Priznam: če vidim čebelnjak, se umaknem — svež med naj bo preklet. Toda del mene je tudi fasciniran. Čebelji panji so izjemen inženirski podvig. Roji čebel, izdelani iz materialov, od drevesnih brstov do prežvečenega voska, odlagajo te surove sestavine v gosto zbito satje – vsako je geometrijska mojstrovina – medtem ko letijo v zraku.
V popolnem nasprotju je človeška gradnja veliko bolj vezana na zemljo. Buldožerji, kompaktorji in mešalci betona so zelo učinkoviti in so bili hrbtenica za vzpostavitev naše infrastrukture. Vendar so tudi zajetni, okorni in zahtevajo ceste ali druga prevozna sredstva. To omejuje njihovo sposobnost hitrega odzivanja na naravne nesreče na otokih in drugih oddaljenih lokacijah, ki potrebujejo hitro pomoč, zlasti po nujnih primerih.
Na žalost imamo čedalje pogostejše podnebne primere. Drastična erozija cest zaradi divjanja požarov v naravi. Avtoceste in mostovi, ki se rušijo, potem ko so bili prepojeni z vodo zaradi poplav in orkanov. Ta mesec, čeprav deli Portorika še vedno okrevajo po orkanu Maria, je orkan Fiona znova poplavil številne domove.
Ali obstaja način, da lahko hitro zgradimo zavetišča ali celo hiše na težko dostopnih območjih in se bolje spopademo s temi nujnimi primeri?
Ta teden je ekipa z Imperial College London črpala navdih pri čebelah in izdelal kohorto avtonomnih dronov da 3D natisne katero koli oblikovano strukturo. Podobno kot v čebeljem panju vsak dron deluje neodvisno, vendar delujeta kot ekipa. Celotna flota se imenuje Aerial Additive Manufacturing (Aerial-AM).
Delujejo kot čebele, zato imajo droni različne vloge. Nekateri so gradbeniki – imenovani BuilDrones – ki odlagajo material, ko letijo. Drugi so ScanDrones, ki delujejo kot upravitelji, ki nenehno pregledujejo trenutno zgradbo in zagotavljajo povratne informacije.
[Vgrajeni vsebina]
V več preizkusih je flota natisnila več struktur – z uporabo materialov od pene do cementne gobe – do milimetrske natančnosti z minimalnim človeškim nadzorom. Še vedno je daleč od finega 3D tiskarna, in bolj kot otroški prvi poskus lončarjenja. Nekatere strukture spominjajo na osnovni stolp; drugi pa pleteno pleteno košaro.
To pomeni, da smo morda načini za evakuacijo ljudi pred bližajočo se tropsko nevihto s 3D tiskanjem mostov na letenju. Toda študija kaže korak k tej možnosti. "Aerial-AM omogoča proizvodnjo med letom in ponuja prihodnje možnosti za gradnjo na neomejenih, visokih ali težko dostopnih lokacijah," so povedali avtorji.
Konstrukcija robotov
Uporaba robotov za pomoč pri gradnji ni nič novega. Toda zahvaljujoč vse bolj izpopolnjenim algoritmom so postali priročno orodje v infrastrukturnem poslu. Ena ideja je pomagati pri opravilih, kot je zaključna obdelava suhih zidov, kar dramatično skrajša potreben čas. Drugi je boj proti pomanjkanju stanovanj, ki pesti vse nas. V zadnjih nekaj letih so 3D-tiskane hiše skokovito poskočile iz domišljije v resničnost – od čudovite majhne hiše do večsobna cenovno dostopne domove.
Toda tisto, kar je manjkalo, je dostop tehnologije do podeželskih območij. Predstavljajte si luknjaste makadamske ceste, neravne na sončen dan in blatno nočno moro do gležnjev po hudem dežju. Predstavljajte si kolesa, obtičala v centimetrih blata, brez možnosti, da se izkopljete drugače kot z lopato. Zdaj pa razmislite o prevozu ogromnih 3D-tiskalnikov ali drugih gradbenih robotov na to nujno mesto.
Ni idealno, kajne? Zakaj ne bi leteli, namesto da bi se borili z zemljo in gravitacijo?
Preperevanje nevihte
Po navdihu čebel se je ekipa pod vodstvom dr. Mirka Kovača z Imperial College London podala v nebo. Njihova zamisel združuje 3D-tiskanje s samoorganizirajočimi droni, ki brezhibno zgradijo »panj« iz vnaprej programiranega načrta.
