Сборка строительных блоков с помощью роботов может сделать строительство более эффективным и экологичным.

Подпись : Робот переносит три вокселя, двигаясь по воксельной структуре. Роботы типа «модульная гусеница» (MILAbots) используют захваты на каждом конце для размещения воксельных строительных блоков и соединения их защелками. Источник : Предоставлено исследователями. Подпись : Уникальные ноги робота MILAbot, показанные здесь крупным планом. «Роботы могут собирать воксели, размещая их на месте, а затем наступая на них, чтобы детали соединились», — объясняет Миана Смит. Источник : Предоставлено исследователями. Подпись : Команда исследовала углеродный след, необходимый для изготовления новых воксельных конструкций из трех материалов: пластика, фанеры и стали. Воксели из стали и дерева, изображенные здесь, обеспечили значительные экологические преимущества. Источник : Предоставлено исследователями. Подпись : Два робота работают вместе над созданием воксельной структуры. Источник : Предоставлено исследователями. Подпись : Исследователь работает в лаборатории CBA. Исследователи хотят провести эксперименты по изготовлению в более крупном масштабе, чтобы расширить лабораторные демонстрации, представленные в этом исследовании. Источник : Предоставлено исследователями. Подпись : Слева направо: Йешей Вангмо Лепча, Цхеринг Вангзом и Миана Смит стоят под аркой, созданной из вокселей, в рамках рабочего визита бутанской команды в Массачусетский технологический институт. Источник : Предоставлено исследователями.

Согласно новому исследованию ученых из Массачусетского технологического института, роботизированная сборка строительных блоков может быть более экологичным методом возведения крупномасштабных сооружений, чем некоторые существующие строительные технологии.

Команда провела технико-экономическое обоснование для оценки эффективности строительства простого здания с использованием «вокселей» — модульных трехмерных элементов, которые собираются в сложные, прочные конструкции.

Изучив возможности работы с несколькими вокселями, исследователи разработали три новые конструкции, призванные оптимизировать процесс строительства. Они также создали роботизированный сборочный станок и удобный пользовательский интерфейс для генерации воксельных чертежей зданий и передачи инструкций роботам.

Результаты исследований показывают, что эта роботизированная система сборки на основе вокселей может сократить выбросы углерода, связанные с производством строительных материалов, на целых 82 процента по сравнению с такими популярными технологиями, как 3D-печать бетона, сборный модульный бетон и стальные каркасы. Система также будет конкурентоспособной с точки зрения стоимости и времени строительства. Однако выбор материалов, используемых для изготовления вокселей, играет важную роль в их углеродном следе и стоимости.

Хотя масштабируемость, долговечность, долговременная надежность и такие важные аспекты, как огнестойкость, еще предстоит изучить, прежде чем подобная система сможет быть широко внедрена, исследователи говорят, что эти предварительные результаты подчеркивают потенциал этого подхода для автоматизированного строительства на строительной площадке.

«Меня особенно воодушевляет то, как роботизированная сборка дискретных решеток может обеспечить практический способ применения цифрового производства в строительстве, что позволит нам строить гораздо эффективнее и экологичнее», — говорит Миана Смит, аспирантка Центра битов и атомов (CBA) в Массачусетском технологическом институте и ведущий автор исследования.

Вместе с ней в работе над статьей приняли участие Пол Ричард, аспирант Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии и бывший приглашенный исследователь в Массачусетском технологическом институте; Альфонсо Парра Рубио, аспирант Центра анализа и оценки; и старший автор Нил Гершенфельд, профессор Массачусетского технологического института и директор Центра анализа и оценки. Исследование опубликовано в журнале Automation in Construction.

Разработка более совершенных строительных блоков

В течение последних нескольких лет исследователи из Центра битов и атомов разрабатывали воксели — решетчатые строительные блоки, которые можно собирать в объекты с высокой прочностью и жесткостью, такие как крылья самолетов, лопасти ветряных турбин и космические конструкции.

«Здесь мы берем принципы аэрокосмической отрасли и применяем их к зданиям. Почему бы нам не строить здания так же эффективно, как самолеты?» — говорит Гершенфельд, основываясь на предыдущих работах его лаборатории по сборке вокселей совместно с НАСА, Airbus и Boeing.

Чтобы изучить целесообразность стратегий сборки зданий на основе вокселей, исследователи сначала оценили механические характеристики и экологичность восьми существующих воксельных конструкций, включая кубооктаэдр из нейлона, армированного стекловолокном, и решетку Кельвина из стали.

