materiali lapidei

At the moment, the 3D printers on the market utilise different materiald for printing according to the type of printer. With the SLS technique, it is possible to produce objects from powdered materials, including polymers (such as polystyrene or nylon), metals (including steel, titanium and various alloys) and sandstone powder. The FDM technique above all uses thermoplastic materials such as polycarbonate (ABS, PET, PE, etc.) but some printers also use other materials including Laybrick, a mixture of ground chalk and copolyester. Objects printed with this material are more similar to

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che a materiali plastici. Il Laywood è una miscela di fibre di legno mescolato ad un termoplimero di caratteristiche simili al PLA, l’oggetto finale risulta simile ad un oggetto di legno ed in funzione della temperatura è possibile ottenere diverse gradazioni di marrone. Infine lo Strong and Flexible Plastics è un materiale elastico, flessibile ed estremamente resistente all’abrasione, con questo materiale è possibile stampare oggetti con un indice di deformazione dell’80% se inferiori ai 5mm di spessore.

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stone than plastics. Laywood is a blend of wood fibres mixed with a thermopolymer very similar to PLA. The final object looks like it is made of wood and, depending on the temperature, it is possible to obtain different shades of brown. Finally, Strong and Flexible Plastics is an elastic material, flexible and extremely resistant to abrasion. With this material it is possible to print objects with a deformation index of 80% if htey are less than 5mm thick.

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L A S TA M PA 3 D I N ARCHITETTURA

3D PRINTING IN ARCHITECTURE

Le potenzialità della produzione additiva in architettura possono essere estremamente vaste, questo processo di produzione ha portato ad una serie di progetti derivati da fenomeni naturali. Il calcestruzzo ad esempio potrebbe essere stampato a densità variabile e manipolabile a seconda del tipo di carico e di sollecitazione, nello stesso modo il tronco di una palma è realizzato con un unico materiale che contiene un gradiente naturale di densità (denso all’esterno e poroso all’interno) che la rende forte e flessibile allo stesso tempo. Come definito dall’Architetto Neri Oxman “Queste tecnologie ci permetteranno di creare edifici che sono completamente diversi da quelli in cui viviamo oggi: edifici che rispondano a tutte le nostre esigenze, fisiche ed anche ai bisogni spirituali. In altre parole, l’obiettivo degli edifici stampati non è questione di versare “vino nuovo in otri vecchie”, ma piuttosto di ri-concepire l’intera ricerca per la creazione di habitat e di forma espressiva. ” In edilizia, la prefabbricazione ha permesso di ottenere minori tempi di realizzazione a discapito della libertà di personalizzazione, mentre attraverso la stampa 3D architettonica molte delle attuali esigenze di mercato potranno essere soddisfatte, coniugando la velocità di realizzazione alla personalizzazione estrema. Inoltre nessun intervento umano significa una riduzione del rischio d’incidenti in cantiere, secondo un’indagine condotta dall’Osservatorio Sicurezza sul Lavoro della società Vega Engineering, il tasso di mortalità per questo tipo di mansione è pari all’11%. Questo nuovo processo costruttivo, una volta consolidato, permetterà di fondare le basi per una architettura svincolata dalle tecniche costruttive odierne e proiettata verso una architettura biomimetica in costante evoluzione. Attualmente sono state progettate e realizzate le seguenti stampanti a dimensione architettonica:

The potential of additive manufacturing in architecture can be extremely large. This production process has led to a series of designs derived from natural phenomena. Concrete for example can be printed with variable density and manipulated depending on the type of load and stress, just like the trunk of a palm tree made with a single material that has a natural density gradient (dense outside and porous inside) , making it strong and flexible at the same time. As stated by the architect Neri Oxman “These technologies allow us to create buildings that are completely different from the ones we live in today: buildings that meet all our needs, physical and even spiritual. In other words, the goal of printed buildings is not a question of pouring “new wine into old wineskins,” but rather to re-imagine the entire quest to create habitats and expressive forms In construction, prefabrication has resulted in lower construction times at the expense of freedom of customization while, through 3D architectural printing, many current market needs can be met by combining speed of creation with extreme customization. Furthermore, no human involvement means a reduction in accident risk at the construction site. According to a survey conducted by the Occupational Safety monitoring centre of the company Vega Engineering, the mortality rate for this type of job is 11%. This new construction process, once established, will allow the foundations to be laid for an architecture freed from the construction techniques of today and projected towards a biomimetic architecture in constant evolution. At the moment the following printers are designed and built in architectural dimensions:

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Nel 2008 Behrokh Khoshnevis, ricercatore presso la University of Southern California’s, ha inventato la tecnica del Contour Crafting, una versione robotizzata del cantiere, le murature vengono realizzate in calcestruzzo con una stampante 3D e le coperture assemblate con un braccio meccanico. Questa innovazione permette di integrare la stampa 3D e la robotica realizzando sia le murature che le coperture con materiali differenti. Lo svantaggio di questa tecnica riguarda sia il massiccio uso di calcestruzzo nella costruzione, sia l’utilizzo di un processo di stampa FDM (fused deposition modeling) che non permette di ottenere sbalzi necessitando di architravi sopra porte e finestre.

In 2008 Behrokh Khoshnevis, a researcher at the University of Southern California, invented the technique of Contour Crafting, a robotic version of the building site where masonry is made from concrete using a 3D printer and roofs assembled using a mechanical arm. This innovation allows the integration of 3D printing and robotics to create both masonry and roofs with different materials. The disadvantages of this technique are the enormous amount of concrete used in construction and the printing process FDM (fused deposition modeling) used not allowing overhangs, so that lintels above windows and doors are needed.

Il team della Freeform Construction Printing dell’Università di Loughborough UK, ha sviluppato una stampante che utilizza, come il Contour Crafting, il processo di Fused Deposition Modeling (FDM) depositando calcestruzzo.

The team Freeform Construction Printing of Loughborough University, UK, has developed a printer that uses, like Contour Crafting, the process of Fused Deposition Modeling (FDM) depositing concrete.

