Признаюсь: если увижу улей, отступлю — будь проклят свежий мед. Но часть меня также очарована. Ульи — выдающийся инженерный подвиг. Изготовленные из материалов от древесных почек до пережеванного воска, рои пчел откладывают эти сырые ингредиенты в плотно упакованные соты — каждая из которых представляет собой геометрический шедевр — во время полета в воздухе.
Напротив, человеческое строительство гораздо более привязано к земле. Бульдозеры, катки и бетономешалки очень эффективны, и они стали основой для создания нашей инфраструктуры. Но они также громоздки, громоздки и требуют дорог или других транспортных средств. Это подрывает их способность быстро реагировать на стихийные бедствия на островах и в других отдаленных местах, где требуется быстрая помощь, особенно после чрезвычайных ситуаций.
К сожалению, у нас все чаще появляются климатические примеры. Резкие эрозии дорог из-за бушующих лесных пожаров. Автомагистрали и мосты, которые рушатся, будучи пропитаны водой от наводнений и ураганов. В этом месяце, несмотря на то, что некоторые части Пуэрто-Рико все еще восстанавливаются после урагана «Мария», многие дома снова были затоплены ураганом «Фиона».
Есть ли способ быстро построить убежища или даже дома в труднодоступных местах и лучше справляться с этими чрезвычайными ситуациями?
На этой неделе команда из Имперского колледжа Лондона черпала вдохновение в пчелах и разработал когорту автономных дронов что 3D печатает любую спроектированную структуру. Подобно пчелиному улью, каждый трутень действует независимо, но они работают как одна команда. Весь парк получил название Aerial Additive Manufacturing (Aerial-AM).
Действуя как пчелы, дроны играют разные роли. Некоторые из них — строители, получившие название BuildDrones, — которые откладывают материал во время полета. Другие — ScanDrones, которые действуют как менеджеры, которые постоянно сканируют текущую сборку и предоставляют обратную связь.
[Встраиваемое содержимое]
В ходе нескольких испытаний флот напечатал несколько структур — от пены до цементоподобной массы — с точностью до миллиметра при минимальном контроле со стороны человека. Это все еще далеко от утонченного 3D типография, и больше похоже на первую попытку ребенка в гончарном деле. Некоторые постройки напоминают рудиментарную башню; другие, плетеная плетеная корзина.
Тем не менее, мы можем быть на пути от 3D-печати мостов на лету к эвакуации людей от надвигающегося тропического шторма. Но исследование показывает шаг к такой возможности. «Aerial-AM позволяет производить в полете и предлагает будущие возможности для строительства в неограниченных, высотных или труднодоступных местах», — говорят авторы.
Строительство роботов
Использование роботов для помощи в строительстве не является чем-то новым. Но благодаря все более сложным алгоритмам они стали удобными инструментами в инфраструктурном бизнесе. Одна из идей состоит в том, чтобы помочь с такими задачами, как отделка гипсокартона, значительно сократив необходимое время. Другой - бороться с нехваткой жилья, которая преследует всех нас. За последние несколько лет 3D-печатные дома стремительно превратились из фантазий в реальность — из великолепные крошечные дома в многокомнатные доступные дома.
Но чего не хватало, так это доступа технологии к сельским районам. Представьте себе забитые выбоинами грунтовые дороги, ухабы в солнечный день и грязный кошмар по щиколотку после проливного дождя. Представьте себе, что колеса застряли в грязи на несколько дюймов, а выбраться из них можно только с помощью лопаты. Теперь подумайте о транспортировке массивных 3D-принтеров или других строительных роботов к этому аварийному месту.
Не идеально, а? Вместо того, чтобы сражаться с землей и гравитацией, почему бы не летать?
Выдерживает бурю
Вдохновленная пчелами, команда под руководством доктора Мирко Ковача из Имперского колледжа Лондона поднялась в небо. Их идея объединяет 3D-печать с самоорганизующимися дронами, которые плавно строят «улей» по заранее запрограммированному чертежу.
