Ik geef toe: als ik een bijenkorf zie, trek ik me terug - verse honing, verdomme. Maar een deel van mij is ook gefascineerd. Bijenkorven zijn een opmerkelijk staaltje techniek. Gemaakt van materialen van boomknoppen tot opgekauwde was, zwermen bijen deponeren deze grondstoffen in dicht opeengepakte honingraten - elk een geometrisch meesterwerk - terwijl ze in de lucht vliegen.
In schril contrast hiermee is menselijke constructie veel meer landgebonden. Bulldozers, verdichters en betonmixers zijn zeer effectief en vormen de ruggengraat voor het opzetten van onze infrastructuur. Maar ze zijn ook omvangrijk, onhandelbaar en vereisen wegen of andere transportmiddelen. Dit beperkt hun vermogen om snel te reageren op natuurrampen op eilanden en andere afgelegen locaties die snelle hulp nodig hebben, vooral na noodsituaties.
Helaas hebben we steeds vaker klimaatvoorbeelden gehad. Drastische wegerosie als gevolg van woedende bosbranden. Snelwegen en bruggen die afbrokkelen nadat ze in het water van overstromingen en orkanen zijn gedrenkt. Deze maand, hoewel delen van Puerto Rico nog steeds herstellen van orkaan Maria, werden veel huizen opnieuw overspoeld door orkaan Fiona.
Is er een manier waarop we snel onderkomens - of zelfs huizen - kunnen bouwen in moeilijk bereikbare gebieden en deze noodsituaties beter kunnen aanpakken?
Deze week liet een team van Imperial College London zich inspireren door bijen en een cohort van autonome drones ontwikkeld dat 3D elke ontworpen structuur print. Net als bij een bijenkorf werkt elke drone onafhankelijk, maar ze werken als een team. De hele vloot wordt Aerial Additive Manufacturing (Aerial-AM) genoemd.
De drones handelen als bijen en hebben elk verschillende rollen. Sommige zijn de bouwers - genaamd BuildDrones - die materiaal deponeren terwijl ze vliegen. Anderen zijn ScanDrones, die fungeren als managers die continu de huidige build scannen en feedback geven.
[Ingesloten inhoud]
In verschillende tests heeft de vloot meerdere structuren geprint - met materialen van schuim tot een cementachtige goo - tot op de millimeter nauwkeurig met minimaal menselijk toezicht. Het is nog verre van een finessed 3D gedrukt huis, en meer als de eerste poging van een kind tot aardewerk. Sommige structuren lijken op een rudimentaire toren; anderen, een geweven rieten mand.
Dat gezegd hebbende, kunnen we een manier zijn om on-the-fly 3D-bruggen te printen om mensen te evacueren van een naderende tropische storm. Maar de studie toont een stap in de richting van die mogelijkheid. "Aerial-AM maakt productie tijdens de vlucht mogelijk en biedt toekomstige mogelijkheden voor het bouwen op onbegrensde, op hoogte of moeilijk toegankelijke locaties", aldus de auteurs.
Robotconstructie
Het gebruik van robots om te helpen bij de bouw is niets nieuws. Maar dankzij steeds geavanceerdere algoritmen zijn ze handige tools geworden in de infrastructuursector. Een idee is om te helpen met taken zoals het afwerken van gipsplaat, waardoor de benodigde tijd drastisch wordt verkort. Een andere is het bestrijden van de woningnood die ons allemaal teistert. In de afgelopen jaren zijn 3D-geprinte huizen omhooggeschoten van fantasie naar realiteit - van prachtige kleine huizen naar multi-room betaalbare huizen.
Maar wat ontbrak, is de toegang van de technologie tot plattelandsgebieden. Stel je voor met kuilen gevulde onverharde wegen, hobbelig op een zonnige dag en een enkeldiepe modderige nachtmerrie na een stortvloed van regen. Stel je voor dat wielen vastzitten in centimeters modder, met geen andere manier om jezelf eruit te graven dan een schop. Denk nu eens aan het transporteren van enorme 3D-printers of andere bouwrobots naar die noodlocatie.
Niet ideaal, hè? Waarom niet vliegen in plaats van tegen aarde en zwaartekracht te vechten?
Verwering van de storm
Geïnspireerd door bijen ging het team, onder leiding van Dr. Mirko Kovac van het Imperial College London, de lucht in. Hun idee verweeft 3D-printen met zelforganiserende drones, die naadloos een "bijenkorf" bouwen van een voorgeprogrammeerde blauwdruk.
