Ich gebe zu: Wenn ich einen Bienenstock sehe, ziehe ich mich zurück – verdammt noch mal frischer Honig. Aber ein Teil von mir ist auch fasziniert. Bienenstöcke sind eine bemerkenswerte technische Meisterleistung. Bienenschwärme, die aus Materialien von Baumknospen bis hin zu zerkautem Wachs bestehen, lagern diese rohen Zutaten in dicht gepackten Waben ab – jede ein geometrisches Meisterwerk – während sie in der Luft fliegen.
Im krassen Gegensatz dazu ist menschliches Bauen viel landgebundener. Bulldozer, Verdichter und Betonmischer sind äußerst effektiv und bilden das Rückgrat für den Aufbau unserer Infrastruktur. Aber sie sind auch sperrig, unhandlich und erfordern Straßen oder andere Transportmittel. Dies beeinträchtigt ihre Fähigkeit, schnell auf Naturkatastrophen auf Inseln und anderen abgelegenen Orten zu reagieren, die schnelle Hilfe benötigen, insbesondere nach Notfällen.
Leider haben wir immer häufiger Klimabeispiele. Drastische Straßenerosion wegen wütender Waldbrände. Autobahnen und Brücken, die bröckeln, nachdem sie von Überschwemmungen und Wirbelstürmen durchnässt wurden. Auch wenn sich Teile von Puerto Rico noch immer von Hurrikan Maria erholen, wurden in diesem Monat viele Häuser erneut von Hurrikan Fiona überschwemmt.
Gibt es eine Möglichkeit, in schwer zugänglichen Gebieten schnell Notunterkünfte – oder sogar Häuser – zu bauen und diese Notfälle besser zu bewältigen?
Diese Woche ließ sich ein Team vom Imperial College London von Bienen inspirieren und eine Kohorte von autonomen Drohnen entwickelt dass 3D jede entworfene Struktur druckt. Ähnlich wie bei einem Bienenstock agiert jede Drohne unabhängig voneinander, aber sie arbeiten als Team. Die gesamte Flotte trägt den Namen Aerial Additive Manufacturing (Aerial-AM).
Die Drohnen verhalten sich wie Bienen und haben jeweils unterschiedliche Rollen. Einige sind die Erbauer – genannt BuilDrones – die Material ablagern, während sie fliegen. Andere sind ScanDrones, die als Manager fungieren, die den aktuellen Build kontinuierlich scannen und Feedback geben.
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In mehreren Tests druckte die Flotte mehrere Strukturen – unter Verwendung von Materialien von Schaum bis zu einer zementartigen Schmiere – mit minimaler menschlicher Aufsicht millimetergenau. Von einer Finesse ist sie noch weit entfernt 3D gedrucktes Haus, und eher wie der erste Töpferversuch eines Kindes. Einige Strukturen ähneln einem rudimentären Turm; andere, ein geflochtener Weidenkorb.
Allerdings könnten wir einen Weg vom fliegenden 3D-Druck von Brücken zur Evakuierung von Menschen vor einem bevorstehenden Tropensturm finden. Aber die Studie zeigt einen Schritt in Richtung dieser Möglichkeit. „Aerial-AM ermöglicht die Fertigung während des Fluges und bietet zukünftige Möglichkeiten für das Bauen an unbegrenzten, hoch gelegenen oder schwer zugänglichen Orten“, sagten die Autoren.
Roboterbau
Dass Roboter beim Bauen helfen, ist nichts Neues. Aber dank immer ausgefeilterer Algorithmen sind sie zu praktischen Werkzeugen im Infrastrukturgeschäft geworden. Eine Idee ist, bei Aufgaben wie der Fertigstellung von Trockenbauwänden zu helfen und so den Zeitaufwand drastisch zu reduzieren. Ein anderer ist der Kampf gegen die Wohnungsnot, die uns alle plagt. In den letzten Jahren sind 3D-gedruckte Häuser von der Fantasie zur Realität emporgeschossen – von wunderschöne kleine Häuser zu Multi-Room erschwingliche Häuser.
Aber was bisher gefehlt hat, ist der Zugang der Technologie zu ländlichen Gebieten. Stellen Sie sich mit Schlaglöchern gefüllte unbefestigte Straßen vor, holprig an einem sonnigen Tag und einen knöcheltiefen schlammigen Albtraum nach einem Sturzbach. Stellen Sie sich Räder vor, die zentimeterweise im Schlamm stecken und keine andere Möglichkeit haben, sich auszugraben, als eine Schaufel. Denken Sie jetzt daran, riesige 3D-Drucker oder andere Bauroboter zu diesem Notfallort zu transportieren.
Nicht optimal, oder? Warum nicht fliegen, anstatt gegen Erde und Schwerkraft zu kämpfen?
Den Sturm überstehen
Inspiriert von Bienen stieg das Team unter der Leitung von Dr. Mirko Kovac vom Imperial College London in die Lüfte. Ihre Idee verwebt 3D-Druck mit selbstorganisierenden Drohnen, die nahtlos einen „Bienenstock“ aus einem vorprogrammierten Bauplan aufbauen.