Основная идея основана на нашей способности формировать определенные материалы по желанию, например, сжимать пластилин или складывать лего. Этот процесс позволяет нам гибко формовать материалы в различные геометрические формы и называется «свободным от непрерывного аддитивного производства» (я знаю, что это много, поэтому просто «AM»).
Это начинается с оценки свободно летающих строителей в дикой природе. Возьми ос. Хотя они и не самые дружелюбные из существ (судя по многочисленным болезненным укусам), они довольно примечательны тем, что очень эффективно прокладывают свои пути для раздачи строительного материала. Это похоже на то, как летающий плотник без проблем строит шкаф вместе с когортой — невероятный подвиг, который ученые до сих пор пытаются понять.
Здесь команда задалась вопросом, можно ли достичь такого же инженерного мастерства с помощью роя меньших роботов. Это сложная проблема — большинство предыдущих подходов находятся только на «ранней исследовательской стадии», по словам команды, с «ограниченной рабочей высотой».
Их решением было программное обеспечение, структура Aerial-AM, которая использует предыдущие инженерные идеи и естественные прецеденты, чтобы каждый дрон мог работать параллельно как рой. Дроны также должны были действовать как верные 3D-принтеры во время полета, транслируя свое местоположение и действия своим соседям (чтобы не было лишней «глазури» на конструкции). Затем каждый из них был оборудован для навигации в воздушном пространстве, не сталкиваясь друг с другом, с ограниченным вмешательством человека. Наконец, в зависимости от заданной структуры, они тщательно выдавливали легкий пенообразный материал или цементную смесь для печати, руководствуясь инструкциями.
Мозгом, стоящим за операцией, является Aerial-AM, который сочетает физику с искусственным интеллектом для программирования двух разных типов платформ воздушных роботов. Одним из них является BuildDrone, который автономно размещает любой материал на основе своего программирования. Другой — ScanDrone, бот для контроля качества, который сканирует ход строительства с помощью компьютерного зрения. Подобно менеджеру на строительной площадке, он дает обратную связь строительному дрону с каждым нанесенным слоем.
Процесс не полностью управляется роботами. Руководители-люди могут подключиться как к этапу производственной стратегии, то есть к выбору наилучшего способа печати материала, так и к этапу производства. Перед печатью команда провела симуляцию для создания «виртуальной печати» с использованием трех или более дронов.
В качестве доказательства концепции команда бросила вызов своей платформе 3D-печати Aerial-AM с несколькими формами и материалами. Один из них представлял собой цилиндр высотой более 6.5 футов, на котором было напечатано более 72 слоев материала из пенополиуретана. Другой тип BuilDrone был оптимизирован для цементоподобной смеси, из которой строился тонкий цилиндр высотой почти четыре фута.
Для финального теста шесть дронов помогли построить параболическую поверхность — представьте себе наперсток. На основе этих данных в ходе исследования было проведено несколько симуляций, в ходе которых задавались вопросом, как масштаб конструкции и количество роботов повлияли на конечную конструкцию.
В целом, строительный рой оказался хорошо адаптируемым не только к масштабу и структуре, но и к численности популяции роботов. Даже по мере того, как количество потенциальных роботов увеличивалось, они оптимизировали свои пути, чтобы избежать столкновений, как повара в оживленном ресторане в час пик.
Отряд дронов еще не готов к прайм-тайму. На данный момент показано, что они строят только небольшие структуры. Но команда надеется. Платформа Aerial-AM может печатать различные типы структур в танце с несколькими роботами без перегрузки. По словам команды, это демонстрирует «адаптацию и избыточность отдельных роботов».
Хотя это только первые шаги, это работа, которая закрепляет возможность использования дронов в качестве воздушных строителей — тех, кто однажды сможет спасать жизни, летая на опасные территории. «Мы считаем, что наш парк дронов может помочь снизить затраты и риски строительства в будущем по сравнению с традиционными ручными методами», — сказал Ковач.
Изображение предоставлено: Университетский колледж Лондона, факультет компьютерных наук/доктор. Виджай М. Павар и Роберт Стюарт-Смит, Лаборатория автономного производства
