Useat UAV:t tekivät yhteistyötä 3D-tulostuksen kanssa talon rakentamiseksi, ja tutkimus pantiin luonnon kanteen

Haluatko jättää rakentamisen droneille ja antaa heidän suorittaa 3D-tulostus?

Voimme usein nähdä mehiläisiä, muurahaisia ​​ja muita eläimiä kiireisenä pesimässä. Luonnollisen valinnan jälkeen heidän työtehonsa on hämmästyttävä.

Näiden eläinten jakautumis- ja yhteistyökyky on "siirretty" UAV:ille. Imperial College of Technologyn tutkimus osoittaa meille tulevaisuuden suunnan seuraavasti:

UAV:n 3D-harmaa:

Tämä tutkimus julkaistiin Nature-lehden kannessa keskiviikkona.

Osoite: https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4

UAV:n kyvyn osoittamiseksi tutkijat käyttivät vaahtoa ja erityistä kevyttä sementtimateriaalia rakentaessaan rakenteita, joiden korkeus vaihteli välillä 0,18–2,05 m. Alkuperäiseen suunnitelmaan verrattuna virhe on alle 5 mm.

Osoittaakseen, että järjestelmä pystyy käsittelemään monimutkaisempaa UAV-muodostusta, tiimi loi valopolun viivesekvenssin käyttämällä UAV:n valoja korkean kupurakenteen simuloimiseksi.

Tutkimuksen johtaja ja Imperial Collegen Aerial Robotics Laboratoryn johtaja Mirko Kovac sanoi: Tällä menetelmällä voidaan rakentaa rakennuksia arktiselle alueelle tai jopa Marsiin tai auttaa korjaamaan korkeita rakennuksia, jotka vaativat yleensä kalliita telineitä.

Tällä tekniikalla on kuitenkin edelleen joitain rajoituksia, koska UAV:t ovat vaikeita kuljettaa raskaita esineitä, niitä on ladattava säännöllisesti ja ne tarvitsevat edelleen manuaalista valvontaa. Tutkijat sanoivat kuitenkin, että he toivoivat lievittävänsä joitakin näistä ongelmista lataamalla UAV:ta automaattisesti projektitutkimuksen aikana.

Miten UAV 3D-tulostus toteutetaan? Tässä suhteessa tutkijat ovat rakentaneet kehittyneen järjestelmän.

Tutkimuksen esittely

Tuottavuuden ja turvallisuuden parantamiseksi ehdotetaan robottipohjaista rakennustekniikkaa rakennuskomponenttien kokoonpanoon ja vapaamuotoiseen jatkuvaan lisäainevalmistukseen (AM). Verrattuna kokoonpanoon perustuvaan menetelmään, vapaamuotoinen jatkuva AM voi tuottaa joustavasti geometrisen muuttuvan suunnittelun, jolle on ominaista korkea hyötysuhde ja alhaiset kustannukset. Nämä suuret järjestelmät on kuitenkin kytkettävä virtalähteeseen. Niiden tarkastaminen, huolto ja korjaaminen on hankalaa, ja niiden valmistaminen vaikeissa olosuhteissa on vaikeaa.

Vaihtoehtona suurille yksittäisille robottijärjestelmille pienet mobiilirobotit voivat tarjota enemmän joustavuutta ja skaalautuvuutta. Robottien rakentamisen tutkimus on kuitenkin vielä varhaisessa etsintävaiheessa. Lisäksi monirobotin käyttökorkeus on tällä hetkellä rajoitettu, eikä se toimi, jos se ylittää tietyn alueen. Alla olevassa kuvassa on vertailu rakennusteollisuuden AM:lle kehitettyjen SOTA-robottialustojen välillä.

Nykyiseen robottijärjestelmään ja sen luontaisiin rajoituksiin verrattuna luonnolliset rakentajat ovat osoittaneet parempaa sopeutumiskykyä rakentamisessa, ja monet käyttävät lento- ja lisärakennusmenetelmiä saavuttaakseen tämän. Pääskyset voivat esimerkiksi lentää 1 200 kertaa materiaalilähteen ja rakennustyömaan välillä täydentääkseen pesän vähitellen. Sosiaaliset hyönteiset, kuten termiitit ja ampiaiset, osoittavat suurempaa sopeutumiskykyä ja skaalautuvuutta: sosiaalisten ampiaisten tekemä ilmarakentaminen osoittaa tehokkaan ja suoran polun optimoinnin, mikä vähentää navigoinnin tarvetta koko rakennusprosessissa.

Nämä luonnolliset järjestelmät inspiroivat kollektiivisen rakentamisen menetelmää, jossa käytetään multi-agenttia, jonka on ratkaistava multi-agentin koordinaatioongelma nykyisen saatavilla olevan teknologian lisäksi. Monirobottijärjestelmien kollektiivisen vuorovaikutusmenetelmän lisäksi materiaalisuunnittelun ja -käytön sekä ympäristönkäsittelymekanismeja tulee integroida ja yhdessä kehittää yhteistoiminnallisen rakentamisen saavuttamiseksi.

Imperial Collegen ehdottama järjestelmä on nimeltään Aerial AM, joka yhdistää biologisen yhteistyön mekanismin suunnitteluperiaatteisiin ja on toteutettu useilla UAV:illa.