Glavna ideja je odvisna od naše sposobnosti, da poljubno oblikujemo določene materiale, na primer stiskanje testa Play Dough ali zlaganje lego kock. Ta postopek nam omogoča prilagodljivo oblikovanje materialov v različne geometrijske oblike in se imenuje "brez neprekinjene aditivne proizvodnje" (zalogaj, vem, torej samo "AM").
Začne se s spoštovanjem prosto letečih graditeljev v divjini. Vzemite ose. Čeprav niso najbolj prijazna bitja (če govorimo zaradi številnih bolečih pikov), so precej izjemna, ker so zelo učinkovita pri krmarjenju po svojih poteh za razdeljevanje gradbenega materiala. To je kot leteči tesar, ki brezhibno sestavlja omaro s kohorto – neverjeten podvig, ki ga znanstveniki še poskušajo razumeti.
Tukaj je ekipa vprašala, ali je mogoče doseči enako inženirsko moč z rojem manjših robotov. To je težka težava - večina prejšnjih pristopov je le v "zgodnji fazi raziskovanja", je dejala ekipa, z "omejeno operativno višino."
Njihova rešitev je bila programska oprema, ogrodje Aerial-AM, ki se dotakne prejšnjih inženirskih zamisli in naravnih precedensov, tako da lahko vsak dron deluje vzporedno kot roj. Droni so morali tudi med letom delovati kot zvesti 3D-tiskalniki, ki so oddajali svojo lokacijo in dejavnost svojim sosedom (tako da na strukturi ni bilo dodatnega "zaledenitve"). Vsak je bil nato opremljen za krmarjenje po zračnem prostoru – brez trčenja drug v drugega – z omejenim človeškim vmešavanjem. Nazadnje so glede na dano strukturo skrbno iztisnili lahek, peni podoben material ali cementno mešanico, ki je primerna za tiskanje, na podlagi navodil.
Možgani za operacijo so Aerial-AM, ki združuje fiziko z umetno inteligenco za programiranje dveh različnih vrst platform zračnih robotov. Eden je BuilDrone, ki avtonomno odloži kateri koli material na podlagi svojega programiranja. Drugi je ScanDrone, bot za nadzor kakovosti, ki z računalniškim vidom skenira gradnjo v teku. Kot vodja na gradbišču, to daje povratne informacije gradbenemu dronu z vsakim odloženim slojem.
Procesa ne vodijo popolnoma roboti. Človeški nadzorniki se lahko vključijo v fazo proizvodne strategije – to je najboljši način tiskanja materiala – in fazo proizvodnje. Pred tiskanjem je ekipa izvedla simulacijo za ustvarjanje "virtualnega tiska" z uporabo treh ali več dronov.
Kot dokaz koncepta je ekipa izzvala svojo platformo za 3D tiskanje, Aerial-AM, z več oblikami in materiali. Eden je bil valj, visok več kot 6.5 čevljev, natisnjen z več kot 72 plastmi materiala iz poliuretanske pene. Druga vrsta BuilDrone je bila optimizirana za mešanico, podobno cementu, ki je zgradila tanek valj, visok skoraj štiri metre.
Za zadnji preizkus je šest dronov pomagalo zgraditi parabolično površino – predstavljajte si naprstnik. Na podlagi teh podatkov je študija nato izvedla več simulacij in spraševala, kako sta obseg strukture in število robotov spremenila končno zgradbo.
Na splošno se je gradbeni roj izkazal za zelo prilagodljivega, ne le glede obsega in strukture, ampak tudi glede na velikost populacije robotov. Čeprav se je število potencialnih robotov povečalo, so optimizirali svoje poti, da bi se izognili trčenju, kot kuharji v živahni restavraciji med prometno konico.
Ekipa dronov še ni pripravljena na najboljši čas. Za zdaj se je izkazalo, da lahko gradijo le strukture majhnega obsega. Toda ekipa upa. Ogrodje Aerial-AM lahko natisne različne vrste struktur v plesu več robotov brez zastojev. Dokazuje "prilagajanje in redundanco posameznega robota", je dejala ekipa.
Čeprav so le prvi koraki, je delo tisto, ki utrjuje izvedljivost dronov kot gradbenih delavcev v zraku – tistih, ki bi lahko nekega dne rešili življenja z letenjem na nevarna ozemlja. "Verjamemo, da bi naša flota dronov lahko pomagala zmanjšati stroške in tveganja gradnje v prihodnosti v primerjavi s tradicionalnimi ročnimi metodami," je dejal Kovač.
Avtorstvo slike: University College London, Department of Computer Science/Dr. Vijay M. Pawar & Robert Stuart-Smith, avtonomni proizvodni laboratorij
