Design for hybrid material systems. A material augmentation framework for meaningful experiences

This dissertation presents a Doctoral Research project focused on the emerging field of Hybrid Material Systems, i.e., material-based systems combining inactive materials, smart material components, and embedded sensing, computing and actuating technologies. They mainly perform shapeshifting, light-emitting, and colour-changing behaviours. They arise as potential enablers of meaningful dynamic and interactive experiences as tangible interfaces in a diversity of applications, from smart and conversational objects to wearable devices, from autonomous driving to interactive environments. Still, such materials are at their experimental and prototypical stage. In the past and present days, the practice of design has always facilitated the development, integration, and appreciation of materials. However, the design space lacks a systematized set of directions and a roadmap to approach the specific requirements of these materials. In particular, a focus of the research focuses on Hybrid Material Systems based on alternative bio-based materials with embedded electronics and smart components, which offers a great potential as a raw material for tinkering and iterative experimentation, soft robotics, and ephemeral interfaces applications, by complying with the requirements of sustainability and circularity, and responding to the demand for more sustainable materials. Although designers and laboratories around the world are experimenting with these material systems, the results are still in the form of underdeveloped prototypes and experimental demonstrators. Technological limitations related to the seamless integration of components in the materials still exist, but in a future perspective are going to be solved with the increasing miniaturization of technologies and alternative energy supplies. For this reason, the research adopts a speculative dimension, considering miniaturization of technologies and hybridization of disciplines that will lead to the development of materials with increasingly integrated technology. Besides technological aspects, one emerging and crucial challenge is identifying meaningful and purposeful ways for materials augmentation. The seamless combination of components into a material system might enable less intrusive and more inclusive experiences, a more immediate and responsive interaction, and sustainable integration of technologies into everyday practice. However, they also imply complex and novel experiences that designers need to comprehend and master to design or integrate them into applications that foster people’s appreciation and acceptance. Materials Experience appears as a key notion for their understanding, augmentation, and integration into a concept artefact. The purpose of the research is to develop a framework to understand and design for Hybrid Material Systems, considering procedures, tools, methods, and guidelines to enable design practitioners and students to understand, ideate, and design them, considering the collaboration with other expertise. To build the framework, a set of studies based on interviews, questionnaires, and observations, preceded by preliminary studies and case studies has been performed, using a mixed-methods design. The resulting guidelines, tools, and methods are progressively tested and updated, through design workshops and personal experimentation, i.e. research-through-design. The outcomes of the research are a body of knowledge around the topic, formalized in a methodological framework to design for Hybrid Material Systems, through material augmentation for meaningful experiences. This contributes to informing and updating the current theoretical and methodological framework for materials design, considering methods, tools, and enablement for practice and education.

Il progetto di ricerca di dottorato è incentrato sul campo emergente dei sistemi materiali ibridi, cioè sistemi basati su materiali che combinano materiali inattivi, componenti di materiali intelligenti e tecnologie incorporate di rilevamento, calcolo e attuazione. Eseguono principalmente comportamenti di mutamento di forma, emissione di luce e cambiamento di colore. Si presentano come potenziali abilitatori di esperienze dinamiche e interattive significative come interfacce tangibili in una diversità di applicazioni, dagli oggetti intelligenti e conversazionali ai dispositivi indossabili, dalla guida autonoma agli ambienti interattivi. Ancora, tali materiali sono al loro stadio sperimentale e prototipale. Nel passato e nel presente, la pratica del design ha sempre facilitato lo sviluppo, l'integrazione e l'apprezzamento dei materiali. Tuttavia, lo spazio del design manca di un insieme sistematizzato di direzioni per approcciare i requisiti specifici di questi materiali. In particolare, un focus della ricerca si concentra sui sistemi di materiali ibridi basati su materiali alternativi a base biologica con elettronica incorporata e componenti intelligenti, che offre un grande potenziale come materia prima per il tinkering e la sperimentazione iterativa, la robotica morbida e le applicazioni di interfacce effimere, rispettando i requisiti di sostenibilità e circolarità, e rispondendo alla domanda di materiali più sostenibili. Anche se i designer e i laboratori di tutto il mondo stanno sperimentando questi sistemi di materiali, sono ancora sotto forma di prototipi sottosviluppati e dimostratori sperimentali. Le limitazioni tecnologiche relative all'integrazione senza soluzione di continuità dei componenti nei materiali esistono ancora, ma in una prospettiva futura stanno per essere risolte con la crescente miniaturizzazione delle tecnologie e le forniture di energia alternativa. Per questo motivo, la ricerca adotta una dimensione speculativa, considerando la miniaturizzazione delle tecnologie e l'ibridazione delle discipline che porteranno allo sviluppo di materiali con tecnologia sempre più integrata. Oltre agli aspetti tecnologici, una sfida emergente e cruciale è identificare modi significativi e propositivi per l'aumento dei materiali. La combinazione senza soluzione di continuità dei componenti in un sistema materiale potrebbe consentire esperienze meno intrusive e più inclusive, un'interazione più immediata e reattiva, e un'integrazione sostenibile delle tecnologie nella pratica quotidiana. Tuttavia, implicano anche esperienze complesse e nuove che i designer devono comprendere e padroneggiare per progettarle o integrarle in applicazioni che favoriscano l'apprezzamento e l'accettazione delle persone. L'esperienza dei materiali appare come una nozione chiave per la loro comprensione, incremento e integrazione in un artefatto concettuale. Lo scopo della ricerca è quello di sviluppare un quadro di riferimento per la progettazione di sistemi materiali ibridi, considerando procedure, strumenti, metodi e in particolare linee guida per consentire ai professionisti e agli studenti del design di comprenderli, concettualizzarli, progettarli e realizzarli, considerando ancora la collaborazione con altre competenze. Per costruire il quadro di riferimento, è stata eseguita una serie di studi basati su interviste, questionari e osservazioni, preceduti da studi preliminari, utilizzando un design a metodi misti. Le linee guida, gli strumenti e i metodi risultanti sono stati progressivamente applicati ed estesi in studi di caso, attraverso laboratori di design e attività con studenti e professionisti, cioè la ricerca attraverso il design. I prodotti della ricerca sono un corpo di conoscenze intorno all'argomento, formalizzato in un quadro di progettazione per i sistemi materiali ibridi. Questo può contribuire a informare e aggiornare l'attuale quadro teorico e metodologico per la progettazione dei materiali, considerando metodi, strumenti e abilitazione per la pratica e l'istruzione.