Hoewel gevels kunnen worden beschouwd als de huid van een gebouw, reageren de huidige gevelsystemen, in tegenstelling tot hun biologische voorbeelden, niet als holistische organismen op externe prikkels. In zijn promotieonderzoek heeft Jens Böke een conceptueel kader vastgesteld voor zogenaamde cyber-fysieke gevels, waarmee een nieuwe generatie slimme gevels mogelijk wordt: ThinkingSkins.
In dit onderzoek identificeert Böke potentieel adaptieve en prestatiegerichte functies als bouwstenen voor zulke cyber-fysieke systemen en onderzoekt hij de huidige randvoorwaarden in de bouwpraktijk. Een prototype laat een mogelijke architectuur zien en toont de mogelijkheden die de coördinatie van gevelfuncties biedt.
Er bestaan al adaptieve gevels waarin automatisering is toegepast. Zulke gevels kunnen bijvoorbeeld zonweringen automatisch laten zakken en optrekken of de ramen openen en sluiten naar aanleiding van de klimaatomstandigheden. Zulke functies worden echter doorgaans hiërarchisch georganiseerd en centraal geregeld. Holistische, adaptieve systemen zouden als één geheel reageren op de diverse stimulansen uit de omgeving, maar deze komen nog weinig voor. Dit is een gemiste optimalisatiekans, omdat intelligente coördinatie tussen geautomatiseerde gevelfuncties een bijdrage kan leveren aan de energetische prestaties en het geboden comfort in het gebouw. “We zien de gebouwde omgeving nog steeds voornamelijk als een statisch eindproduct van ontwerpprocessen. De huidige digitalisering en toenemende automatisering vragen om een nieuw begrip van gebouwen als dynamische processen”, zegt Böke. “Het is mijn visie om gevels van goed gecoördineerde adaptieve functies te voorzien. Het leidende concept van een ThinkingSkin is het idee van zelfstandig handelen gebaseerd op de verwerking van een uitgebreide verzameling omgevingsinformatie.”
De grootste uitdaging is de wisselwerking tussen diverse gevelfuncties. Soms ondersteunen deze elkaar en soms zijn ze aan elkaar tegengesteld. Hoe kunnen gevelfuncties als één geheel reageren op veranderende omstandigheden en behoeften? Böke ziet een oplossing in gedecentraliseerde cyber-fysieke systemen. Deze worden gekenmerkt door de hechte integratie van de fysieke onderdelen met de digitale regeling op cyberniveau. Zulke systemen worden al in veel toepassingsgebieden geïmplementeerd. Voorbeelden hiervan zijn autonoom rijden in de transportsector, slimme chirurgie in de zorg en slimme energienetwerken. In de industrie leiden cyber-fysieke systemen tot Industrie 4.0, een nieuw ontwikkelingsstadium waarin dankzij verbindingen en samenwerking tussen afzonderlijke productie-installaties de flexibiliteit en productiviteit worden vergroot. Böke zegt: “De bouwsector is wat langzamer, maar mijn onderzoek wijst uit dat cyber-fysieke systemen vergelijkbare, veelbelovende toepassingsmogelijkheden voor gevels bieden.”
Het prototype laat de veelbelovende mogelijkheden duidelijk zien. Het bestaat uit elf modules die de gevelfuncties vertegenwoordigen: natuurlijke en mechanische ventilatie, zonwering en verwarming en koeling. Elke module is voorzien van sensoren die informatie over de omgeving verzamelen. Deze meten bijvoorbeeld de lichtintensiteit, geluid, CO2, temperatuur en vochtigheid en registreren de aanwezigheid van mogelijke gebruikers. De verzamelde informatie wordt lokaal door NodeMcu-microcontrollers in feedbacklussen verwerkt en in het gehele systeem uitgewisseld via het communicatieprotocol MQTT. Deze communicatie maakt gecoördineerde reacties van het systeem mogelijk die uiteindelijk door geïntegreerde actuators en fysieke apparaten worden aangestuurd. De mechanische ventilatie wordt met computerventilatoren zichtbaar gemaakt, de zonwering met gemotoriseerde zonweringssystemen, en gekleurde leds staan voor verwarming of koeling. Alle geïmplementeerde gevelfuncties zijn verbonden met een ‘digitale kopie’, een exacte digitale voorstelling van het systeem die alle processen bewaakt.
Het prototype is getest op basis van verschillende samenwerkingsscenario’s, waarin de afzonderlijke gevelfuncties elkaar aanvullen, informeren of overrulen. Hoewel de simulatie en meting van de feitelijke energetische bijdrage van zulke automatiseringsconcepten nog geen onderdeel uitmaakte van het onderzoeksproject, wekt de succesvolle implementatie van het prototype hoge verwachtingen ten aanzien van cyber-fysieke gevels. Met het oog op redundante sensoren kunnen microcontrollers en actuators wellicht ook een bijdrage leveren aan de betrouwbaarheid van de automatisering.
Terugkijkend op zijn project ziet Böke de toepassing van cyber-fysieke systemen als een eerste stap richting het overkoepelende idee van ThinkingSkins. Zijn promotieonderzoek legt de basis voor verder onderzoek. Böke zegt: “In mijn beleving zullen ThinkingSkins een nieuw niveau van autonomie bereiken dankzij uitgebreid toegepaste kunstmatige intelligentie en mogelijkheden voor machine learning.” Dit kan ook leiden tot nieuwe ethische vragen met betrekking tot de mogelijke rolverdeling tussen menselijke belangen en de werking van gevels als intelligente machines.”