Jeg indrømmer: hvis jeg ser en bikube, viger jeg tilbage - frisk honning for fanden. Men en del af mig er også fascineret. Bistader er en bemærkelsesværdig ingeniørkunst. Lavet af materialer fra træknopper til optygget voks, deponerer bisværme disse råingredienser i tætpakkede honningkager – hver et geometrisk mesterværk – mens de flyver i luften.
I skarp kontrast er menneskelig konstruktion langt mere landbundet. Bulldozere, komprimatorer og betonblandere er yderst effektive, og de har været rygraden i etableringen af vores infrastruktur. Men de er også klodsede, uhåndterlige og kræver veje eller andre transportmidler. Dette knæskaller deres evne til hurtigt at reagere på naturkatastrofer på øer og andre fjerntliggende steder, der har brug for hurtig hjælp, især efter nødsituationer.
Desværre har vi haft stadig hyppigere klimaeksempler. Drastiske vejerosion på grund af voldsomme naturbrande. Motorveje og broer, der smuldrer efter at være blevet gennemblødt i vand fra oversvømmelser og orkaner. Denne måned, selvom dele af Puerto Rico stadig er ved at komme sig efter orkanen Maria, blev mange hjem igen oversvømmet af orkanen Fiona.
Er der en måde, hvorpå vi hurtigt kan bygge krisecentre – eller endda huse – i svært tilgængelige områder og bedre håndtere disse nødsituationer?
I denne uge tog et hold fra Imperial College London inspiration fra bier og konstrueret en kohorte af autonome droner at 3D-printer enhver designet struktur. I lighed med en bikube fungerer hver drone uafhængigt, men de arbejder som et team. Hele flåden er døbt Aerial Additive Manufacturing (Aerial-AM).
Dronerne fungerer som bier og har hver deres roller. Nogle er bygherrerne - kaldet BuilDrones - som afsætter materiale, mens de flyver. Andre er ScanDrones, der fungerer som ledere, der løbende scanner den aktuelle build og giver feedback.
[Indlejret indhold]
I flere tests udskrev flåden flere strukturer - ved hjælp af materialer fra skum til en cementlignende goo - til millimeters nøjagtighed med minimalt menneskeligt tilsyn. Det er stadig langt fra en finesse 3D trykt hus, og mere som et barns første forsøg på keramik. Nogle strukturer ligner et rudimentært tårn; andre, en flettet kurv.
Når det er sagt, kan vi være en vej fra 3D-printerbroer i farten til at evakuere folk fra en forestående tropisk storm. Men undersøgelsen viser et skridt hen imod den mulighed. "Aerial-AM tillader fremstilling under flyvning og tilbyder fremtidige muligheder for at bygge i ubegrænsede, i højden eller svært tilgængelige steder," sagde forfatterne.
Robotkonstruktion
At bruge robotter til at hjælpe med byggeriet er ikke noget nyt. Men takket være stadig mere sofistikerede algoritmer er de blevet praktiske værktøjer i infrastrukturbranchen. En idé er at hjælpe med opgaver som at afslutte gipsplader, hvilket dramatisk reducerer den nødvendige tid. En anden er at bekæmpe boligmanglen, der plager os alle. I de seneste par år er 3D-printede huse steget fra fantasi til virkelighed - fra smukke små hjem til flere rum billige boliger.
Men det, der har manglet, er teknologiens adgang til landdistrikterne. Forestil dig jordveje fyldt med huller, ujævne på en solskinsdag og et ankeldybt mudret mareridt efter en regnstrøm. Billedhjul sidder fast i tommer af mudder, uden at du kan grave dig ud andet end en skovl. Tænk nu på at transportere massive 3D-printere eller andre byggerobotter til det nødsted.
Ikke ideelt, vel? I stedet for at kæmpe mod jorden og tyngdekraften, hvorfor så ikke flyve?
Vejrvejr stormen
Inspireret af bier tog holdet, ledet af Dr. Mirko Kovac ved Imperial College London, til himlen. Deres idé væver 3D-print sammen med selvorganiserende droner, som problemfrit bygger en "bikube" af en forprogrammeret plan.