La Winsun Decoration Design Engineering nell’aprile del 2014 ha realizzato dieci case di 200mq in un giorno, mentre all’inizio del 2015 ha edificato un condominio di 5 piani nel SIP, Industrial Park di Suzhou, Cina Orientale. A differenza delle dieci case che si limitavano a stampare unicamente le parti strutturali, ora il processo di stampa si occupa di tutte le componenti dell’edificio, dai blocchi strutturali, agli arredi ed i decori. La stampante, delle dimensioni di 10m di larghezza per 150m di lunghezza e 6m di altezza, stampa una miscela di fibra di vetro, cemento, sabbia ed un agente indurente. Questa stampante come le due precedenti utilizza il processo di Fused Deposition Modeling (FDM), in

Winsun Decoration Design Engineering in April 2014 made ten houses of 200sqm in a day, while at the start of 2015 built a 5 floor condominium in SIP, Suzhou Industrial Park, Eastern China. Unlike the ten houses for which they simply printed only the structural parts, now the printing process takes care of all the components of the building: the building blocks, the furnishings and décor. The printer of dimensions 10m width, 150m length and 6m height, prints a mixture of glass fiber, concrete, sand and a curing agent. This printer, like the previous two, uses Fused Deposition Modeling (FDM). In this case, the problems regarding overhangs for upper floors or holes for doors and windows are resolved by printing the in-

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questo caso le problematiche che riguardano gli sbalzi oppure solai o forature per porte e finestre vengono risolte stampando i singoli blocchi secondo la direzione più opportuna e successivamente montati in cantiere.

dividual blocks in the most appropriate direction and subsequently assemblig them on site.

La WASP, un’azienda Italiana nata nel 2012 dal mondo open source, inizia attraverso la realizzazione di stampanti a tre assi per la stampa di plastica e argilla.

WASP, an Italian company founded in 2012 from the world of open source, began by creating a three-axis printers for printing plastic and clay.

Questa azienda è proiettata verso la realizzazione di una stampante alta 5mt che utilizza una mescola di terra ricavata nel luogo in cui si vuole stampare. Questi sistemi che utilizzano il Fused Deposition Modeling (FDM) come processo di stampa riescono a limitare sia i costi sia i tempi di realizzazione.

This company aims to construct of a 5m high printer that uses a mixture of earth found in the place where you want to print. These systems using the Fused Deposition Modeling (FDM) as the printing process are able to limit both costs and build times.

Parallelamente D-Shape, ideato dall’Ing. Enrico Dini, fondatore della Dinitech, consiste in una stampante 3D che permette la realizzazione di strutture organiche il cui limite dimensionale può variare in base alla stampante. La prima stampante misurava 6x6 metri ottenendo quindi un “piatto” di stampa di 36mq, attualmente l’azienda Dinitech progetta stampanti di varie dimensioni in base alle richieste dei committenti. La stampante originale di metri 6x6 è composta da: -300 ugelli 2cm di distanza l’uno dall’altro -layer di sabbia di 5mm -tolleranze di 5-10 millimetri -aumento o diminuizione della densità nei punti critici -velocità 3 minuti per layer -peso materiale stampato (D-Stone) 2 ton/mc

In parallel D-Shape, conceived by Ing. Enrico Dini, founder of Dinitech, consists of a 3D printer that produces organic structures whose size limit can vary depending on the printer. The first printer measured 6x6 meters, thus achieving a printing “plate” of 36sqm. Currently the company Dinitech designs printers of various sizes according to customer requirements.

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The original 6x6 meters printers consist of: -300 nozzles positioned 2cm apart -5mm sand layer -5-10 mm tolerance -Increase or decrease of density at critical points -speed 3 minutes per layer -weight of printed material (D-Stone) 2 ton / mc

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Questa tecnica di stampa utilizza sabbia mescolata a sale ed usa come legante un bi-componente inorganico ecocompatibile che trasforma la sabbia, o un materiali granulare alternativo, in roccia. I vantaggi di questa tecnica sono molteplici. L’utilizzo di sabbie locali come materiali di base permette un’economia delle costruzioni a chilometro zero, la terra eliminata per la realizzazione delle fondazioni, dopo essere stata filtrata ed asciugata può essere utilizzata come materiale di base per la stampa, poiché gli aggregati secchi, qualunque essi siano, non intervengono nella chimica di reazione e vengono cementati assieme. Inoltre utilizzando il processo di stampa SLS (selective laser sintering) è possibile ottenere una libertà morfologica molto più ampia, attraverso questo processo di stampa possono essere realizzati sbalzi, arcate, coperture, ecc. La possibilità di stampare strutture alveolari modulari permette di garantire la massima struttura ed il massimo isolamento termico. L’unico svantaggio di D-Shape è il grande utilizzo di sabbia che una volta

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This printing technique uses sand mixed with salt and an environmentally friendly bicomponent inorganic binding agent that turns the sand, or alternative granular material, into rock. There are numerous advantages in this technique. Using local sands as base materials allows economic construction at ground zero The earth removed for construction of foundations, after being filtered and dried, can be used as base material for printing, since the dry aggregates, whatever they are, are not involved in the chemical reaction and are cemented together. In addition, using the printing process SLS (selective laser sintering), you can get a much broader freedom to create shapes, as overhangs, arches, roofs, etc. can be made with this printing process. The ability to print modular alveolar structures guarantees largest possible size and the optimum thermal insulation. The only disadvantage of D-Shape is the major use of sand that has to be removed once you have finished the process. However it can be reused for the next printing. At the moment Dinitech uses printing systems for

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terminato il processo deve essere rimossa, ma può essere riutilizzata per una stampa successiva. Attualmente la Dinitech utilizza dei sistemi di stampa per blocchi, in modo da assemblare le parti stampate durante lo stampo dei pezzi successivi. L’elemento che rende caratterizzante questo metodo di stampa, oltre al processo SLS, è l’utilizzo e la continua sperimentazione di materiali come ad esempio i geopolimeri. Come costi di costruzione la tecnologia D-Shape può variare in base alla scelta di utilizzare o meno la terra del luongo, nel caso si decidesse di utilizzare la terra di risulta l’unica cosa che andrebbe aggiunta sarebbe il reagente liquido, con un prezzo di 150 €/ton, ed il reagente in polvere da mescolare alla sabbia, 400 €/ ton. Attraverso il rapporto tra reagente liquido e quantità di sabbia otterremo che il prezzo per 1 tonnellata di D-Stone è di 110 €. Per realizzare una casa di circa 65mq, compresa di parti strutturali dell’edificio e arredi, bisogna utilizzare una quantità di D-Stone pari a 41 tonnellate per un totale di 75 € al mq compreso di energia per alimentare la macchina.

