Przyznaję: jak widzę ul, cofam się – niech mnie świeży miód. Ale część mnie też jest zafascynowana. Ule to niezwykłe osiągnięcie inżynierii. Wykonane z materiałów, od pączków drzew po przeżuty wosk, roje pszczół umieszczają te surowce w gęsto upakowanych plastrach miodu – każdy z nich jest geometrycznym arcydziełem – podczas lotu w powietrzu.
W przeciwieństwie do tego, ludzka konstrukcja jest znacznie bardziej związana z lądem. Spycharki, zagęszczarki i betoniarki są bardzo skuteczne i stanowią podstawę budowy naszej infrastruktury. Ale są też nieporęczne, nieporęczne i wymagają dróg lub innych środków transportu. Ogranicza to ich zdolność do szybkiego reagowania na klęski żywiołowe na wyspach i w innych odległych miejscach, które potrzebują szybkiej pomocy, zwłaszcza po nagłych wypadkach.
Niestety mamy coraz częstsze przykłady klimatyczne. Drastyczne nadżerki drogowe z powodu szalejących pożarów. Autostrady i mosty, które kruszą się po zalaniu wodą z powodzi i huraganów. W tym miesiącu, nawet gdy niektóre części Portoryko wciąż wracają do zdrowia po huraganie Maria, wiele domów zostało ponownie zalanych przez huragan Fiona.
Czy istnieje sposób, abyśmy mogli szybko budować schronienia, a nawet domy, w trudno dostępnych obszarach i lepiej radzić sobie w sytuacjach kryzysowych?
W tym tygodniu zespół z Imperial College London zainspirował się pszczołami i zaprojektował kohortę autonomicznych dronów że 3D drukuje każdą zaprojektowaną strukturę. Podobnie jak pszczeli ul, każdy dron działa niezależnie, ale działa zespołowo. Cała flota nosi nazwę Aerial Additive Manufacturing (Aerial-AM).
Działając jak pszczoły, drony mają różne role. Niektórzy z nich to budowniczowie – zwani BuilDrones – którzy odkładają materiał podczas lotu. Inne to ScanDrones, które pełnią rolę menedżerów, którzy stale skanują bieżącą wersję i dostarczają informacji zwrotnych.
[Osadzone treści]
W kilku testach flota wydrukowała wiele struktur — od pianki po masę podobną do cementu — z milimetrową dokładnością przy minimalnym nadzorze człowieka. To wciąż dalekie od finezji 3D dom drukowany, a bardziej jak pierwsza próba dziecka w garncarstwie. Niektóre konstrukcje przypominają szczątkową wieżę; inne, pleciony wiklinowy kosz.
To powiedziawszy, możemy być sposobem od drukowania 3D mostów w locie, aby ewakuować ludzi przed zbliżającą się burzą tropikalną. Ale badanie pokazuje krok w kierunku tej możliwości. „Aerial-AM umożliwia produkcję w locie i oferuje przyszłe możliwości budowania w nieograniczonych, na wysokości lub trudno dostępnych lokalizacjach” – powiedzieli autorzy.
Budowa robota
Używanie robotów do pomocy przy budowie nie jest niczym nowym. Jednak dzięki coraz bardziej wyrafinowanym algorytmom stały się poręcznymi narzędziami w branży infrastruktury. Jednym z pomysłów jest pomoc w takich zadaniach, jak wykańczanie płyt kartonowo-gipsowych, radykalnie skracając wymagany czas. Innym jest walka z nękającym nas wszystkich brakiem mieszkań. W ciągu ostatnich kilku lat domy drukowane w 3D wzniosły się od fantazji do rzeczywistości — od wspaniałe małe domy do wielopokojowy niedrogie domy.
Brakowało jednak dostępu technologii do obszarów wiejskich. Wyobraź sobie wyboiste drogi gruntowe, wyboiste w słoneczny dzień i głęboki, błotnisty koszmar po kostkach po ulewnym deszczu. Wyobraź sobie koła wbite w cale błota, których nie da się wykopać poza łopatą. Teraz pomyśl o przetransportowaniu ogromnych drukarek 3D lub innych robotów budowlanych na miejsce awaryjne.
Nie idealne, co? Zamiast walczyć z ziemią i grawitacją, dlaczego nie latać?
Przetrwać burzę
Zainspirowany pszczołami zespół kierowany przez dr. Mirko Kovaca z Imperial College London wzniósł się w niebo. Ich pomysł splata druk 3D z samoorganizującymi się dronami, które płynnie budują „ul” z zaprogramowanego planu.
Główna idea opiera się na naszej zdolności do dowolnego kształtowania niektórych materiałów — na przykład wyciskania ciasta do zabawy lub układania klocków Lego. Proces ten pozwala nam elastycznie formować materiały w różne wzory geometryczne i jest określany mianem „wolnego od ciągłego wytwarzania addytywnego” (to kęs, wiem, więc po prostu „AM”).
