Jeg innrømmer: hvis jeg ser en bikube, rygger jeg unna — fersk honning for helvete. Men en del av meg er også fascinert. Bikuber er en bemerkelsesverdig ingeniørkunst. Laget av materialer fra treknopper til opptygget voks, legger svermer av bier disse råingrediensene i tettpakkede honningkaker – hver et geometrisk mesterverk – mens de flyr i luften.
I sterk kontrast er menneskelig konstruksjon langt mer landbundet. Bulldosere, komprimatorer og betongblandere er svært effektive, og de har vært ryggraden i etableringen av infrastrukturen vår. Men de er også klumpete, uhåndterlige og krever veier eller andre transportmidler. Dette kneskålene deres til å reagere raskt på naturkatastrofer på øyer og andre avsidesliggende steder som trenger rask hjelp, spesielt etter nødsituasjoner.
Dessverre har vi hatt stadig hyppigere klimaeksempler. Drastiske veierosjoner på grunn av voldsomme skogbranner. Motorveier og broer som smuldrer opp etter å ha blitt dynket i vann fra flom og orkaner. Denne måneden, selv om deler av Puerto Rico fortsatt er i ferd med å komme seg etter orkanen Maria, ble mange hjem igjen oversvømmet av orkanen Fiona.
Er det en måte vi raskt kan bygge tilfluktsrom – eller til og med hus – i vanskelig tilgjengelige områder og bedre takle disse nødssituasjonene?
Denne uken tok et team fra Imperial College London inspirasjon fra bier og konstruert en kohort av autonome droner at 3D-printer enhver designet struktur. I likhet med en bikube, fungerer hver drone uavhengig, men de jobber som et team. Hele flåten kalles Aerial Additive Manufacturing (Aerial-AM).
Dronene fungerer som bier og har forskjellige roller. Noen er byggherrene – kalt BuilDrones – som legger inn materiale mens de flyr. Andre er ScanDrones, som fungerer som ledere som kontinuerlig skanner det nåværende bygget og gir tilbakemelding.
[Innebygd innhold]
I flere tester trykket flåten flere strukturer - ved hjelp av materialer fra skum til en sementlignende goo - til millimeters nøyaktighet med minimal menneskelig tilsyn. Det er fortsatt langt fra en finesse 3D trykkeri, og mer som et barns første forsøk på keramikk. Noen strukturer ligner et rudimentært tårn; andre, en vevd flettet kurv.
Når det er sagt, kan vi være en vei fra 3D-utskriftsbroer på farten for å evakuere folk fra en forestående tropisk storm. Men studien viser et skritt mot den muligheten. "Aerial-AM tillater produksjon under flyging og tilbyr fremtidige muligheter for å bygge i uavgrensede, i høyden eller vanskelig tilgjengelige steder," sa forfatterne.
Robotkonstruksjon
Det er ikke noe nytt å bruke roboter for å hjelpe til med konstruksjonen. Men takket være stadig mer sofistikerte algoritmer, har de blitt nyttige verktøy i infrastrukturbransjen. En idé er å hjelpe til med oppgaver som å fullføre gips, noe som reduserer tiden som kreves dramatisk. En annen er å kjempe mot boligmangelen som plager oss alle. I løpet av de siste årene har 3D-trykte hus skutt i været fra fantasi til virkelighet – fra nydelige små hjem til flere rom rimelige boliger.
Men det som har manglet er teknologiens tilgang til distriktene. Se for deg jettegryter fylte grusveier, humpete på en solrik dag og et ankeldypt gjørmete mareritt etter en strøm av regn. Bildehjul sitter fast i tommer med gjørme, uten annen måte å grave deg ut enn en spade. Tenk nå på å transportere massive 3D-skrivere eller andre konstruksjonsroboter til det nødstedet.
Ikke ideelt, ikke sant? I stedet for å kjempe mot jorden og tyngdekraften, hvorfor ikke fly?
Forvitrer stormen
Inspirert av bier tok teamet, ledet av Dr. Mirko Kovac ved Imperial College London, til himmelen. Ideen deres vever sammen 3D-utskrift med selvorganiserende droner, som sømløst bygger en "bikube" av en forhåndsprogrammert plan.