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blocks, so that printed parts are being assembled while the following pieces are being printed. The feature that makes this printing method distinctive, in addition to the SLS process, is the utilisation and continued experimentation with materials such as geopolymers. As for costs of construction, D-Shape technology can vary depending on the choice of using more or less earth from the site. In the event that it is decided to use earth, the only thing that should be added would be liquid reagent, with a price of € 150 / ton, and reagent powder to be mixed with sand, at 400 € / ton. Through the relationship between liquid reagent and the amount of sand, we will get that the price for 1 ton of D-Stone is 110 €. To build a house of about 65sqm, including structural parts of the building and fixtures, a quantity of D-Stone amounting to 41 tons is needed for a total of 75 € per sqm including energy to power the machine.

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— “Vivere in un bel posto fa bene all’anima, induce sentimenti ed energie positive; incoraggia il miglioramento di sé. La bellezza non deve essere un lusso facoltativo. È l’essenza della vita.” Ing. Enrico Dini Luglio 2007

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— “Living in a beautiful place is good for the soul, It induces positive feelings and energies; It encourages self improvement. Beauty should not be an optional luxury. It is the essence of life.” Eng. Enrico Dini July 2007

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05. PROGETTO

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— “L’opposto di natura è impossibile.” Buckminster Fuller Conferenza pubblica presso la Columbia University 1965

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— “The opposite of nature is impossible.” Buckminster Fuller Public lecture at Columbia University 1965

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FO N T I D I I S P I RAZ I O N E

SOURCES OF INSPIRATION

Alcune delle forme utilizzate per la realizzazione del pogetto provengono da elementi naturali come ad esempio i tafoni e i radiolari. Questi radiolari sono protozoi caratterizzati da uno scheletro siliceo la cui struttura atramata crea delle forme parametriche. Nelle regioni della Cappadocia, nell’Anatolia centrale, Turchia, si trovano degli insediamenti del 300 d.C. scavati sotto terra. Di 36 città sotterranee Derinkuyu è la più grande con una capacità di 10-20.000 persone e si estende fino ad una profondità di 70-85 metri. In questo tipo di sturttura le abitazioni, scavate nella terra assumevano una struttura più ergonomica.

Some of the forms used for the creation of the project originate from natural elements such as tafoni and radiolaria. These radiolarian protozoa are characterized by a siliceous skeleton, the structure of which creates randomly arranged parametric shapes. In the regions of Cappadocia, in central Anatolia, Turkey, there are settlements from 300 AD excavated underground. Of 36 underground cities, Derinkuyu is the largest, with a capacity for 10-20,000 people and extending to a depth of 70-85 meters. In this type of structure the dwellings, dug into the ground, assume a more ergonomic structure.

Tafoni

Derinkuyu, Cappadocia, Tutchia

Sabbia del deserto modellata dal vento

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Ernst Haeckel, Kunstformen der Natur, Tafel 31 PP

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IL CASO DEGLI SLUMS

THE CASE OF SLUMS

L’origine della formazione degli slums è dovuta soprattutto alla rapida migrazione dagli ambienti rurali alle città. Secondo le stime del 2013 dell’UN-Habitat circa un quarto della popolazione urbana mondiale vive in baraccopoli, il numero di persone che vivono negli slum dei paesi in via di sviluppo sono 863 milioni, in contrasto con i 760 milioni del 2000 ed i 650 milioni nel 1990. Le stime indicano che un terzo della popolazione urbana mondiale in via di sviluppo vive in baraccopoli. In Africa ad esempio, oltre la metà della popolazione urbana (61,7%) vive in baraccopoli, in Asia, il 30% , e questo continente attualmente ospita la metà della popolazione urbana mondiale. Questi luoghi non dispongono nè delle reti di fornitura dell’acqua potabile nè delle reti per lo smaltimento delle acque di scarico eppure in questi ambienti si crea un forte senso di comunità spesso formata da etnie diverse che convivono pacificamente. Gli abitanti vivono condividendo la quotidianità e la struttura stessa dello slum è basata principalmente sui rapporti umani. Nello Slums di Mumbai (Dharavi) dal 2004 il Dharavi Redevelopment Project, tenta la riqualificazione edilizia dell’intera zona cercando di risistemare gli abitanti in appartamenti nella periferia della città, ma gli stessi abitanti non vogliono abbandonare quel luogo e solo migliorando le condizioni di vita generali all’interno delle baraccopoli è possibile un futuro.

The origins of the formation of slums was mainly driven by rapid migration from rural areas to cities. According to estimates by UN-Habitat, in 2013 about a quarter of the world’s urban population lived in shantytowns. The number of people living in slums in developing countries is 863 million, as opposed to 760 million in 2000 and 650 million in 1990. The estimates indicate that one third of the world’s urban population in the developing world live in shantytowns. In Africa, for example, more than half of the urban population (61.7%) lives in shantytowns: in Asia, 30%, and this continent is currently home to half the world’s urban population. These places do not have either networks for drinking water supply or networks for sewage disposal, and yet in these environments a strong sense of community is created, often made up of different ethnic groups that live together peacefully. The locals live by sharing everyday life, and the very structure of the slum is based primarily on human relationships. In the Slums of Mumbai (Dharavi) since 2004, the Dharavi Redevelopment Project has attempted to renovate buildings in the entire area by trying to resettle residents in apartments on the outskirts of the city. But the inhabitants do not want to leave there, and only by improving the general living conditions within the shantytowns is it possible to have a future.

Dharavi, slums Mumbai

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EVOLUZIONE STRUTTURA

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INTRODUZIONE AL PROGETTO

PROJECT INTRODUCTION

Il progetto nasce dalla convergenza dei fattori precedentemente citati, come la problematica delle slums, la prototipazione rapida e il rapido aumento di popolazione. Utilizzando la tecnologia d-Shape, dell’Ing. E. Dini, è possibile realizzare delle strutture stampate utilizzando la terra/sabbia del luogo con l’aggiunta di un additivo per permettere la reazione chimica che che solidificherà il terreno. In questo modo una città come Nairobi (Kenya), composta da una delle più grandi slums dell’Africa, potrebbe, attraverso una sola stampante, realizzare delle nuove case all’interno degli stessi slums utilizzando la terra che la circonda. Queste “case stampate” potranno avere una predisposizione all’allacciamento delle tubazioni e potranno essere stampate con gli arredamenti integrati.