Zaczyna się od uznania budowniczych latających swobodnie na wolności. Weź osy. Chociaż nie są najbardziej przyjaznymi stworzeniami (mówiąc o wielu bolesnych użądleniach), są dość niezwykłe, ponieważ są bardzo skuteczne w poruszaniu się po ścieżkach dozowania materiału budowlanego. To jak latający cieśla budujący bezproblemowo szafkę z kohortą — niesamowite wyczyn, który naukowcy wciąż próbują zrozumieć.
Tutaj zespół zapytał, czy możliwe jest osiągnięcie tej samej sprawności inżynieryjnej z rojem mniejszych robotów. To trudny problem — większość poprzednich podejść znajduje się dopiero na „wczesnej fazie eksploracyjnej”, powiedział zespół, z „ograniczoną wysokością operacyjną”.
Ich rozwiązaniem było oprogramowanie, framework Aerial-AM, który wykorzystuje wcześniejsze pomysły inżynieryjne i naturalne precedensy, dzięki czemu każdy dron może działać równolegle jako rój. Drony musiały również działać jako wierne drukarki 3D podczas lotu, transmitując swoją lokalizację i aktywność sąsiadom (aby nie było dodatkowego „oblodzenia” na konstrukcji). Każdy z nich został następnie wyposażony do nawigacji w przestrzeni powietrznej – bez wpadania na siebie – przy ograniczonej ingerencji człowieka. Na koniec, w zależności od danej struktury, starannie wyciskali lekki, przypominający piankę materiał lub mieszankę cementową do zadruku, na podstawie instrukcji.
Mózgiem tej operacji jest Aerial-AM, który łączy fizykę ze sztuczną inteligencją, aby zaprogramować dwa różne typy platform robotów powietrznych. Jednym z nich jest BuilDrone, który samodzielnie deponuje dowolny materiał na podstawie swojego oprogramowania. Drugim jest ScanDrone, bot kontroli jakości, który skanuje trwającą budowę za pomocą wizji komputerowej. Podobnie jak kierownik na placu budowy, daje to informację zwrotną dronowi budowlanemu z każdą nałożoną warstwą.
Proces nie jest całkowicie zarządzany przez roboty. Osoby nadzorujące mogą wykorzystać zarówno fazę strategii produkcji — czyli najlepszy sposób drukowania materiału — jak i fazę produkcji. Przed drukowaniem zespół przeprowadził symulację, aby wygenerować „wirtualny wydruk” przy użyciu trzech lub więcej dronów.
W ramach weryfikacji koncepcji zespół rzucił wyzwanie swojej platformie drukowania 3D, Aerial-AM, za pomocą kilku kształtów i materiałów. Jednym z nich był cylinder o wysokości ponad 6.5 stopy, zadrukowany ponad 72 warstwami materiału wykonanego z pianki poliuretanowej. Inny typ BuilDrone został zoptymalizowany pod kątem mieszanki cementopodobnej, która zbudowała cienki cylinder o wysokości prawie czterech stóp.
W końcowym teście sześć dronów pomogło skonstruować powierzchnię paraboliczną — wyobraźmy sobie naparstek. Na podstawie tych danych przeprowadzono następnie kilka symulacji, pytając, w jaki sposób skala konstrukcji i liczba robotów zmieniła ostateczną konstrukcję.
Ogólnie rzecz biorąc, rój konstrukcji okazał się wysoce przystosowalny, nie tylko do skali i struktury, ale także do wielkości populacji robotów. Mimo że liczba potencjalnych robotów wzrosła, zoptymalizowali swoje ścieżki, aby uniknąć kolizji, jak kucharze w tętniącej życiem restauracji w godzinach szczytu.
Drużyna dronów nie jest jeszcze gotowa na prime time. Na razie pokazano, że konstruują tylko konstrukcje na małą skalę. Ale zespół ma nadzieję. Struktura Aerial-AM może drukować różne rodzaje struktur w tańcu wielu robotów bez zatorów. Pokazuje „adaptację i indywidualną redundancję robota” – powiedział zespół.
Chociaż to tylko pierwsze kroki, jest to praca, która cementuje wykonalność dronów jako robotników budowlanych — tych, którzy pewnego dnia mogą uratować życie, lecąc na niebezpieczne terytoria. „Wierzymy, że nasza flota dronów może pomóc w zmniejszeniu kosztów i ryzyka budowy w przyszłości w porównaniu z tradycyjnymi metodami ręcznymi” – powiedział Kovac.
Źródło: University College London, Wydział Informatyki/Dr. Vijay M. Pawar i Robert Stuart-Smith, Autonomous Manufacturing Lab
