NASA has prioritized sending robots and vehicles to Mars to research the natural characteristics of the Martian environment since the 1960s, with plans to send humans to Mars by 2040 after conducting a mission to the Moon. How architects, engineers, and other professionals will assist humanity in adapting to these dynamic and unpredictable surroundings is crucial for ensuring human habitability in such severe situations. With research into the severe environments of the Moon and Mars, humanity may be able to prepare for and address future environmental concerns on Earth. It also highlights how architecture may adapt to hostile settings where people cannot exist. NASA and other universities have been developing various Mars analog simulations in preparation for a future mission. These simulations evaluate astronauts' and developed systems' habitability performance to aid humans in surviving in the hostile Martian environment. The thesis provides a systematic design approach for developing habitation concepts that can be realized in remote places when construction materials cannot be transported to the site. The research study theorized that merging generative design approaches with augmented intelligent algorithms is necessary to execute a design and construction process autonomously, overcoming distance limits, communication delays, and harsh environmental circumstances. A novel methodology for designing habitations for extreme environments was developed to give a strong foundation for this idea. Initially, the historical context of Mars explorations was established to depict humanity's future vision and provide an overview of the chronological history of Mars investigations to identify the public and private visionaries' desired exploration milestones. Following that, a detailed assessment of the findings of the exploration missions was conducted to analyze Mars' environmental conditions and establish an appropriate background for a crewed Mars exploration mission. The defined environmental forces were evaluated to transform them into habitation design parameters. In addition, potential landing sites for a crewed Mars mission were analyzed to give a comparative analysis highlighting the benefits and hazards of each site. In addition, the results of three distinct landing site selection methodologies were combined to determine the optimal landing site for a future Mars mission. After extensive evaluations of the Mars environment and potential landing sites, attempts were made to define habitability and human factors by adopting graph-data science approaches to analyze Mars analog missions' habitation projects. Illustrating the findings was a direction for the designer's future research. Habitation technologies and advancement studies were provided to establish the design criteria for a fully operational and sustainable Mars surface habitation. In addition, the winning Mars habitation designs for NASA's 3-D Printed Habitat Challenge were examined to identify the design requirements and technologies required to construct a Mars habitat. After defining design criteria, human considerations, and environmental conditions on Mars, a novel design process was developed to address each design problem for Mars habitation. The tools and approaches to defining the novel design methodology based on autonomous processes were established and extensively addressed. As a subsequent step, the established design methodology was applied to three habitation projects to evaluate its viability and validity. The conclusion of the dissertation includes an explanation of the dissertation's contributions to the literature and questions for future research. For the purpose of evaluating the thesis's results, the future applications and implications of architectural design approaches are examined critically.
La NASA ha dato la priorità all'invio di robot e veicoli su Marte per ricercare le caratteristiche naturali dell'ambiente marziano sin dagli anni '60, con piani per inviare esseri umani su Marte entro il 2040 dopo aver condotto una missione sulla Luna. Il modo in cui architetti, ingegneri e altri professionisti aiuteranno l'umanità ad adattarsi a questi ambienti dinamici e imprevedibili è fondamentale per garantire l'abitabilità umana in situazioni così gravi. Con la ricerca sugli ambienti difficili della Luna e di Marte, l'umanità potrebbe essere in grado di prepararsi e affrontare le future preoccupazioni ambientali sulla Terra. Evidenzia anche come l'architettura possa adattarsi a contesti ostili in cui le persone non possono esistere. La NASA e altre università hanno sviluppato varie simulazioni analogiche su Marte in preparazione di una futura missione. Queste simulazioni valutano le prestazioni di abitabilità degli astronauti e dei sistemi sviluppati per aiutare gli esseri umani a sopravvivere nell'ostile ambiente marziano. La tesi fornisce un approccio progettuale sistematico per lo sviluppo di concetti abitativi che possono essere realizzati in luoghi remoti quando i materiali da costruzione non possono essere trasportati sul sito. Lo studio di ricerca ha teorizzato che la fusione di approcci di progettazione generativa con algoritmi intelligenti aumentati è necessaria per eseguire autonomamente un processo di progettazione e costruzione, superando i limiti di distanza, i ritardi di comunicazione e le difficili circostanze ambientali. Per dare una solida base a questa idea è stata sviluppata una nuova metodologia per la progettazione di abitazioni per ambienti estremi. Inizialmente, il contesto storico delle esplorazioni su Marte è stato stabilito per rappresentare la visione futura dell'umanità e fornire una panoramica della storia cronologica delle indagini su Marte per identificare le pietre miliari dell'esplorazione desiderate dai visionari pubblici e privati. Successivamente, è stata condotta una valutazione dettagliata dei risultati delle missioni di esplorazione per analizzare le condizioni ambientali di Marte e stabilire un background appropriato per una missione di esplorazione di Marte con equipaggio. Le forze