The project stems from the convergence of the factors mentioned above, such as the problem of slums, rapid prototyping and the rapid increase of population. Using Ing. E.Dini’s d-Shape technology, it is possible to create printed structures using earth/sand from the site by adding an additive to cause a chemical reaction that solidifies the earth. In this way a city like Nairobi (Kenya), made up of one of the largest slums in Africa, could create new homes using a single printer amongst those same slums using earth that surrounds them. These “printed houses” could be pre-arranged to be connected to plumbing and could be printed with integrated fittings.

IL DIAGRAMMA DI BRUCKNER

THE DIAGRAM OF BRUCKNER

Con il diagramma di Bruckner è possibile fornire il volume di terra necessario o in esubero da utillizare per la stampa poichè la terra dopo essere stata filtrata ed asciugata può essere utilizzata come materiale di base per la stampa. Gli aggregati secchi, qualunque essi siano, non intervengono nella chimica di reazione e vengono cementati assieme attraverso il reagente.

With the diagram of Bruckner it is possible to estimate the earth volume of or in excess to be used for printing, because the earth after being filtered and dried can be used as base material for printing. The dry aggregates, whatever they are, are not involved in the chemical reaction and are cemented together by the reagent.

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UN NUOVO MODO DI A B I TA R E

A N E W WAY O F L I V I N G

Questi “muri praticabili” sono ambienti molto interconnessi che permettono una fluidità dello spazio differente da quello che viene utilizzato oggi. Le sezioni possono diversificarsi tra ambienti molto intimi e luoghi di condivisione. La struttura esterna , possibile solo attraverso D-shape, funge da scoperto nell’immediato futuro ma sarà possibile riempirla con le future stampanti.

These “ accessible walls “ are very interconnected areas that allow a fluidity of space different from what is used today. The sections can diversify between very private spaces and shared places. The external structure, possible only through D-shape, will be uncovered for the immediate future, but it will be possible to cover it with future printers.

Archigram, Living pod, 1966

John McLane Johansen, Air Quilt, 1995

André Bloc, Meudon, France, 1962

Ryumei Fujiki, Artificial topography, Kobe, Japan, 2011

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SEZIONI AMBIENTI

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P I A N TA

altezza sezione 120 cm dimensione area di stampa 12x12 mt

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P I A N TA

altezza sezione 210 cm dimensione area di stampa 12x12 mt

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P I A N TA

altezza sezione 290 cm dimensione area di stampa 12x12 mt

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P I A N TA

altezza sezione 330 cm dimensione area di stampa 12x12 mt

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P I A N TA S TA M PA N T E

altezza sezione 480 cm dimensione area di stampa 12x12 mt

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S TA M P E T R A S PA R E N T I

T R A N S PA R E N T P R I N T S

Una Fab Lab di Oaxaca ha inventato un sistema di riciclo al 100% di Pet proveniente dai rifiuti. Una preoccupazione importante riguarda il momento in cui la plastica si raffredda, data la tendenza a cristallizare e diventare fragile.

A Fab Lab of Oaxaca has invented a system of recycling 100% of Pet from waste. An important concern relates to the moment when the plastic cools, given the tendency to crystallize and become brittle.

Ethical Filament Foundation

Ninja Flex crea stampe forti ed estremamente flessibili estendendo le capacità di molte stampanti 3D di oggi. Il polimero è un elastometro termoplastico appositamente formulato (TPE), ideale per le stampe 3D con estrusori a trazione diretta.

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Ninja Flex creates prints strong and extremely flexible by extending the capabilities of many 3D printers today. The polymer is a thermoplastic elastomer specially formulated (TPE), ideal for prints 3D extruders with direct drive.

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S C E LT E PA R A M E T R I C H E

PA R A M E T R I C C H O I C E S

Con l’utilizzo di programmi parametrici è possibile variare la struttura dell’edificio in base alla quantità di terreno disponibile, ai locali necessari ed alla distribuzione della slums. Inoltre è possibile calcolare con precisione il punto di estrazione per la fuoriuscita della sabbia in eccesso all’interno del muro, al fine di alleggerire la struttura.

By using parametric programs, it is possible to vary the building construction according to the amount of soil available, the rooms required and the distribution of the slums. Also it is possible to calculate precisely the point of removal for discharge of excess sand within the wall in order to lighten the structure.

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AT T R A C C H I F U T U R I

MOOR FUTURE

Attraverso i sistemi futuri sarà possibile inserire all’interno della struttura pre-stampata delle cellule abitative, questi blocchi potranno essere stampati successivamente attraverso sistemi più efficienti o implementati attraverso la robotica e le nanotecnologie.

Through future systems will be able to put in the structure pre-printed cell housing, these blocks can be printed later through more efficient systems or implemented through robotics and nanotechnology.

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06. ORIZZONTE 2045

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PREMESSE SUL FUTURO

ASSUMPTIONS ABOUT THE FUTURE

— “Non ho paura di affrontare la domanda finale cioè se alla fine, nel grande futuro che ci aspetta, saremo in grado di disporre gli atomi nel modo che vogliamo; proprio gli atomi, laggiù sul fondo! Che cosa accadrebbe se potessimo disporre gli atomi uno per uno come vogliamo? (ragionevolmente, s’intende; non potremo porli in posizioni in cui siano chimicamente instabili, per esempio).”

— “I am not afraid to consider the nal question as to whether, ultimately|in the great future|we can arrange the atoms the way we want; the very atoms, all the way down! What would happen if we could arrange the atoms one by one the way we want them (within reason, of course; you can’t put them so that they are chemically unstable, for example)”

Richard Feynman 1959

Richard Feynman 1959

Le basi teoriche della nanotecnologia sono state poste nel 1959 dal fisico Richard Feynman durante una lezione al Caltech dal titolo “There’s Plenty of Room at the Bottom”. Feynman ipotizzò che un giorno sarebbe stato possibile manipolare la materia su scala atomica, non essendoci leggi fisiche che limitano in linea di principio questa possibilità. Infatti ogni organismo vivente, dai batteri alle piante, dagli insetti, fino all’uomo stesso, sono, di fatto, incredibili macchine molecolari, e quindi sono dimostrazioni evidenti che la manipolazione della materia a livello atomico e molecolare è possibile in natura. Per esempio, è interessante notare come gli alberi riescano, sulla base delle sole informazioni genetiche, a generare strutture imponenti e molto complesse ma dalla forma specifica e riconoscibile. Queste strutture “architettoniche” sono molto resistenti e dinamicamente adattate all’ambiente circostante. In particolare esse traggono il “materiale di costruzione”, la terra, e la “manodopera”, l’energia solare, dall’ambiente stesso, costruendosi autonomamente tramite processi, che in ultima analisi possiamo definire come nanotecnologici bottom-up.

