Yaparak tasarlama: insan bilgisayar etkileşimi ile tasarım ve imalat süreçlerini bütünleştirme

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (Ph.D.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Bu araştırma, sayısal tasarım ortamlarının sunduğu faydaların sadece tasarımın temsiline ilişkin olanaklarla veya tasarım sürecinin işlemsel (hesaplamalı) yöntemlerle desteklenmesi ile sınırlı olmadığı görüşüne dayanmaktadır. Sayısal ortamın somut olan ile doğrudan ilişkiler kurmak adına da verimli olanaklar barındırdığı ve bilişim teknolojilerinin bu doğrultuda ele alınıp geliştirilmesi sayesinde tasarım eyleminin doğasına uygun sayısal tasarım araçlarının geliştirilebileceğini savunur. Bu amaçla öncelikle tasarımın bir yapma eylemi olduğu savı doğrultusunda tasarım düşüncesine ve tasarlama yöntemlerine yönelik eleştirel bir söylem önermektedir. Bu savla ilişkili olarak İnsan-Bilgisayar Etkileşimi (İBE) alanındaki güncel yaklaşımları ve anahtar kavramları tasarım perspektifinden değerlendirerek bu yaklaşım ve kavramları tasarım bilgisi bağlamında tartışır. Sonuç olarak da mevcut araç ve yöntemleri kullanarak tasarım sürecinde somut ile sayısal ortam arasında ilişkiler kuran olası bir yaklaşımı uygulamalı olarak örneklendirir. Araştırma üç ana kısımdan oluşmaktadır. Birinci kısım araştırma hedefleri ile ilgili kavramsal bir çerçeve sunar. Özellikle fenomenolojik bir bakış açısı ile tasarım sürecinde kullanılan düşünme biçimleri ve yöntemlere ilişkin eleştirel bir söylem ortaya koyar ve bu söylemle ilişkili literatüre atıfta bulunur. Sonuç olarak sezgisel becerilerin ve dokunsal etkileşimin tasarım sürecinde çok önemli hususlar olduğunu ve tasarım araştırmaları literatüründe bu kavramların önemli etkilerinin olduğunu savunur. Bunun yanı sıra daha iyi tasarım araçları geliştirilmesine yol gösterebilmek amacıyla bu kavramlar ışığında İBE araştırmalarının sunduğu temel bilgi birikimini ve bu alandaki güncel yaklaşımları aktarır. Bu kısım literatür araştırmasına dayalı kavramsal bir tartışma içermekte ve tasarım alanında görece yeni olan bazı kavram ve yaklaşımları bu alanın bilgisine dahil etmeyi hedeflemektedir. İkinci kısım İBE alanında geliştirilen uygulamaların son durumunu ortaya koyan kapsamlı bir değerlendirme sunmaktadır. Bu değerlendirme özel olarak tasarım geliştirme ve imalat alanlarında kullanılmak üzere geliştirilmiş uygulamalara odaklanır. 1960'lı yıllarda ortaya çıkan ilk örnekleri ele aldıktan sonra son 15 sene içinde geliştirilen uygulamaları tarar ve bu taramanın sonucunda taksonomik bir sınıflandırma altında analiz edilen 68 uygulamayı bir tablo halinde sunar. Tasarım geliştirme ve imalat uygulamalarında kullanılmak üzere geliştirilen İBE sistemlerinde özellikle son beş yılda önemli bir artış olduğu bu değerlendirme sonucunda gözlenmektedir. Özellikle imalat süreçlerini destekleyen İBE uygulamalarında son yıllarda önemli bir artış yaşanmıştır. Bu durumun, bilgisayar destekli imalat sistemlerinin git gide esnekleşmesi ve yaygınlaşmasından kaynaklandığı düşünülmekte ve bu sistemlerdeki gelişmelere bağlı olarak yakın gelecekte zanaat fikrini desteleyen İBE uygulamalarının daha da verimli sonuçlar otaya koyacağı öngörülmektedir. Bu genel değerlendirmenin ardından, bu uygulamalar arasında bu araştırmanın hedefleri ile en yakından ilgili olan 12 uygulamaya ilişkin daha kapsamlı bir çözümleme de yine bu kısımda yapılmıştır. Bu amaçla, özgün bir çözümleme yöntemi kullanılmış, uygulamalar barındırdıkları etkileşim tipi, kullanıcıya sundukları etkileşim yöntemleri, sundukları çıktılar ve bu araştırmanın hedefleri ile ilişkili olarak sahip oldukları maddesellik, sağlarlık, çok yönlülük ve sezgisellik değerleri göz önünde bulundurularak ele alınmıştır. Bu çözümleme sayesinde her bir etkileşim tipi ve yönteminin çıktılar ve bahsedilen değerler ile arasındaki ilişkileri gözlemek mümkün olmaktadır. Bu sayede her bir uygulamanın barındırdığı yaklaşımın fayda ve eksikleri görünür kılınarak yakın gelecekte yeni uygulamaların ilerleyebileceği olası yönler işaret edilir. Bu kısım kapsamlı bir literatür taramasına dayalı bir değerlendirme ve çözümleme içermektedir. Üçüncü kısım uygulamalı bir araştırma projesi olarak yürütülmüştür. Bu kısımda Bilgisayar Destekli Tasarım ve İmalat (CAD/CAM) teknolojilerinin kullanıldığı bir dizi deney yapılarak tasarımda kullanılabilecek yeni bir İBE uygulaması geliştirilmiştir. TIM (Tactile Interaction for Making / Yapma İçin Dokunsal Etkileşim) adı verilen bu uygulama, bir yapma eylemi olarak tasarım önerisi doğrultusunda tasarım geliştirme ve imalat aşamalarını bütünleştirmek amacıyla somut ve sayısal ortam arasında karşılıklı ilişkiler kuran melez bir tasarım aracıdır. Araştırmanın hedeflerinin uygulanabilirliğini sınamak ve tasarım eyleminin doğasına uygun etkileşim sistemleri geliştirebilmek için kullanılabilecek olası bir stratejiyi örneklemek amacıyla geliştirilmiştir. TIM sayesinde tasarımcı, somut malzemeler kullanarak bir model inşa eder. Bu süreç bir hareket kontrol aygıtı tarafından optik olarak izlenmektedir. Bu sayede tasarımcının elleri ile inşa ettiği modelin bir kopyası sayısal ortamda eş zamanlı olarak üretilir. Bununla birlikte modelin şekli sayısal ortamda geliştirilen bir algoritma sayesinde belirli parametrelere bağlı olarak optimize edilebilir ve yeniden ölçeklendirebilir. Bu şekilde üretilen sayısal model ise 3 eksenli bir masa üstü robot kola veri aktarmaktadır. Bu sayede robot kol da tasarımcının el hareketlerini verilen optimizasyon değerlerine bağlı olarak tekrar eder ve benzer bir somut modeli istenilen ölçekte tekrar üretir. Burada geliştirilen uygulama küçük ölçekli bir prototiptir ve esas amacı araştırma kapsamında öne sürülen etkileşim biçiminin nasıl gerçekleştirilebileceğini örneklemektir. Bu kapsamda tasarımcının sayısal tasarım ortamı ile dokunsal ve bedensel etkileşim kurma imkânı, tasarım düşünme süreçlerini doğrudan nesne üzerinden ve somut maddeler aracılığı ile gerçekleştirme olanağı, sayısal ortamın işlemsel becerilerini kullanarak tasarım kararlarının optimize edilmesi ve robotik imalat tekniklerinin sisteme dahil edilmesi ile tasarımın bir yapma eylemine dönüşmesi önerileri somutlaşmış olur. Araştırmanın sonuç kısmı yoğun olarak TIM'in değerlendirilmesine ve bu sayede araştırma hedeflerinin ve yönteminin gözden geçirilmesine dayanmaktadır. TIM aracılığıyla sağlanan melez etkileşim biçimlerinin kullanılabileceği olası senaryoları tartışır. Örneğin, tasarımcının davranışlarının robot tarafından bire bir tekrar edilmesi ile sonuçlanan tek yönlü bir akış sayesinde eskiz niteliğindeki üç boyutlu somut bir modelin gerçek ürüne dönüşmesi olası senaryolardan biri olarak belirmektedir. Bir diğer senaryo, tasarımcı ve robotun ardışık ve eş zamanlı hamlelerle bir ürünü birlikte üretmesini sağlayacak biçimde karşılıklı bir etkileşim kurulması şeklindedir. Üçüncü bir senaryo ise birden çok tasarımcı ve robotun, paylaşılan bir sayısal model aracılığı ile uzaktan iş birliği kurması ve birlikte bir tasarım ve imalat sürecini yürütmesi şeklinde belirmektedir. TIM aracılığı ile örneklendirilen melez araçların hangi kullanım alanlarında faydalı olabileceği de bu kısımda öne sürülmekte ve tartışılmaktadır. Bu şekilde somut ve sayısal ortamlar arasında doğrudan, organik ve karşılıklı ilişkiler kurmayı sağlayabilecek araçların öncelikle tasarım ve sanat gibi yaratıcı alanlarda kullanım alanı bulacağı öngörülmektedir. Özellikle mimarlık, ürün tasarımı, iç mimarlık veya moda tasarımı gibi 3 boyutlu somut nesnelerin üretimine odaklanan tasarım alanları ile etkileşimli yerleştirmelerden sahne sanatlarına uzanan sanat çalışmalarında bu tür etkileşim olanaklarının kullanışlı olacağı düşünülmektedir. Ayrıca yine bu alanlardaki eğitim uygulamalarının da bu tür ortamlardan beslenebileceği, özellikle eğitimde uzaktan iş birliği ve uzaktan öğrenme uygulamalarının sanat ve tasarım alanlarında da hayata geçirilmesini kolaylaştıracağı öngörülmektedir. Öte yandan bu tip araçlar insanın sezgisel becerileri ile robotik teknolojinin sunduğu pratik faydaları bir araya getirdikleri için insanın doğrudan müdahalesini gerektiren tehlikeli çalışma alanlarında da kullanılabilir. Örneğin inşaat, madencilik, havacılık, su altı çalışmaları ve tıp gibi alanlarda bu araştırmada örneklenen etkileşim biçiminin faydalı olacağı öngörülmektedir. Tüm bu değerlendirmelerin yanı sıra, ilerleyen araştırmalara yön verebilmek amacıyla uygulamanın nasıl daha da iyileştirilebileceğine yönelik yöntemsel bir tartışma da yine bu kısımda sunulmaktadır. Hem ikinci kısımda gerçekleştirilen literatür taraması ve bununla ilişkili yapılan değerlendirme, hem de üçüncü kısımda gerçekleştirilen uygulamalı araştırma projesi sayısal tasarım ortamının sadece temsili bir ortam olmadığı, ayrıca somut olan ile de derinden ilgili olduğu