Hovedideen er avhengig av vår evne til å forme visse materialer etter ønske – som å klemme Play Dough eller stable lego. Denne prosessen lar oss støpe materialer fleksibelt til forskjellige geometriske design, og kalles "fri for kontinuerlig additiv produksjon" (en munnfull, jeg vet, så bare "AM").
Det starter med en verdsettelse av frittflygende byggere i naturen. Ta veps. Selv om de ikke er de vennligste av skapningene (snakker fra flere smertefulle stikk), er de ganske bemerkelsesverdige ved at de er svært effektive når det gjelder å navigere veiene sine for å dispensere byggemateriale. Det er som en flygende snekker som bygger et skap sømløst med en kohort – en utrolig bragd som forskere fortsatt prøver å forstå.
Her spurte teamet om det er mulig å oppnå den samme tekniske dyktigheten med en sverm av mindre roboter. Det er et tøft problem - de fleste tidligere tilnærminger er bare på et "tidlig utforskende stadium," sa teamet, med "begrenset operasjonshøyde."
Løsningen deres var en programvare, Aerial-AM-rammeverk som benytter seg av tidligere ingeniørideer og naturlige presedenser, slik at hver drone kunne fungere parallelt som en sverm. Droner måtte også fungere som trofaste 3D-skrivere mens de var på flukt, og kringkaste deres plassering og aktivitet til naboene (slik at det ikke skulle være noen ekstra "ising" på en struktur). Hver ble deretter utstyrt for å navigere i luftrommet – uten å støte på hverandre – med begrenset menneskelig innblanding. Til slutt, avhengig av den gitte strukturen, presset de forsiktig ut et lett, skumlignende materiale eller en trykkbar sementblanding, basert på instruksjoner.
Hjernen bak operasjonen er Aerial-AM, som kombinerer fysikk med AI for å programmere to forskjellige typer luftrobotplattformer. Den ene er BuilDrone, som autonomt deponerer alt materiale basert på programmeringen. Den andre er ScanDrone, kvalitetskontrollroboten som skanner pågående konstruksjon med datasyn. Som en leder på en byggeplass gir dette tilbakemelding til byggedronen med hvert avsatt lag.
Prosessen er ikke fullstendig drevet av roboter. Menneskelige veiledere kan ta del i både produksjonsstrategifasen – det vil si den beste måten å skrive ut et materiale på – og produksjonsfasen. Før utskrift kjørte teamet en simulering for å generere en "virtuell utskrift" ved hjelp av tre eller flere droner.
Som et bevis på konseptet utfordret teamet deres 3D-utskriftsplattform, Aerial-AM, med flere former og materialer. Den ene var en sylinder over 6.5 fot høy, trykt med over 72 lag med materiale laget av polyuretanskum. En annen type BuilDrone ble optimalisert for en sementlignende blanding, som bygde en tynn sylinder nesten fire fot høy.
For en siste test hjalp seks droner med å konstruere en parabolsk overflate - se for et fingerbøl. Basert på disse dataene, kjørte studien deretter flere simuleringer, og spurte hvordan skalaen til strukturen og antall roboter endret den eventuelle konstruksjonen.
Totalt sett kom konstruksjonssvermen ut som svært tilpasningsdyktig, ikke bare til skala og struktur, men også til robotpopulasjonsstørrelse. Selv ettersom antallet potensielle roboter økte, optimaliserte de banene sine for å unngå kollisjon, som kokker på en travel restaurant i rushtiden.
Drone-troppen er ennå ikke klar for beste sendetid. Foreløpig har de bare vist seg å konstruere småskala strukturer. Men laget er håpefullt. Aerial-AM-rammeverket kan skrive ut forskjellige typer strukturer i en multirobotdans uten overbelastning. Det demonstrerer "tilpasning og individuell robotredundans," sa teamet.
Selv om det bare er de første trinnene, er det arbeid som sementerer gjennomførbarheten av droner som flykonstruksjonsarbeidere – de som en dag kan redde liv ved å fly inn i farlige territorier. "Vi tror vår flåte av droner kan bidra til å redusere kostnadene og risikoen ved konstruksjon i fremtiden, sammenlignet med tradisjonelle manuelle metoder," sa Kovac.
Bildekreditt: University College London, Institutt for informatikk/Dr. Vijay M. Pawar & Robert Stuart-Smith, Autonomous Manufacturing Lab
