Je l'avoue : si je vois une ruche, je recule – au diable le miel frais. Mais une partie de moi est aussi fascinée. Les ruches sont une remarquable prouesse d'ingénierie. Fabriqués à partir de matériaux allant des bourgeons d'arbres à la cire mâchée, des essaims d'abeilles déposent ces ingrédients bruts dans des nids d'abeilles densément emballés - chacun un chef-d'œuvre géométrique - tout en volant dans les airs.
À l'opposé, la construction humaine est beaucoup plus liée à la terre. Les bulldozers, les compacteurs et les bétonnières sont très efficaces et ils ont été l'épine dorsale de l'établissement de notre infrastructure. Mais ils sont aussi encombrants, peu maniables et nécessitent des routes ou d'autres moyens de transport. Cela limite leur capacité à réagir rapidement aux catastrophes naturelles sur les îles et autres endroits éloignés qui ont besoin d'une aide rapide, en particulier après des situations d'urgence.
Malheureusement, nous avons eu des exemples climatiques de plus en plus fréquents. Érosions drastiques des routes en raison des incendies de forêt qui font rage. Des autoroutes et des ponts qui s'effondrent après avoir été trempés dans l'eau des inondations et des ouragans. Ce mois-ci, alors même que certaines parties de Porto Rico se remettent encore de l'ouragan Maria, de nombreuses maisons ont de nouveau été inondées par l'ouragan Fiona.
Existe-t-il un moyen de construire rapidement des abris, voire des maisons, dans des zones difficiles d'accès et de mieux faire face à ces urgences ?
Cette semaine, une équipe de l'Imperial College de Londres s'est inspirée des abeilles et a conçu une cohorte de drones autonomes qui imprime en 3D n'importe quelle structure conçue. Semblable à une ruche d'abeilles, chaque drone agit indépendamment, mais ils travaillent en équipe. L'ensemble de la flotte est baptisé Aerial Additive Manufacturing (Aerial-AM).
Agissant comme des abeilles, les drones ont chacun des rôles différents. Certains sont les constructeurs - surnommés BuildDrones - qui déposent du matériel pendant leur vol. D'autres sont des ScanDrones, qui agissent en tant que gestionnaires qui analysent en permanence la version actuelle et fournissent des commentaires.
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Lors de plusieurs tests, la flotte a imprimé plusieurs structures - en utilisant des matériaux allant de la mousse à une pâte ressemblant à du ciment - avec une précision millimétrique avec une supervision humaine minimale. C'est encore loin d'être raffiné 3D maison imprimée, et plus comme la première tentative de poterie d'un enfant. Certaines structures ressemblent à une tour rudimentaire ; d'autres, un panier en osier tressé.
Cela dit, nous sommes peut-être un moyen d'imprimer des ponts en 3D à la volée pour évacuer les gens d'une tempête tropicale imminente. Mais l'étude montre un pas vers cette possibilité. "Aerial-AM permet la fabrication en vol et offre de futures possibilités de construction dans des endroits illimités, en hauteur ou difficiles d'accès", ont déclaré les auteurs.
Construction de robots
L'utilisation de robots pour aider à la construction n'a rien de nouveau. Mais grâce à des algorithmes de plus en plus sophistiqués, ils sont devenus des outils pratiques dans le domaine des infrastructures. Une idée est d'aider à des tâches telles que la finition des cloisons sèches, ce qui réduit considérablement le temps nécessaire. Une autre consiste à lutter contre la pénurie de logements qui nous afflige tous. Au cours des dernières années, les maisons imprimées en 3D sont passées de la fantaisie à la réalité, de magnifiques petites maisons à multi-pièces maisons abordables.
Mais ce qui fait défaut, c'est l'accès de la technologie aux zones rurales. Imaginez des chemins de terre remplis de nids-de-poule, cahoteux par une journée ensoleillée et un cauchemar boueux jusqu'aux chevilles après un torrent de pluie. Imaginez des roues coincées dans des pouces de boue, sans autre moyen de vous creuser qu'une pelle. Pensez maintenant à transporter des imprimantes 3D massives ou d'autres robots de construction vers ce site d'urgence.
Pas idéal, hein ? Plutôt que de combattre la terre et la gravité, pourquoi ne pas voler ?
Résister à la tempête
Inspirée par les abeilles, l'équipe, dirigée par le Dr Mirko Kovac de l'Imperial College de Londres, s'est envolée. Leur idée associe l'impression 3D à des drones auto-organisés, qui construisent de manière transparente une "ruche" d'un plan préprogrammé.
