Lo ammetto: se vedo un alveare, indietreggio: al diavolo il miele fresco. Ma anche una parte di me è affascinata. Gli alveari sono una straordinaria impresa di ingegneria. Realizzati con materiali dai germogli degli alberi alla cera masticata, gli sciami di api depositano questi ingredienti grezzi in favi fitti, ciascuno un capolavoro geometrico, mentre volano nell'aria.
In netto contrasto, la costruzione umana è molto più legata alla terra. Bulldozer, compattatori e betoniere sono altamente efficaci e sono stati la spina dorsale per la creazione della nostra infrastruttura. Ma sono anche ingombranti, ingombranti e richiedono strade o altri mezzi di trasporto. Ciò mette in ginocchio la loro capacità di rispondere rapidamente ai disastri naturali sulle isole e in altri luoghi remoti che necessitano di un aiuto rapido, soprattutto dopo le emergenze.
Sfortunatamente, abbiamo avuto esempi climatici sempre più frequenti. Drastiche erosioni stradali a causa di violenti incendi. Autostrade e ponti che si sgretolano dopo essere stati immersi nell'acqua di inondazioni e uragani. Questo mese, anche se alcune parti di Porto Rico si stanno ancora riprendendo dall'uragano Maria, molte case sono state nuovamente allagate dall'uragano Fiona.
C'è un modo per costruire rapidamente rifugi, o addirittura case, in aree di difficile accesso e affrontare meglio queste emergenze?
Questa settimana, un team dell'Imperial College London ha preso ispirazione dalle api e ha progettato una coorte di droni autonomi che stampa in 3D qualsiasi struttura progettata. Simile a un alveare, ogni drone agisce in modo indipendente, ma lavora come una squadra. L'intera flotta è soprannominata Aerial Additive Manufacturing (Aerial-AM).
Agendo come api, i droni hanno ciascuno ruoli diversi. Alcuni sono i costruttori, soprannominati BuilDrones, che depositano materiale mentre volano. Altri sono ScanDrones, che agiscono come manager che scansionano continuamente la build corrente e forniscono feedback.
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In diversi test, la flotta ha stampato più strutture, utilizzando materiali dalla schiuma a una sostanza appiccicosa simile al cemento, con una precisione millimetrica con una supervisione umana minima. È ancora ben lungi dall'essere un raffinato 3D casa stampatae più simile al primo tentativo di ceramica di un bambino. Alcune strutture assomigliano a una torre rudimentale; altri, un cesto di vimini intrecciato.
Detto questo, potremmo essere un modo dalla stampa 3D di ponti al volo per evacuare le persone da una tempesta tropicale imminente. Ma lo studio mostra un passo verso questa possibilità. "Aerial-AM consente la produzione in volo e offre possibilità future per la costruzione in luoghi illimitati, in quota o di difficile accesso", hanno affermato gli autori.
Costruzione di robot
L'uso dei robot per aiutare con la costruzione non è una novità. Ma grazie ad algoritmi sempre più sofisticati, sono diventati strumenti utili nel business delle infrastrutture. Un'idea è quella di aiutare con attività come la finitura del muro a secco, riducendo drasticamente il tempo necessario. Un altro è combattere la carenza di alloggi che affligge tutti noi. Negli ultimi anni, le case stampate in 3D sono salite alle stelle dalla fantasia alla realtà, da bellissime casette a multistanza case a prezzi accessibili.
Ma ciò che è mancato è l'accesso della tecnologia alle aree rurali. Immagina strade sterrate piene di buche, sconnesse in una giornata di sole e un incubo fangoso fino alle caviglie dopo un torrente di pioggia. Ruote fotografiche bloccate in pollici di fango, senza alcun modo per tirarti fuori se non una pala. Ora pensa al trasporto di enormi stampanti 3D o altri robot da costruzione in quel sito di emergenza.
Non è l'ideale, eh? Invece di combattere la terra e la gravità, perché non volare?
Resistere alla tempesta
Ispirato dalle api, il team, guidato dal dottor Mirko Kovac dell'Imperial College di Londra, è salito in cielo. La loro idea intreccia la stampa 3D con i droni auto-organizzati, che creano senza soluzione di continuità un "alveare" di un progetto preprogrammato.