Het hoofdidee is gebaseerd op ons vermogen om bepaalde materialen naar believen vorm te geven, zoals in Play Dough knijpen of lego's stapelen. Dit proces stelt ons in staat materialen flexibel in verschillende geometrische ontwerpen te vormen en wordt "vrij van continue additive manufacturing" genoemd (een mondvol, ik weet het, dus gewoon "AM").
Het begint met een waardering van vrij vliegende bouwers in het wild. Neem wespen. Hoewel ze niet de vriendelijkste wezens zijn (sprekend vanuit meerdere pijnlijke steken), zijn ze nogal opmerkelijk omdat ze zeer efficiënt zijn in het navigeren op hun paden voor het uitdelen van bouwmateriaal. Het is als een vliegende timmerman die naadloos een kast bouwt met een cohort - een ongelooflijke prestatie die wetenschappers nog steeds proberen te begrijpen.
Hier vroeg het team of het mogelijk is om dezelfde technische bekwaamheid te bereiken met een zwerm kleinere robots. Het is een moeilijk probleem - de meeste eerdere benaderingen bevinden zich slechts in een "vroeg verkennend stadium", zei het team, met "beperkte operationele hoogte".
Hun oplossing was een software, Aerial-AM-framework dat gebruikmaakt van eerdere technische ideeën en natuurlijke precedenten, zodat elke drone parallel als een zwerm kon werken. Drones moesten tijdens de vlucht ook fungeren als trouwe 3D-printers en hun locatie en activiteit doorgeven aan hun buren (zodat er geen extra "ijsvorming" op een structuur zou zijn). Elk was vervolgens uitgerust om door het luchtruim te navigeren - zonder elkaar tegen het lijf te lopen - met beperkte menselijke tussenkomst. Ten slotte persen ze, afhankelijk van de gegeven structuur, voorzichtig een lichtgewicht, schuimachtig materiaal of een bedrukbare cementmix uit, op basis van instructies.
Het brein achter de operatie is Aerial-AM, dat fysica combineert met AI om twee verschillende soorten luchtrobotplatforms te programmeren. Een daarvan is de BuildDrone, die autonoom materiaal deponeert op basis van zijn programmering. De andere is ScanDrone, de kwaliteitscontrolebot die lopende constructie scant met computervisie. Net als een beheerder op een bouwplaats, geeft deze bij elke afgezette laag feedback aan de bouwdrone.
Het proces wordt niet volledig door robots geleid. Menselijke supervisors kunnen zowel de productiestrategiefase (dat wil zeggen de beste manier om een materiaal te printen) als de productiefase aanboren. Voor het printen voerde het team een simulatie uit om een "virtuele afdruk" te genereren met drie of meer drones.
Als proof of concept daagde het team hun 3D-printplatform, Aerial-AM, uit met verschillende vormen en materialen. Een daarvan was een cilinder van meer dan 6.5 voet lang, bedrukt met meer dan 72 lagen materiaal gemaakt van polyurethaanschuim. Een ander type BuildDrone was geoptimaliseerd voor een cementachtige mix, die een dunne cilinder van bijna XNUMX meter hoog bouwde.
Voor een laatste test hielpen zes drones bij het bouwen van een parabolisch oppervlak - beeld een vingerhoed. Op basis van die gegevens voerde het onderzoek vervolgens verschillende simulaties uit, waarbij werd gevraagd hoe de schaal van de structuur en het aantal robots de uiteindelijke constructie veranderden.
Over het algemeen kwam de constructiezwerm uit als zeer aanpasbaar, niet alleen qua schaal en structuur, maar ook aan de grootte van de robotpopulatie. Zelfs toen het aantal potentiële robots toenam, optimaliseerden ze hun paden om botsingen te voorkomen, zoals koks in een druk restaurant tijdens de spits.
Het drone-team is nog niet klaar voor prime time. Voorlopig is aangetoond dat ze alleen kleinschalige constructies bouwen. Maar het team is hoopvol. Het Aerial-AM-framework kan verschillende soorten structuren printen in een multi-robotdans zonder opstoppingen. Het demonstreert "aanpassing en individuele robotredundantie", aldus het team.
Hoewel het slechts de eerste stappen zijn, is het werk dat de haalbaarheid van drones als bouwvakkers in de lucht bevestigt - degenen die op een dag levens kunnen redden door in gevaarlijke gebieden te vliegen. "We zijn van mening dat onze vloot van drones in de toekomst kan helpen de kosten en risico's van constructie te verminderen in vergelijking met traditionele handmatige methoden", aldus Kovac.
Image Credit: University College London, afdeling Computerwetenschappen/Dr. Vijay M. Pawar & Robert Stuart-Smith, Autonomous Manufacturing Lab