На основе этих оценок они разработали набор из трех вокселей с использованием новой геометрии, которую можно было легче роботизировать для создания более крупной конструкции. Новая конструкция, основанная на высокопрочной и жесткой октетной решетке, механически самоорганизуется в жесткие структуры.

«Взаимосвязанная структура этих вокселей позволяет нам получать хорошие механические свойства без необходимости использования большого количества соединителей в системе, что значительно ускоряет процесс строительства», — говорит Смит.

Для ускорения строительства они разработали роботизированную сборочную систему на основе роботов, похожих на гусениц, которые ползают по воксельной структуре, закрепляясь и выдвигая свои тела. Эти модульные роботы-сборщики решеток, или MILAbots, используют захваты на каждом конце для размещения воксельных строительных блоков и соединения деталей с помощью защелок.

«Роботы могут собирать воксели, размещая их на своих местах, а затем наступая на них, чтобы детали соединились. Мы можем выполнять точные маневры, основываясь на механическом взаимодействии между роботами и вокселями», — объясняет Смит.

Команда изучила углеродный след, необходимый для изготовления новых воксельных конструкций из трех материалов: пластика, фанеры и стали. Затем они оценили производительность и стоимость использования роботизированной сборочной системы для строительства простого одноэтажного здания. Исследователи сравнили эти оценки с показателями других методов строительства.

Потенциальные экологические преимущества

Они обнаружили, что большинство существующих вокселей, особенно изготовленных из пластика, демонстрируют низкую эффективность по сравнению с существующими методами с точки зрения экологичности, в то время как разработанные ими воксели из стали и дерева предлагают значительные экологические преимущества.

Например, использование стальных вокселей позволило бы достичь лишь 36 процентов выбросов углерода, необходимых для 3D-печати бетона, и 52 процентов выбросов углерода, необходимых для сборного железобетона. Воксели из фанеры имели наименьший углеродный след, составляющий около 17 и 24 процентов от необходимых выбросов углерода соответственно.

«Всё ещё существует потенциально жизнеспособный вариант использования воксельного подхода на основе пластика, нам просто нужно более стратегически подходить к выбору типов пластика, наполнителей и геометрических форм», — говорит Смит.

Кроме того, прогнозируемое время сборки на месте для стальных и деревянных конструкций в среднем составляло 99 часов, в то время как при использовании существующих методов строительства этот показатель составлял в среднем 155 часов.

Эти преимущества в скорости основаны на распределенной природе воксельной сборки. Хотя работа одного робота MILAbot в одиночку значительно медленнее, чем существующие методы, при параллельной работе команды из 20 роботов система догоняет или превосходит существующие методы автоматизации при меньших затратах.

«Одно из преимуществ этого метода — его поэтапность. Вы можете начать строительство, и если окажется, что вам нужно новое помещение, вы можете просто пристроить к существующей конструкции. Кроме того, это обратимый процесс, поэтому, если назначение здания изменится, вы можете разобрать воксели и изменить структуру», — говорит Гершенфельд.

Исследователи также разработали интерфейс, позволяющий пользователям вводить или вручную проектировать вокселизированную структуру. Автоматизированная система определяет пути, по которым должны следовать роботы MILAbots для сборки, и отправляет команды сборщикам.

Следующим шагом в этом проекте станет создание более крупного испытательного полигона в Бутане с использованием «суперлаборатории», которую CBA помогла там создать, для воспроизведения роботов и тестирования строительства запланированного устойчивого города, говорит Гершенфельд.

В числе дополнительных направлений будущей работы — изучение устойчивости воксельных структур под воздействием боковых нагрузок, усовершенствование инструмента проектирования с учетом физических особенностей системы, улучшение MILAbots, а также оценка вокселей, в которые интегрированы листовой материал, изоляция или прокладка электропроводки и водопроводных труб.

«Наша работа подтверждает, почему подобная распределенная роботизированная сборка может стать практичным способом внедрения цифрового производства в строительство», — говорит Смит.

«Это еще один новаторский пример от Нила Гершенфельда и его команды, которые нашли способы, позволяющие зданиям строиться самостоятельно с помощью крошечных роботизированных машин. Теперь меня очень интересует, как мы можем использовать подобную идею, чтобы сделать внешний вид зданий более привлекательным и радостным, при этом оставаясь более доступным», — говорит Томас Хизервик, основатель дизайнерской и архитектурной фирмы Heatherwick Studio, который не принимал участия в этом исследовании.

Данная работа частично финансировалась консорциумом MIT Center for Bits and Atoms.

Источник: news.mit.edu