L'idée principale repose sur notre capacité à façonner certains matériaux à volonté, comme presser de la pâte à modeler ou empiler des Legos. Ce processus nous permet de mouler de manière flexible des matériaux dans différentes conceptions géométriques, et est surnommé "sans fabrication additive continue" (une bouchée, je sais, donc juste "AM").
Cela commence par une appréciation des constructeurs de vol libre dans la nature. Prenez des guêpes. Bien qu'ils ne soient pas les plus sympathiques des créatures (parlant de plusieurs piqûres douloureuses), ils sont plutôt remarquables en ce sens qu'ils sont très efficaces pour naviguer sur leurs chemins pour distribuer des matériaux de construction. C'est comme un charpentier volant qui construit une armoire de manière transparente avec une cohorte - un exploit incroyable que les scientifiques essaient encore de comprendre.
Ici, l'équipe a demandé s'il était possible de réaliser les mêmes prouesses d'ingénierie avec un essaim de robots plus petits. C'est un problème difficile - la plupart des approches précédentes n'en sont qu'à un "stade exploratoire précoce", a déclaré l'équipe, avec "une hauteur opérationnelle limitée".
Leur solution était un logiciel, le cadre Aerial-AM qui puise dans les idées d'ingénierie précédentes et les précédents naturels afin que chaque drone puisse fonctionner en parallèle comme un essaim. Les drones devaient également agir comme de fidèles imprimantes 3D en vol, diffusant leur emplacement et leur activité à leurs voisins (il n'y aurait donc pas de « glaçage » supplémentaire sur une structure). Chacun était alors équipé pour naviguer dans l'espace aérien - sans se heurter - avec une interférence humaine limitée. Enfin, en fonction de la structure donnée, ils ont soigneusement pressé un matériau léger, semblable à de la mousse ou un mélange de ciment imprimable, sur la base d'instructions.
Le cerveau derrière l'opération est Aerial-AM, qui combine la physique avec l'IA pour programmer deux types différents de plates-formes de robots aériens. L'un est le BuildDrone, qui dépose de manière autonome tout matériel en fonction de sa programmation. L'autre est ScanDrone, le bot de contrôle qualité qui scanne la construction en cours avec vision par ordinateur. Comme un gestionnaire sur un chantier de construction, cela donne un retour au drone de construction avec chaque couche déposée.
Le processus n'est pas entièrement géré par des robots. Les superviseurs humains peuvent exploiter à la fois la phase de stratégie de fabrication, c'est-à-dire la meilleure façon d'imprimer un matériau, et la phase de fabrication. Avant l'impression, l'équipe a effectué une simulation pour générer une "impression virtuelle" à l'aide de trois drones ou plus.
Comme preuve de concept, l'équipe a mis au défi sa plate-forme d'impression 3D, Aerial-AM, avec plusieurs formes et matériaux. L'un était un cylindre de plus de 6.5 pieds de haut, imprimé avec plus de 72 couches de matériau en mousse de polyuréthane. Un autre type de BuilDrone a été optimisé pour un mélange semblable à du ciment, qui a construit un cylindre mince de près de quatre pieds de haut.
Pour un test final, six drones ont aidé à construire une surface parabolique - imaginez un dé à coudre. Sur la base de ces données, l'étude a ensuite exécuté plusieurs simulations, demandant comment l'échelle de la structure et le nombre de robots ont changé la construction finale.
Dans l'ensemble, l'essaim de construction s'est révélé très adaptable, non seulement à l'échelle et à la structure, mais également à la taille de la population de robots. Alors même que le nombre de robots potentiels augmentait, ils optimisaient leurs trajectoires pour éviter les collisions, comme les cuisiniers d'un restaurant animé aux heures de pointe.
L'équipe de drones n'est pas encore prête pour le prime time. Pour l'instant, ils n'ont été montrés que pour construire des structures à petite échelle. Mais l'équipe garde espoir. Le framework Aerial-AM peut imprimer différents types de structures dans une danse multi-robot sans congestion. Il démontre "l'adaptation et la redondance des robots individuels", a déclaré l'équipe.
Bien que ce ne soient que les premières étapes, c'est un travail qui cimente la faisabilité des drones en tant que travailleurs de la construction aérienne - ceux qui pourraient un jour sauver des vies en volant dans des territoires dangereux. "Nous pensons que notre flotte de drones pourrait aider à réduire les coûts et les risques de construction à l'avenir, par rapport aux méthodes manuelles traditionnelles", a déclaré Kovac.
Crédit d'image : University College London, Département d'informatique/Dr. Vijay M. Pawar et Robert Stuart-Smith, laboratoire de fabrication autonome