Autonomisen lisäainevalmistuksen saavuttamiseksi UAV-tiimien on kehitettävä useita keskeisiä teknologioita rinnakkain, mukaan lukien: 1) ilmarobotit, jotka pystyvät erittäin tarkasti materiaalien pinnoittamiseen ja tulostuslaatuun sekä reaaliaikaiseen laadulliseen arviointiin; 2) Ilmarobottiryhmät voivat lähettää omia aktiviteettejaan toisilleen, jakaa tietoja langattomasti eivätkä häiritse toisiaan; 3) Autonominen navigointi- ja tehtäväsuunnittelujärjestelmä yhdistettynä tulostuspolun strategiaan määrittää ja jakaa valmistustehtävät adaptiivisesti; 4) Suunnittele tai valitse materiaalisuunnitelmat, erityisesti kevyet ja tulostettavat sementtiseokset, jotka soveltuvat lisäainevalmistusmenetelmiin ilmassa ilman muottien tai väliaikaisten rakennustelineiden tarvetta.

Aerial AM käyttää kahden tyyppisiä ilmarobottialustoja, nimeltään BuilDrone ja ScanDrone. BuilDronea käytetään fyysisten materiaalien pinoamiseen, ja ScanDronea käytetään asteittaiseen ilmaskannaukseen ja varmennushavaintoon jokaisen materiaalikerroksen levittämisen jälkeen. Kahden robottialustan työnkulkuja koordinoidaan hajautettujen moniagenttimenetelmien avulla. Rakennussykli sisältää BuilDronesin ja ScanDronen lennonaikaisen tulostuksen suorituskyvyn karakterisoinnin, BuilDronesin reaaliaikaisen liikeradan mukauttamisen ja materiaalitulostuksen sekä ScanDronen ja ihmisten esimiesten suorittaman tulostustehokkuuden todentamisen.

Kuva 2. Ilman AM-kehys rajoittamattomalle ja rajoittamattomalle AM-kehykselle.

Uuden tutkimuksen ehdottama moniagentti Aerial AM -kehys koostuu kahdesta syklistä, jotka kulkevat suunnitellun hitaan aika-asteikolla ja reaaliaikaisen toiminnan nopean aika-asteikon valmistusta ja edistymisen seurantaa varten. Konseptin todisteena tutkijat käyttivät skandroni-ilmanäköjärjestelmää 3D-skannauksen kartoittamiseksi edistymisen kartoittamiseksi ja laajennetun vaahtomuovin rakentamiseen suuren sylinterin.

Kuva 3. Aerial AM BuilDrone tulosti 2,05 m korkean sylinterimäisen geometrian, mukaan lukien 72 materiaalin pinnoitusmatkaa, ja ScanDrone suoritti reaaliaikaisen tulostuksen arvioinnin.

Kuva 4. Kaksi BuilDronea käyttää virheenkompensointidelta-manipulaattoreita ohutseinäisten sylintereiden 3D-tulostukseen sementtimäisten materiaalien levittämiseen.

Kuva 5. Aerial AM -monirobottiradan virtuaalinen tulostuskupolin muotoinen pyörivä pinta. a. C on lentorata, b ja d ovat ylhäältä ja perspektiivinäkymä. F näyttää simulaatiotulokset 15 robotin käyttämisestä suurennettujen geometrioiden tulostamiseen pohjahalkaisijalla 15 m.

BuilDronen materiaalipinnoituksen ja ScanDronen tulostusrakenteen reaaliaikaisen laadullisen arvioinnin avulla tutkijat tulostivat onnistuneesti jopa 2,05 metriä korkean sylinterin, mikä todistaa Aerial AM -menetelmän kyvyn valmistaa suuria geometrisia esineitä. Sementtiohutseinämäisen sylinterin valmistuskoe osoittaa, että itsesuuntautuvan yhdensuuntaisen delta-manipulaattorin ja BuilDronen kytkentä mahdollistaa materiaalien kerrostamisen suurella tarkkuudella (enintään 5 mm:n asentovirhe) vaaka- ja pystysuunnassa, mikä on sallitun alueen sisällä. Brittiläiset arkkitehtoniset vaatimukset.

Virtuaalirata AM ja simulointitulokset osoittavat, että Aerial AM -kehys voi tehokkaasti tulostaa erilaisia ​​geometrisia muotoja rinnakkaisen usean robotin valmistuksen avulla, ratkaista ruuhkautumista ja täydentää sopeutumista epänormaaleissa olosuhteissa.

Vaikka nämä kokeet ovat onnistuneesti varmistaneet Aerial AM:n toteutettavuuden, ne ovat vasta ensimmäinen askel tutkittaessa mahdollisuuksia käyttää ilmarobotteja rakentamiseen. Tutkijat sanoivat, että UAV:n 3D-painotalorakennuksen toteuttamiseksi tarvitaan merkittävää edistystä robottitekniikassa ja materiaalitieteessä, erityisesti raja-alueilla, kuten tukimateriaalien kerrostuksessa, aktiivisten materiaalien kovetuksessa ja tehtävien jakamisessa. useita robotteja.

Itse UAV:lle, jotta tutkimustulokset pääsisivät ulos laboratoriosta, tutkijat suunnittelevat ottavansa käyttöön monisensorisen samanaikaisen paikannus- ja kartoitusjärjestelmän (SLAM) differentiaalisella globaalilla paikannusjärjestelmällä (GPS) riittävän ulkopaikan paikantamisen varmistamiseksi.

Käytännössä Aerial AM voi tarjota vaihtoehtoisen tavan tukea asumisen ja tärkeän infrastruktuurin rakentamista syrjäisillä alueilla.

Viitelinkki:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4

https://www.technologyreview.com/2022/09/21/1059864/drones-3d-print-tower/

Alkuperäinen nimi: Building a House with Multi UAV Collaborative 3D Printing and Research on the Cover of Nature