L'idea principale si basa sulla nostra capacità di modellare determinati materiali a piacimento, come spremere Play Dough o impilare Lego. Questo processo ci consente di modellare in modo flessibile i materiali in diversi disegni geometrici ed è soprannominato "senza produzione additiva continua" (un boccone, lo so, quindi solo "AM").
Inizia con un apprezzamento per i costruttori di volo libero in natura. Prendi le vespe. Sebbene non siano le creature più amichevoli (parlando da molteplici punture dolorose), sono piuttosto notevoli in quanto sono altamente efficienti nel percorrere i loro percorsi per distribuire materiale da costruzione. È come un falegname volante che costruisce un gabinetto senza soluzione di continuità con una coorte, un'impresa incredibile che gli scienziati stanno ancora cercando di capire.
Qui, il team ha chiesto se è possibile ottenere la stessa abilità ingegneristica con uno sciame di robot più piccoli. È un problema difficile: la maggior parte degli approcci precedenti sono solo in una "fase esplorativa precoce", ha affermato il team, con "altezza operativa limitata".
La loro soluzione era un software, il framework Aerial-AM che attinge alle idee ingegneristiche precedenti e ai precedenti naturali in modo che ogni drone potesse funzionare in parallelo come uno sciame. I droni dovevano anche fungere da fedeli stampanti 3D durante il volo, trasmettendo la loro posizione e attività ai loro vicini (quindi non ci sarebbe stata "ciliegina" in più su una struttura). Ciascuno è stato quindi attrezzato per navigare nello spazio aereo, senza urtarsi l'uno contro l'altro, con un'interferenza umana limitata. Infine, a seconda della struttura data, hanno spremuto con cura un materiale leggero simile a schiuma o una miscela di cemento stampabile, in base alle istruzioni.
Il cervello dietro l'operazione è Aerial-AM, che combina la fisica con l'intelligenza artificiale per programmare due diversi tipi di piattaforme robotiche aeree. Uno è il BuilDrone, che deposita autonomamente qualsiasi materiale in base alla sua programmazione. L'altro è ScanDrone, il bot di controllo qualità che scansiona la costruzione in corso con la visione artificiale. Come un manager in un cantiere edile, questo fornisce un feedback al drone di costruzione con ogni strato depositato.
Il processo non è completamente eseguito dai robot. I supervisori umani possono attingere sia alla fase della strategia di produzione, ovvero il modo migliore per stampare un materiale, sia alla fase di produzione. Prima della stampa, il team ha eseguito una simulazione per generare una "stampa virtuale" utilizzando tre o più droni.
Come prova del concetto, il team ha sfidato la loro piattaforma di stampa 3D, Aerial-AM, con diverse forme e materiali. Uno era un cilindro alto più di 6.5 piedi, stampato con oltre 72 strati di materiale in schiuma di poliuretano. Un altro tipo di BuilDrone è stato ottimizzato per una miscela simile al cemento, che ha costruito un cilindro sottile alto quasi quattro piedi.
Per un test finale, sei droni hanno aiutato a costruire una superficie parabolica: immagina un ditale. Sulla base di questi dati, lo studio ha quindi eseguito diverse simulazioni, chiedendo come la scala della struttura e il numero di robot abbiano modificato l'eventuale costruzione.
Nel complesso, lo sciame di costruzioni si è rivelato altamente adattabile, non solo alle dimensioni e alla struttura, ma anche alle dimensioni della popolazione di robot. Anche se il numero di potenziali robot è aumentato, hanno ottimizzato i loro percorsi per evitare collisioni, come i cuochi in un vivace ristorante durante l'ora di punta.
La squadra di droni non è ancora pronta per la prima serata. Per ora, è stato dimostrato che costruiscono solo strutture su piccola scala. Ma la squadra spera. Il framework Aerial-AM può stampare diversi tipi di strutture in una danza multi-robot senza congestione. Dimostra "l'adattamento e la ridondanza dei singoli robot", ha affermato il team.
Sebbene siano solo i primi passi, è un lavoro che consolida la fattibilità dei droni come lavoratori edili aerei, quelli che un giorno potrebbero salvare vite volando in territori pericolosi. "Riteniamo che la nostra flotta di droni potrebbe aiutare a ridurre i costi e i rischi di costruzione in futuro, rispetto ai metodi manuali tradizionali", ha affermato Kovac.
Credito immagine: University College London, Dipartimento di Informatica/Dott. Vijay M. Pawar e Robert Stuart-Smith, Laboratorio di produzione autonomo