tezini öne sürmekte ve ispatlayabilmektedir. Özellikle İBE teknolojilerindeki güncel gelişmelerin somut ve sayısal ortamlar arasında doğrudan, organik ve karşılıklı ilişkileri mümkün kıldığını göstermektedirler. Bu sayede tasarımı bir yapma biçimi olarak tanımlamak mümkün olabilmektedir. Böylece zanaata ilişkin geleneksel ve karakteristik nitelikler tasarım düşünme süreçlerine yeniden dahil edilebilmekte ve tasarım bilgisinin örtük kısımlarının bilgisayar sistemleri desteğiyle kapsanması mümkün olabilmektedir.This research claims that that the benefits of the digital design environments are not limited to representative qualities or computational support to design thinking. It puts forward that the digital environments contain profound potentials towards integrating with the material world and that the improvements in information technologies can enable us to develop digital design tools which can suit the very nature of the act of design. To this end, it first argues a critical discourse within design thinking and methods towards an understanding of design as a form of making. Then, it introduces the key concepts and recent approaches in Human-Computer Interaction (HCI) research from a designerly perspective and reviews them within design knowledge. Eventually it demonstrates how to bridge the gap between the physical and digital environments in design process by using the existing tools and methods through an applied project. The research consists of three main parts. The first part provides a theoretical framework on the research objectives. It presents a critical discourse within design thinking and methods mainly from a phenomenological perspective and quotes the related literature. Eventually, it puts forward that intuitive skills and tactile interaction are important notions in the design process and they have profound impact in design studies. Also, it broadly introduces the recent developments in HCI research in order to quote the fundamental know-how in HCI and to guide the designers towards developing better digital design tools. This part is based on a literature review and the theoretical discussions on it and it introduces certain concepts and approaches to the field of design, in which these concepts and approaches are relatively new. The second part presents a comprehensive review of the state of the art in HCI studies which focus on design development and fabrication in order to point out the potentials in relation with the research objectives. The review starts with the early examples in 1960s and focuses on the most relevant ones which were held in the last 15 years. Accordingly, it presents a chart which lists 68 projects in a taxonomic categorization. The review points out that there is recently a significant increase in the number of HCI systems which are developed to be used in design development or fabrication. Also, there is a particular increase in the HCI systems which address fabrication in the recent years. It is suggested that the reason for this situation is that the computer aided manufacturing systems have been becoming more flexible and widespread since a couple of years. One may argue that the HCI systems which address the notion of craft will become even more widespread and efficient in the near future due to the improvements in these technologies. After the broad review, 12 projects from the list were selected for having stronger relationships with the objectives of this research. These 12 projects were analyzed for the mode of interaction they contain, the means of interaction they provide, their outputs, and their performance for providing materiality, affordance, multimodality and intuitiveness. This analysis points out the relationships between the modes and means of interaction and the properties of the outputs and performance in each project. Therefore, it points out the benefits and drawbacks in each approach and indicates the possible future directions towards developing better interactions. This part is based on a comprehensive literature review and analysis. The third part is conducted as an applied research project. In this part, an HCI application for design is developed following a series of experiments using Computer Aided Design and Manufacturing (CAD/CAM) techniques. The application is named TIM (Tactile Interaction for Making) and it is a hybrid design medium