ambientali definite sono state valutate per trasformarle in parametri di progettazione abitativa. Inoltre, sono stati analizzati potenziali siti di atterraggio per una missione su Marte con equipaggio per fornire un'analisi comparativa che evidenzi i vantaggi ei rischi di ciascun sito. Inoltre, i risultati di tre distinte metodologie di selezione del sito di atterraggio sono stati combinati per determinare il sito di atterraggio ottimale per una futura missione su Marte. Dopo ampie valutazioni dell'ambiente marziano e dei potenziali siti di atterraggio, sono stati fatti tentativi per definire l'abitabilità e i fattori umani adottando approcci di scienza dei dati grafici per analizzare i progetti abitativi delle missioni analogiche su Marte. Illustrare i risultati è stata una direzione per la ricerca futura del designer. Sono state fornite tecnologie abitative e studi di avanzamento per stabilire i criteri di progettazione per un'abitazione sulla superficie di Marte pienamente operativa e sostenibile. Inoltre, sono stati esaminati i progetti vincitori delle abitazioni su Marte per la 3-D Printed Habitat Challenge della NASA per identificare i requisiti di progettazione e le tecnologie necessarie per costruire un habitat su Marte. Dopo aver definito i criteri di progettazione, le considerazioni umane e le condizioni ambientali su Marte, è stato sviluppato un nuovo processo di progettazione per affrontare ogni problema di progettazione per l'abitazione su Marte. Gli strumenti e gli approcci per definire la nuova metodologia di progettazione basata su processi autonomi sono stati stabiliti e ampiamente affrontati. Come passo successivo, la metodologia di progettazione stabilita è stata applicata a tre progetti abitativi per valutarne la fattibilità e la validità. La conclusione della tesi include una spiegazione dei contributi della tesi alla letteratura e domande per la ricerca futura. Al fine di valutare i risultati della tesi, vengono esaminate criticamente le applicazioni e le implicazioni future degli approcci alla progettazione architettonica.
Machine learning-aided generative design methodology for a Mars habitation
DEDE, GOKHAN
2022/2023
Abstract
NASA has prioritized sending robots and vehicles to Mars to research the natural characteristics of the Martian environment since the 1960s, with plans to send humans to Mars by 2040 after conducting a mission to the Moon. How architects, engineers, and other professionals will assist humanity in adapting to these dynamic and unpredictable surroundings is crucial for ensuring human habitability in such severe situations. With research into the severe environments of the Moon and Mars, humanity may be able to prepare for and address future environmental concerns on Earth. It also highlights how architecture may adapt to hostile settings where people cannot exist. NASA and other universities have been developing various Mars analog simulations in preparation for a future mission. These simulations evaluate astronauts' and developed systems' habitability performance to aid humans in surviving in the hostile Martian environment. The thesis provides a systematic design approach for developing habitation concepts that can be realized in remote places when construction materials cannot be transported to the site. The research study theorized that merging generative design approaches with augmented intelligent algorithms is necessary to execute a design and construction process autonomously, overcoming distance limits, communication delays, and harsh environmental circumstances. A novel methodology for designing habitations for extreme environments was developed to give a strong foundation for this idea. Initially, the historical context of Mars explorations was established to depict humanity's future vision and provide an overview of the chronological history of Mars investigations to identify the public and private visionaries' desired exploration milestones. Following that, a detailed assessment of the findings of the exploration missions was conducted to analyze Mars' environmental conditions and establish an appropriate background for a crewed Mars exploration mission. The defined environmental forces were evaluated to transform them into habitation design parameters. In addition, potential landing sites for a crewed Mars mission were analyzed to give a comparative analysis highlighting the benefits and hazards of each site. In addition, the results of three distinct landing site selection methodologies were combined to determine the optimal landing site for a future Mars mission. After extensive evaluations of the Mars environment and potential landing sites, attempts were made to define habitability and human factors by adopting graph-data science approaches to analyze Mars analog missions' habitation projects. Illustrating the findings was a direction for the designer's future research. Habitation technologies and advancement studies were provided to establish the design criteria for a fully operational and sustainable Mars surface habitation. In addition, the winning Mars habitation designs for NASA's 3-D Printed Habitat Challenge were examined to identify the design requirements and technologies required to construct a Mars habitat. After defining design criteria, human considerations, and environmental conditions on Mars, a novel design process was developed to address each design problem for Mars habitation. The tools and approaches to defining the novel design methodology based on autonomous processes were established and extensively addressed. As a subsequent step, the established design methodology was applied to three habitation projects to evaluate its viability and validity. The conclusion of the dissertation includes an explanation of the dissertation's contributions to the literature and questions for future research. For the purpose of evaluating the thesis's results, the future applications and implications of architectural design approaches are examined critically.| File | Dimensione | Formato | |
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