The theoretical foundations of nanotechnology were laid in 1959 by physicist Richard Feynman at Caltech during a lecture entitled “There’s Plenty of Room at the Bottom.” Feynman hypothesized that it would one day be possible to manipulate matter at the atomic scale since, in principle, there are no physical laws that limit this possibility. In fact, every living organism, from bacteria to plants, insects, up to man himself, are actually incredible molecular machines, and thus are clear demonstrations that manipulation of matter at the atomic and molecular levels is possible in nature. For example, it is interesting to note how trees are able on the basis of only genetic information to create towering and very complex structures, but with specific and recognizable form. These “architectural” structures are very durable and dynamically adapted to the surrounding environment. In particular, they draw “building material” (earth) and “labour”, (solar energy) from the environment itself, building themselves through processes that we can ultimately define as bottom-up nanotechnology.

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Negli anni successivi le ipotesi di Feynman non vennero subito approfondite ed implementate, fino a che, verso la metà degli anni ‘80 i chimici Harold Kroto Robert Curl e Richard Smalley, scoprirono i fullereni attraverso degli esperimenti di fasci molecolari. I fullereni furono un primo esempio di struttura nanometrica creata in laboratorio. Si tratta infatti di strutture molecolari composte da appena pochi atomi di carbonio, ma disposti in modo geometricamente preciso a formare architetture sferiche, denominate “Buckyball”, per la loro somiglianza alle cupole geodetiche di Buckminster Fuller, oppure strutture tubolari, i nanotubi di carbonio.

In subsequent years, the hypotheses Feynman made were not immediately investigated and implemented, until, in the mid-80s chemists Harold Kroto Robert Curl and Richard Smalley discovered fullerenes during experiments with molecular beams. Fullerenes were the first example of a nanometric structure created in the laboratory. It is in fact a molecular structure composed of just a few carbon atoms, but arranged in a geometrically precise manner to form spherical architectures referred to as “Buckyballs” for their resemblance to the geodesic domes of Buckminster Fuller, or formed as tubular structures - carbon nanotubes.

Nel 1986 Kim Eric Drexler pubblica il libro “Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology” in cui introduce il termine “nanotecnologia” per “descrivere le capacità avanzate degli assemblatori molecolari: dispositivi teorici in grado di utilizzare reazioni chimiche per il posizionamento di molecole reattive con precisione atomica”. Negli anni successivi Drexler e Smalley si sono scambiati delle lettere aperte riguardo la possibilità di realizzare o meno gli assemblatori molecolari proposti nel libro di Drexler giudicati “impossibili” da Smalley. Per capire chi aveva ragione e dove si trova lo stato dell’arte di questa tecnologia, vediamo come effettivamente si può operare su scala nanometrica.

In 1986 Kim Eric Drexler published the book “Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology” in which he introduced the term “nanotechnology” to “describe the advanced capabilities of molecular assemblers: theoretical devices capable of using chemical reactions to position reactive molecules with atomic precision.” In subsequent years, Drexler and Smalley exchanged a number of open letters regarding the possibility of creating the molecular assemblers proposed in Drexler’s book and deemed “impossible” by Smalley. In order to see who was right and where is the state of the art of this technology, let us see how effectively one can operate at the nanometric scale.

Richard Feynman 1959 TITLE

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OPERARE A LIVELLO NANOMETRICO

O P E R AT I N G AT T H E NANOMETRIC LEVEL

“Bottom Up”: Come suggerito nell’esempio dell’albero, “Bottom-Up” sta ad indicare l’approccio costruttivo nel quale, partendo dagli atomi, si cerca di controllarne/indirizzarne l’assemblaggio, utilizzandoli come “building blocks” per realizzare nanostrutture. Questo è il livello “bottom”, dopodichè, queste strutture molecolari vengono a loro volta assemblate insieme per arrivare via via al livello “up”, salendo di scala dimensionale fino ad oggetti di qualsiasi grandezza.

“Bottom up”: As suggested in the tree example, “Bottom-Up” indicates the approach to construction in which, starting from atoms, one tries to control/ steer assembly, using them as “building blocks” to create nanostructures. This is the “bottom” level following which these molecular structures are assembled together to arrive gradually to the level “up”, rising in dimensional scale to objects of any size.

Ad oggi questo metodo è molto utilizzato in campo medico e di scienze dei materiali. Si usa principalmente un sistema basato su istruzioni genetiche artificiali per codificare “mattoni molecolari” che si auto-assemblano quando a contatto, generando strutture specifiche, come vettori biocompatibili per i medicinali, o materiali con caratteristiche speciali, che letteralmente si “auto-costruiscono”. L’approccio “Bottom-Up” è in parte analogo alla stampa 3D in quanto consiste nel disporre i materiali di base nella forma desiderata, ma per ora è ancora da considerare parzialmente “Top Down” poiché il sistema di stampa è esterno al materiale stesso, e di dimensioni molto maggiori. Un analogo macroscopico più vicino a questo approccio può essere il sistema di self-assembly di Skylar Tibbits dell’MIT in cui i mattoni di base si auto assemblano a formare macrostrutture.

To date, this method is widely used in medicine and materials science. A system is mainly used that is based upon artificial genetic instructions to encode “molecular bricks” that self-assemble when in contact, generating specific structures, such as biocompatible carriers for drugs, or materials with special characteristics that literally “self-build”. The “Bottom-Up” approach is partly similar to 3D printing because it consists of arranging the base materials into the desired shape. But for now it is still considered partly “Top Down” because the printing system is external to the material itself and much larger in size. A macroscopic analog closest to this approach could be the system of self-assembly by Skylar Tibbits of MIT where the basic building blocks self assemble to form macrostructures.