which connects physical and digital environments in order to integrate design development and fabrication towards the conception of design as an activity of making. It is developed in order to test the applicability of the research objectives and to demonstrate a potential strategy for developing better interaction systems which can suit the very nature of design thinking. TIM enables the user to build a model by using physical materials. This process is monitored by an optic motion controller device. By this means, a digital representation of the model is simultaneously generated. Additionally, the representation can be scaled and optimized following certain parameters with the help of a computer algorithm. This digital representation communicates with a desktop scale 3 axis robot arm. Therefore, the robot arm can duplicate the movements of the hands of the designer based on the optimization values and produces a physical copy of the model in the desired scale. The application which is developed in this research is a small prototype. Its main objective is to demonstrate how to realize the interaction which is proposed in this research. Eventually it embodies; the potential of tactile and bodily interactions with the digital design environment; the possibility of practicing design thinking through the object and physical materials; the benefit of optimization of design decisions with computational support; and the conception of design as an activity of making with the support of robotic systems. The conclusion of the research is mainly focused on the evaluation of TIM and the review of the research objectives and methods in relation with the qualities of the application. It argues the scenarios which can benefit from the form of hybrid interaction which is provided by TIM. For example, the first scenario appears in a form of linear workflow from the designer to the robot in which the robot identically duplicates the behaviors of the designer and derives the actual object from a three dimensional sketchy physical model. In another scenario, the designer and the robot collaborates through sequential and synchronous turns in order to produce an object together. In a third scenario, more than one designer and robot can establish remote collaboration and coordinate a design development or fabrication process together. The fields which can benefit from hybrid tools which are embodied by TIM are described and discussed in this part. It is proposed that mainly the creative fields such as design and arts can profoundly benefit from such direct, organic and mutual interactions between the physical and digital environments. Particularly design fields which are subject to the production of three dimensional objects such as architecture, product design, interior architecture and fashion design; and artistic applications from interactive installations to performing arts can make use of such hybrid media. Additionally, not only the practice but also the education in these fields can benefit from such interactions. It can particularly serve to remote collaboration in teaching and distance learning applications. On the other hand, it is suggested that this interaction can be developed towards addressing certain fields which are subject to hazardous work and still require the intuitive skills of the human. For example, fields like construction, mining, aviation, submarine and medical operations can benefit from this integration of the humanly intuitiveness and robotic functionalities. Besides these evaluations, a methodological discussion is presented towards improving the capabilities of the medium in order to guide the following research. Both the review of the state of the art and the applied research phase are able put forward and prove that digital design media is not only representative but also profoundly related with materiality. They demonstrate that particularly the new developments in HCI technologies enable direct, organic and mutual interactions between the physical and digital environments; which is a key aspect to develop better design tools. By this means, it becomes possible to reframe design as an activity of making. So that the qualities of traditional and typical craftsmanship are re-integrated into design thinking and the tacit dimensions of design knowledge are involved with the help of computer systems.DoktoraPh.D