Hovedidéen er afhængig af vores evne til at forme visse materialer efter behag – som at presse Play Dough eller stable lego. Denne proces giver os mulighed for fleksibelt at forme materialer til forskellige geometriske designs og kaldes "fri for kontinuerlig additiv fremstilling" (en mundfuld, jeg ved, så bare "AM").
Det starter med en påskønnelse af fritflyvende bygherrer i naturen. Tag hvepse. Selvom de ikke er de venligste af væsner (taler fra flere smertefulde stik), er de ret bemærkelsesværdige, fordi de er yderst effektive til at navigere deres veje for at dispensere byggemateriale. Det er som en flyvende tømrer, der bygger et skab problemfrit med en kohorte - en utrolig bedrift, som videnskabsmænd stadig forsøger at forstå.
Her spurgte holdet, om det er muligt at opnå den samme ingeniørmæssige dygtighed med en sværm af mindre robotter. Det er et hårdt problem - de fleste tidligere tilgange er kun på et "tidligt udforskende stadium," sagde holdet, med "begrænset operationshøjde."
Deres løsning var en software, Aerial-AM-ramme, der tager udgangspunkt i tidligere ingeniørideer og naturlige fortilfælde, så hver drone kunne arbejde parallelt som en sværm. Droner skulle også fungere som trofaste 3D-printere under flyvning og udsende deres placering og aktivitet til deres naboer (så der ikke ville være ekstra "isning" på en struktur). Hver var derefter udstyret til at navigere i luftrummet - uden at støde ind i hinanden - med begrænset menneskelig indblanding. Til sidst, afhængigt af den givne struktur, pressede de omhyggeligt et let, skumlignende materiale eller en printbar cementblanding ud, baseret på instruktioner.
Hjernen bag operationen er Aerial-AM, som kombinerer fysik med kunstig intelligens for at programmere to forskellige typer robotplatforme. Den ene er BuilDrone, som selvstændigt deponerer ethvert materiale baseret på dets programmering. Den anden er ScanDrone, kvalitetskontrol-bot, der scanner igangværende byggeri med computersyn. Som en leder på en byggeplads giver dette feedback til byggedronen med hvert aflejret lag.
Processen er ikke fuldstændig styret af robotter. Menneskelige supervisorer kan udnytte både produktionsstrategifasen – det vil sige den bedste måde at udskrive et materiale på – og fremstillingsfasen. Før udskrivning kørte holdet en simulering for at generere et "virtuelt print" ved hjælp af tre eller flere droner.
Som et bevis på konceptet udfordrede holdet deres 3D-printplatform, Aerial-AM, med flere former og materialer. Den ene var en cylinder over 6.5 fod høj, trykt med over 72 lag materiale lavet af polyurethanskum. En anden type BuilDrone var optimeret til en cementlignende blanding, som byggede en tynd cylinder næsten fire fod høj.
Til en sidste test hjalp seks droner med at konstruere en parabolsk overflade - billede et fingerbøl. Baseret på disse data kørte undersøgelsen derefter adskillige simuleringer og spurgte, hvordan strukturens skala og antallet af robotter ændrede den endelige konstruktion.
Samlet set kom byggesværmen ud som meget tilpasningsdygtig, ikke kun til skala og struktur, men også til robotpopulationsstørrelse. Selvom antallet af potentielle robotter steg, optimerede de deres veje for at undgå kollision, som kokke på en travl restaurant i myldretiden.
Droneholdet er endnu ikke klar til bedste sendetid. For nu har de kun vist sig at konstruere småskala strukturer. Men holdet er håbefuldt. Aerial-AM-rammen kan printe forskellige typer strukturer i en multi-robotdans uden overbelastning. Det demonstrerer "tilpasning og individuel robotredundans," sagde holdet.
Selvom det kun er de første trin, er det arbejde, der cementerer gennemførligheden af droner som luftbygningsarbejdere - dem, der en dag kunne redde liv ved at flyve ind i farlige områder. "Vi tror på, at vores flåde af droner kan hjælpe med at reducere omkostningerne og risiciene ved byggeri i fremtiden sammenlignet med traditionelle manuelle metoder," sagde Kovac.
Billedkredit: University College London, Department of Computer Science/Dr. Vijay M. Pawar & Robert Stuart-Smith, Autonomous Manufacturing Lab