Si possono considerare Bottom-Up anche i sistemi robotizzati di costruzione tramite piccoli droni volanti che agiscono come sciami per disporre i materiali nella struttura. Anche i sistemi in cui gli stessi “mattoni” sono robotizzati e si auto-assemblano in strutture dinamiche, possono essere considerati “Bottom-Up”, come École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL)

Also robotic systems built by small flying drones that act like swarms to arrange materials into the structure can be considered as Bottom-Up. The systems in which these “bricks” are robotic and self-assemble into dynamic structures, can be considered “ BottomUp”(see, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)

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“Top Down” indica il procedimento opposto, che quindi consiste nel ridurre con metodi fisici le dimensioni delle strutture macroscopiche fino a dimensione nanometrica. Per fare ciò si devono costruire una sorta di “frese a controllo numerico” estremamente precise, tanto da “scolpire” il materiale, di fatto prelevando e spostando singoli atomi. Al giorno d’oggi sistemi di questo tipo vengono usati per costruire circuiti integrati con sistemi di litografia fotonica o per precisione ancora superiore si usa direttamente la forza e la precisione nanometrica dei microscopi ad effetto tunnel (STM Scanning tunneling microscope), per esempio per comporre la famosa scritta “IBM”

“Top Down” indicates the opposite process, which therefore consists of reducing macroscopic structures by physical methods to nanometric dimensions. To do this a kind of extremely precise “numerically controlled milling machine” must be constructed, in order to “sculpt” the material by collecting and moving individual atoms. Nowadays systems of this type are used to construct integrated circuits with photon lithography systems, or for even greater precision, using directly the strength and nanometre precision of tunnel effect microscopes (STM scanning tunneling microscope) used, for example, to compose the famous words “IBM”

“Uno scienziato la cui ricerca rispetto, ha osservato che “quando uno scienziato sostiene che qualcosa è possibile, probabilmente sottovaluta quanto tempo sarà necessario per realizzarlo. Ma se dice che è impossibile, ha probabilmente torto.” Lo scienziato in questione è, naturalmente, Lei stesso.”

“A scientist whose research I respect has observed that “when a scientist says something is possible, they’re probably underestimating how long it will take. But if they say it’s impossible, they’re probably wrong.” The scientist quoted is, of course, yourself ”

Da una lettera aperta di Eric Drexler a Richard Smalley (16 aprile 2003)

An open letter of Eric Drexler to Richard Smalley (16 april 2003)

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John Johansen The New Species of Architecture: Nanoarchitecture

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TEORIE IN CAMPO ARCHITETTONICO

THEORIES IN THE FIELD OF ARCHITECTURE

L’architettura si rapporta alle nuove conoscenze nella misura in cui queste possono portare ad un effettivo miglioramento delle condizioni di vita per l’uomo. Le nuove tecnologie infatti vanno considerate come nuovi strumenti progettuali da rapportare costantemente con le esigenze dell’uomo e dell’ambiente, in modo da venire incontro a tali bisogni nel modo più efficace possibile. Tra questi bisogni è necessario annoverare anche quelli relativi all’esperienza “estetica” personale ed alle esigenze espressive di chi vi abita e di chi le progetta.

Architecture relates to new knowledge insofar as it can lead to a real improvement in living conditions for people. Indeed, new technologies should be considered as novel design tools that constantly relate to the needs of man and the environment so they can be met as effectively as possible. Among these needs one must also count those relating to the personal “aesthetic” experience and expressive needs of its inhabitants and designers.

Ad esempio, colui che possiamo definire il padre della “nanoarchitettura”, John M. Johansen, ipotizzava che, una volta avviata la “nanoarchitettura”, gli edifici sarebbero “cresciuti” da soli. Questo ci rimanda appunto all’esempio dell’albero, e del metodo “Bottom-Up” di costruzione, descritto in precedenza. Il paradigma della crescita determinata congiuntamente dal programma genetico e dalle condizioni ambientali, ci porta alla definizione del concetto di architettura paramentrica, un nuovo modo di progettare. L’architettura parametrica infatti è proprio intesa cosa un processo di progettazione che “programma” le azioni e le reazioni che l’architettura avrà una volta “nata”. Quindi l’architetto si troverà a definire questi parametri dinamici, i “geni” del progetto, che poi crescerà autonomamente, adattandosi alle preferenze dei propri utenti ed alle condizioni dell’ambiente, della città, dei flussi ecc.

For example, the person that we can call the father of “nanoarchitectures”, John M. Johansen, speculated that, once “nanoarchitectures” started, buildings would “grow” by themselves. This leads us precisely to the example of the tree and the method “bottom up” construction described above. The growth paradigm, determined jointly by genetic blueprint and environmental conditions, leads us to the definition of the concept of parametric architecture: a new way of designing. Parametric architecture is in fact the precise intention of a design process that “programs” the actions and reactions that the architecture will have once “born”. So the architect will define these dynamic parameters, the “genes” of the project, which then grow independently, adapting to the preferences of its users and to the environment, the city, flows etc.

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Superstudio, Monumento continuo 1969

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VISIONI FUTURE

FUTURE VISIONS

Attualmente la nanotecnologia viene utilizza soprattutto nei rivestimenti, quindi in Edilizia ha un uso soltanto marginale. Per ora infatti, l’approccio di produzione nanotecnologia è principalmente legato alle particolari caratteristiche che si riescono a conferire ai materiali agendo sulla soro struttura molecolare: leggerezza, isolamento termico, idro-oleo repellenza, in primis. Ma ragionare in termini di nanotecnologia per l’architettura vuol dire analizzare la progettazione possibile in uno scenario tecnologico prossimo alla singolarità tecnologica, ovvero nel momento in cui le limitazioni tecnologiche dell’Edilizia odierna saranno completamente superate. Come abbiamo detto, l’architettura parametrica diventerà una fusione sinergica tra biologia e programmazione. Programmeremo il genoma e le caratteristiche dei mattoni nanoscopici dell’edificio, che come uno sciame di nanomacchine costruiranno e si autoassembleranno definendo luoghi in continuo muta-

Currently nanotechnology is used primarily in coatings, and so has only marginal use in construction. For now, in fact, the nanotechnology production approach is mainly linked to particular characteristics that can be given to materials affecting their molecular structure: lightness, heat insulation, water-oil repellency primarily. But thinking in terms of nanotechnology for architecture means analyzing possible designs in a technological scenario close to the technological singularity, or at a time when the technological limitations of construction today will be completely overcome. As we said, parametric architecture will become a synergistic fusion between biology and programming. We will program the genome and characteristics of nanoscale building blocks, which like a swarm of nanomachines will build and self-assemble continuously defining places, changing according to the needs of their residents with organic forms generated like plants.