Die Hauptidee beruht auf unserer Fähigkeit, bestimmte Materialien nach Belieben zu formen – wie das Zusammendrücken von Knete oder das Stapeln von Legos. Dieser Prozess ermöglicht es uns, Materialien flexibel in verschiedene geometrische Designs zu formen, und wird als „frei von kontinuierlicher additiver Fertigung“ bezeichnet (ein Schluck, ich weiß, also nur „AM“).
Es beginnt mit einer Wertschätzung für frei fliegende Baumeister in freier Wildbahn. Nehmen Sie Wespen. Obwohl sie nicht die freundlichsten Kreaturen sind (was von mehreren schmerzhaften Stichen spricht), sind sie ziemlich bemerkenswert, da sie sehr effizient darin sind, ihre Wege zur Abgabe von Baumaterial zu navigieren. Es ist wie ein fliegender Zimmermann, der nahtlos mit einer Kohorte ein Kabinett baut – eine unglaubliche Leistung, die Wissenschaftler immer noch zu verstehen versuchen.
Hier fragte das Team, ob es möglich ist, die gleiche Ingenieurleistung mit einem Schwarm kleinerer Roboter zu erreichen. Es ist ein schwieriges Problem – die meisten bisherigen Ansätze befinden sich nur in einer „frühen Erkundungsphase“, sagte das Team, mit „begrenzter Betriebshöhe“.
Ihre Lösung war eine Software, ein Aerial-AM-Framework, das auf frühere technische Ideen und natürliche Präzedenzfälle zurückgreift, sodass jede Drohne parallel als Schwarm arbeiten kann. Drohnen mussten während des Fluges auch als treue 3D-Drucker fungieren und ihren Standort und ihre Aktivitäten an ihre Nachbarn senden (damit es kein zusätzliches „Sahnehäubchen“ auf einer Struktur gibt). Jeder wurde dann so ausgerüstet, dass er mit begrenztem menschlichem Eingriff durch den Luftraum navigieren konnte, ohne sich gegenseitig zu stoßen. Schließlich drückten sie je nach vorgegebener Struktur nach Anleitung ein leichtes, schaumartiges Material oder eine druckbare Zementmischung vorsichtig aus.
Das Gehirn hinter der Operation ist Aerial-AM, das Physik mit KI kombiniert, um zwei verschiedene Arten von Flugroboterplattformen zu programmieren. Eine davon ist die BuilDrone, die aufgrund ihrer Programmierung selbstständig beliebiges Material ablegt. Der andere ist ScanDrone, der Qualitätskontroll-Bot, der die laufende Konstruktion mit Computer Vision scannt. Wie ein Manager auf einer Baustelle gibt dieser mit jeder abgelegten Schicht Feedback an die Baudrohne.
Der Prozess wird nicht vollständig von Robotern ausgeführt. Menschliche Vorgesetzte können sowohl die Herstellungsstrategiephase – also die beste Art, ein Material zu drucken – als auch die Herstellungsphase nutzen. Vor dem Drucken führte das Team eine Simulation durch, um mit drei oder mehr Drohnen einen „virtuellen Druck“ zu erzeugen.
Als Machbarkeitsnachweis forderte das Team seine 3D-Druckplattform Aerial-AM mit mehreren Formen und Materialien heraus. Einer war ein Zylinder, der über 6.5 Fuß hoch war und mit über 72 Materialschichten aus Polyurethanschaum bedruckt war. Ein anderer Typ von BuilDrone wurde für eine zementähnliche Mischung optimiert, die einen dünnen, fast XNUMX m hohen Zylinder bildete.
Für einen abschließenden Test halfen sechs Drohnen dabei, eine parabolische Oberfläche zu konstruieren – stellen Sie sich einen Fingerhut vor. Basierend auf diesen Daten führte die Studie dann mehrere Simulationen durch, um zu fragen, wie der Maßstab der Struktur und die Anzahl der Roboter den letztendlichen Bau veränderten.
Insgesamt erwies sich der Konstruktionsschwarm als äußerst anpassungsfähig, nicht nur in Bezug auf Skalierung und Struktur, sondern auch in Bezug auf die Größe der Roboterpopulation. Selbst als die Zahl der potenziellen Roboter zunahm, optimierten sie ihre Wege, um Kollisionen zu vermeiden, wie Köche in einem geschäftigen Restaurant während der Hauptverkehrszeit.
Das Drohnenkommando ist noch nicht bereit für die Hauptsendezeit. Bisher haben sie nur gezeigt, dass sie kleine Strukturen konstruieren. Aber das Team ist zuversichtlich. Das Aerial-AM-Framework kann verschiedene Arten von Strukturen in einem Multi-Roboter-Tanz ohne Überlastung drucken. Es demonstriert „Anpassung und individuelle Roboterredundanz“, sagte das Team.
Obwohl dies nur die ersten Schritte sind, ist es Arbeit, die die Machbarkeit von Drohnen als Bauarbeiter in der Luft festigt – diejenigen, die eines Tages Leben retten könnten, indem sie in gefährliche Gebiete fliegen. „Wir glauben, dass unsere Drohnenflotte dazu beitragen könnte, die Kosten und Risiken des Bauens in der Zukunft im Vergleich zu herkömmlichen manuellen Methoden zu senken“, sagte Kovac.
Bildquelle: University College London, Fachbereich Informatik/Dr. Vijay M. Pawar & Robert Stuart-Smith, Autonomous Manufacturing Lab