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M.C. Escher, Relatività, 1953

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mento in base alle necessità dei suoi abitanti con forme organiche generate come piante. Le esigenze energetiche, di comunicazione e di consivisione renderanno l’urbanistica un “Monumento Continuo” che collega l’intero pianeta. L’ambiente sarà costantemente rinnovato attraverso il ripristino ambientale attuato alacremente da quegli sciami di microscopici agenti programmati che possono manipolare la materia su scala nanometrica, la cosiddetta “Utility Fog”. Si delinea un mondo in cui è presente un’abbondanza radicale dove lo sviluppo è continuo e crescente ovunque poiché sarà garantito dallo sfruttamento pressochè completo della fonte di energia più abbondante e rinnovabile che abbiamo, la luce solare. La terra infatti, a differenza di quanto alcuni ecologisti superficialmente affermano, non è un sistema chiuso. La terra è un sistema aperto, con un enorme flusso di energia in entrata, l’energia solare, che stiamo solo ora iniziando a sfruttare veramente. Per la precisione 174.000.000.000.000.000 watt in alta atmosfera, mentre a terra 50 milioni di Gw, ovvero, 10.000 volte la quantità di energia utilizzata dall’intera umanità. E’ bene ricordare che nel momento in cui saremo capaci di manipolare la materia con precisione atomica e molecolare tramite la utility fog, per garantire tutte le altre risorse, sarà sufficiente avere abbastanza energia. Infatti i rifiuti contengono tutti gli elementi atomici per riassemblare i prodotti originali, l’unica differenza è il “contenuto energetico” della struttura, ovvero l’entropia del sistema. Quindi, come abbiamo detto, le nanomacchine che compongono l’utility fog, alimentate dall’energia solare, possono andare ad intervenire a livello atomico strutturale, riportando ogni rifiuto organico o inorganico, non solo allo stato di materia prima, nuovamente utilizzabile, ma persino allo stato di prodotto finito (riportando il livello di entropia del sistema al livello precedente). Lo stesso sarà possibile farlo per le risorse idriche, tramite efficiente filtraggio a livello molecolare e per abbattere l’inquinamento che sarà ironicamente neutralizzato dalla stessa utility fog,

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Energy needs, communication and sharing will make urbanism a “Continuous Monument” connecting the entire planet. The environment will constantly be renewed through environmental restoration intensively implemented by swarms of microscopic programmed agents that can manipulate matter on a nanometric scale, the so-called “Utility Fog”. It outlines a world in which there is a radical abundance, where development is continuous and increasing everywhere since it will be guaranteed by the almost complete exploitation of the most abundant and renewable energy source that we have, sunlight. The earth, in fact, in contrast to what some environmentalists superficially claim, is not a closed system. The earth is an open system with a huge flow of incoming energy, solar energy, that we are just now starting to truly harness. To be precise there are 174,000,000,000,000,000 watts in the upper atmosphere, while on the ground there are 50 million GW, i.e. 10,000 times the amount of energy used by all of humanity. It is wise to remember that at the moment when we are capable of manipulating matter with atomic and molecular precision using the utility fog, to guarantee all other resources, it will be sufficient to have enough energy. Waste in fact contains all the atomic elements needed to reassemble the original products, the only difference being the “energy content” of the structure, namely the entropy of the system. Therefore, as we have said, the nanomachines that constitute the utility fog, powered by solar energy, can intervene at an atomic structural level, transforming any organic or inorganic waste, not only to the state of re-usable raw materials, but even to the state of finished products (bringing the entropy level of the system to the previous level). The same will be possible for water resources through efficient filtering at the molecular level and to beat pollution which will ironically be neutralized by the same utility fog, programmed for this purpose. Let us now imagine this power of regeneration and construction applied to architecture. We will then

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programmata a tale scopo. Immaginiamo ora questa potenza di rigenerazione e costruzione applicata all’architettura. Allora avremo luoghi che si modificheranno continuamente ed in modi così impercettibili e veloci, che a stento si potrà dire che siano accaduti, in un continuum sinergico di auto-costruzione e ri-costruzione, adattamento, comunicazione, mutazione ed evoluzione. Ma come e dove poter costruire le nano-città? Quando la nanotecnologia ci permetterà di “stampare” ogni elemento del nostro edificio, realizzando ogni singolo materiale, l’unico problema consisterà nel reperire gli atomi necessari per la realizzazione. Come abbiamo accennato, proprio grazie alla nanotecnologia, le discariche potranno essere utilizzate come cava di materiali e, contemporaneamente, l’utilizzo e la ri-

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have places that will change continuously and in ways so subtle and quick that we will hardly be able to tell that they have happened, in a synergistic continuum of self-construction and re-construction, adaptation, communication, mutation and evolution. But how and where to construct the nano-cities? When nanotechnology will allow us to “print” every element of our building, making each and every material, the only problem will be to find the atoms necessary for construction. As we mentioned, thanks to nanotechnology, landfills can be used as a quarry for materials and, at the same time, the use and conversion of waste and pollution for architectural purposes will result in the complete environmental restoration of those areas first engaged as useless and harmful landfills.

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conversione dei rifiuti e dell’inquinamento a scopo architettonico, avrà come conseguenza il totale ripristino ambientale di quelle aree prima adibite ad inutili e dannose discariche. Produciamo circa 4 miliardi di rifiuti l’anno e già ora molte città nascono e vivono affianco a queste discariche che vengono usate come fonte di sostentamento tramite il riciclaggio, ora queste situazioni sono praticamente invivibili, sotto la soglia della povertà e della dignità umana, ma in un futuro questi luoghi potranno diventare le città alle porte della Singolarità. Nasceranno come la Fenice, dalle ceneri degli errori del passato tecnologico, le nuove città, gloria e splendore del rinascimento nanotecnologico, che troverà in quelle ceneri, letteralmente, terreno fertile, per la sua rinascita.

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We produce about 4 billion tonnes of waste a year and already now many cities are born and live next to these dumps, which are used as a source of livelihood through recycling. Now these locations are virtually uninhabitable and beneath the threshold of poverty and human dignity, but in the future in these places will become the cities at the gates of the Singularity. Born like the Phoenix from the ashes of the errors of past technology, the new cities, the glory and splendor of renaissance nanotechnology, which will be in those ashes, literally, fertile ground for its rebirth.

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07. CONCLUSIONI

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— “Guardando indietro dal futuro, i nostri edifici attuali sembreranno bizzarri. Come possiamo anticipare edifici di tale potenza, leggerezza, integrità strutturale, senza soluzione di continuità della superficie, trasparenza, e in continua evoluzione, crescita delle forme, la nanotecnologia molecolare rimodellerà l’ambiente antropizzato. Queste nuove peculiarità spiegano come il processo di crescita molecolare, soggetto alla progettazione architettonica si baserà su se stesso per esprimersi.” John M. Johansen, Nanoarchitecture: una nuova specie di Architettura 2008

In conclusione, abbiamo osservato come, già oggi, anche in campo architettonico si stanno realizzando le prime strutture stampate in 3D. Osservando i trend, sia tecnologici che sociali, si può notare come la tecnologia si stia evolvendo in modo esponenziale, questo ha portato alla capacità di poter rispondere sempre più velocemente alle necessità degli utenti, non solo presenti, ma anche futuri. Questa tecnologia, secondo la velocità dell’incremento tecnologico, porterà ad un cambiamento radicale dell’edilizia e di conseguenza della progettazione nel corso dei prossimi 5 anni. La rivoluzione che la stampa 3D sta creando ora supera le potenzialità che aveva il calcestruzzo armato poco più di un secolo fa e getta le basi per una futura progettazione.

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— “Looking back from the future, our present buildings will seem quaint. As we anticipate such buildings of strength, lightness, integral structure, seamless continuity of surface, transparency, and evolving, growing forms, molecular nanotechnology will reshape the man-made environment. These new characteristics explain how the molecular growth process, subject to architectural design orchestration, will insist, in its own right, to express itself.” John M. Johansen, Nanoarchitecture: a new species of Architecture2008

In conclusion we have observed how, already today, even in the field of architecture the first structures printed in 3D are being built. Examining trends, both technological and social, one can observe how technology is changing exponentially; this has led to an ability to respond ever more quickly to the needs of users, not only present, but also future. Because of the speed of technological increment, this technology will consequently bring a radical change in design and construction over the next 5 years. The revolution that 3D printing is bringing now exceeds the potential that reinforced concrete had little more than a century ago, and lays the foundations for future design. Moreover, through advanced development and the convergence of multiple innovations from other disciplines, PP

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Attraverso lo sviluppo avanzato e la convergenza di più innovazioni, provenienti da altre discipline, potremmo arrivare ad uno scenario in cui l’involucro edilizio sarà programmabile e liberamente gestibile dall’utente. L’architettura del Futuro, sarà in continuo mutamento in base alle necessità dell’uomo e dell’ambiente. Essi saranno, infatti, fortemente interconnessi, in modo intimo ma invisibile. La tecnologia sarà così evoluta da scomparire, integrandosi in modo simbiotico con l’ambiente, l’uomo e l’architettura. Con le “stampanti” nanotecnologiche, applicate all’architettura, potrebbero permettere una progettazione svincolata dai limiti delle tecniche costruttive odierne a favore di architetture più complesse ma anche più vicine ai bisogni dell’uomo. L’Architettura è sempre stata prigioniera dei suoi limiti tecnologici e fisici, se grazie ad la realtà virtuale si può spezzare il legame con la fisica del nostro mondo, con la nanotecnologia molecolare potremo spezzare il legame che l’Architettura ha con l’edilizia, e permettere a questa grande rivoluzione di occupare il posto che le spetta.

we could arrive at a scenario in which the building envelope will be programmable and freely manageable by the user. Therefore, the architecture of the future will continuously change to match to the needs of man and the environment. These will be strongly interconnected in a profound but invisible way. Technology will be so evolved that it will disppear from view, integrating itself symbiotically with the environment, man and architecture. Nanotechnology “printers” applied to architecture could enable a kind of design unfettered from the limits of today’s construction techniques, in favour of architectures that are more complex but also closer to the needs of man. Architecture has always been a prisoner of its technological and physical limits. If, thanks to virtual reality, we can remove the link with the physics of our world, with molecular nanotechnology we could also remove the link that Architecture has with construction and allow this great revolution to occupy the place it deserves.

— “Il modo migliore per predire il futuro è inventarlo” Alan Kay riunione del PARC 1971

— “The best way to predict the future is to invent it.” Alan Kay meeting of PARC 1971

Eero Saarinen TWA Flight Center

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Bibliografia Libri -Giuseppe Morabito, Scienza e arte per progettarel’innovazione in Architettura Saggio su un processo progettuale alla “Leonardo da Vinci”, Utet Libreria, 2004 -Benno Albrecht, Conservare il futuro Il pensiero della sostenibilità in architettura, Padova: Il Poligrafo, 2012 -Michio Kaku, Fisica del futuro, Come la scienza cambierà il destino dell’umanità e la nostra vita quotidiana entro il 2100, Codice, 2012 -Ray Kurzweil, la Singolarità è vicina, Apogeo, 2008 -Abbondanza, Il futuro è migliore di quanto pensiate, Peter H. Diamandis Steven Kotler, Codice Edizioni, 2012 -K. Eric Drexler, Engines Of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, Anchor Books, 1986 -John M. Johansen, A life in the continuum of modern architecture, L’arca, 1995 -John M. Johansen, Nanoarchitecture: A new species of architecture, Princeton Architectural Press, New York, 2002. -Paolo Soleri, Arcology : the city in the image of man, Cambridge, The MIT press, 1983 Articoli -Massimo Drigoli, Paola Fiamma, Architecture from nanotecnologies research vision about the future cognition of the built enviroment -Massimo Rossetti, Le nanotecnologie applicate all’edilizia, 2009 -Massimo Rossetti, 10-9 viaggio nell’ultra piccolo -Rossella Maspoli, La concretizzazione dell’immaginario tecnologico delle avanguardie -Francesca Scalisi, La nanotecnologia per l’innovazione architettonica -Giuseppe De Giovanni, Nanotecnologie per l’Architettura temporanea -Carlo Enrico Bottani, Vedere e manipolare gli atomi: dal sogno di Feynman ai materiali del futuro -Richard P. Feynman, Plenty of Room at the Bottom, 1959 -Department of Economic and Social Affairs, Population Division, WORLD POPULATION TO 2300, United Nations, New York, 2004 -Urban and Rural areas 2014, United Nations, Department of Economic and Social Affairs, Population Division Siti -http://populationpyramid.net/ -https://www.cia.gov/library/publications/the-world-factbook/ -http://www.igb.illinois.edu/ -http://www.ansa.it/sito/notizie/tecnologia/tecnologia.shtml -http://www.ted.com/talks -http://www.estropico.org/ -http://www.nanotech-now.com/ -http://unhabitat.org/ -http://populstat.info

Traduzione Dott.ssa Caterina Panardo ed Ing. Brian Roberts



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