Više bespilotnih letelica sarađivalo sa 3D štampanjem kako bi izgradili kuću, a istraživanje je stavljeno na naslovnicu prirode

Želite li prepustiti konstrukciju dronovima i prepustiti im 3D štampanje?

Često možemo vidjeti pčele, mrave i druge životinje kako se gnijezde. Nakon prirodne selekcije, njihova radna efikasnost je neverovatna.

Sposobnost podjele i saradnje ovih životinja "prenijeta" je na bespilotne letjelice. Studija Imperial College of Technology pokazuje nam budući smjer, na sljedeći način:

3D sivilo UAV:

Ovo istraživanje objavljeno je u srijedu na naslovnici časopisa Nature.

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

Kako bi demonstrirali sposobnost UAV-a, istraživači su koristili pjenu i poseban lagani cementni materijal za izgradnju struktura visine od 0,18 do 2,05 m. U poređenju sa originalnim nacrtom, greška je manja od 5 mm.

Kako bi dokazao da sistem može podnijeti složenije formiranje UAV-a, tim je kreirao sekvencu odlaganja svjetlosnog traga koristeći svjetla na UAV-u da simulira visoku strukturu kupole.

Mirko Kovač, vođa istraživanja i direktor Laboratorije za zračnu robotiku na Imperijal koledžu, rekao je: Ova metoda se može koristiti za izgradnju zgrada na Arktiku ili čak na Marsu, ili pomoći u popravci visokih zgrada koje obično zahtijevaju skupe skele.

Međutim, trenutno je ova tehnologija još uvijek podložna određenim ograničenjima, jer je bespilotnim letjelicama teško nositi teške predmete, moraju se redovno puniti i još uvijek im je potreban ručni nadzor. Međutim, istraživači su rekli da se nadaju da će ublažiti neke od ovih problema automatskim punjenjem UAV tokom studije projekta.

Kako se realizuje UAV 3D štampa? U tom smislu, istraživači su izgradili sofisticirani sistem.

Uvod u istraživanje

U cilju poboljšanja produktivnosti i sigurnosti, predložena je tehnologija konstrukcije zasnovana na robotima za montažu građevinskih komponenti i kontinuiranu aditivnu proizvodnju slobodnog oblika (AM). U poređenju sa metodom zasnovanom na montaži, kontinualni AM slobodnog oblika može fleksibilno proizvesti geometrijski varijabilni dizajn, koji karakteriše visoka efikasnost i niska cena. Međutim, ovi sistemi velikih razmjera moraju biti povezani na napajanje. Nezgodno ih je pregledati, održavati i popravljati, a teško ih je proizvoditi u teškim uvjetima.

Kao alternativa velikim pojedinačnim robotskim sistemima, mali mobilni roboti mogu pružiti veću fleksibilnost i skalabilnost. Međutim, istraživanje izgradnje s formiranjem robota je još uvijek u ranoj fazi razvoja. Osim toga, radna visina multi robota je trenutno ograničena i neće raditi ako prelazi određeni raspon. Slika ispod prikazuje poređenje između SOTA robotskih platformi razvijenih za AM u građevinskoj industriji.

U poređenju sa trenutnim robotskim sistemom i njegovim inherentnim ograničenjima, prirodni graditelji su pokazali veću prilagodljivost u izgradnji, a mnogi koriste metode letenja i aditivne konstrukcije da bi to postigli. Na primjer, lastavice mogu preletjeti 1200 puta između izvora materijala i gradilišta kako bi postupno dovršili gnijezdo. Društveni insekti kao što su termiti i ose pokazuju veći stepen prilagodljivosti i skalabilnosti: zračna konstrukcija koju izvode društvene ose pokazuje efikasnu i direktnu optimizaciju putanje, smanjujući zahtjeve za navigaciju u cijelom procesu izgradnje.

Ovi prirodni sistemi inspirišu metodu kolektivne izgradnje korišćenjem više agenata, koja treba da reši problem koordinacije multiagensa mimo trenutne dostupne tehnologije. Pored metode kolektivne interakcije više robotskih sistema, dizajn i upotreba materijala i mehanizmi manipulacije okolinom moraju biti integrisani i zajednički razvijeni kako bi se postigla kooperativna konstrukcija.

Sistem koji je predložio Imperial College zove se Aerial AM, koji kombinuje biološki mehanizam saradnje sa inženjerskim principima i realizuje se od više bespilotnih letelica.

Da bi postigli autonomnu aditivnu proizvodnju, timovi UAV-a moraju paralelno da razviju niz ključnih tehnologija, uključujući: 1) vazdušne robote sposobne za visoko precizno nanošenje materijala i kvalitet štampe, i kvalitativnu evaluaciju u realnom vremenu; 2) Timovi robota iz zraka mogu jedni drugima emitovati vlastite aktivnosti, bežično dijeliti podatke i ne ometati jedni druge; 3) Autonomna navigacija i sistem planiranja zadataka, u kombinaciji sa strategijom putanje štampanja, adaptivno određuje i distribuira proizvodne zadatke; 4) Dizajnirati ili odabrati planove materijala, posebno lagane cementne mješavine za štampanje, pogodne za metode proizvodnje aditiva iz zraka bez potrebe za oplatom ili privremenim skelama.

Aerial AM koristi dvije vrste vazdušnih robotskih platformi, koje se zovu BuilDrone i ScanDrone. BuilDrone se koristi za slaganje fizičkih materijala, a ScanDrone se koristi za izvođenje inkrementalnog skeniranja iz zraka i verifikacijskog promatranja nakon što se svaki sloj materijala deponuje. Dvije robotske platforme su koordinirane u svojim radnim tokovima putem distribuiranih metoda s više agenata. Ciklus izgradnje uključuje karakterizaciju performansi štampanja u letu za BuilDrones i ScanDrone, prilagođavanje putanje u realnom vremenu i štampanje materijala BuilDrones-a, i verifikaciju efekta štampanja od strane ScanDrone-a i ljudskih supervizora.

Slika 2. Zračni AM okvir za neograničeni i neograničeni AM.

Multi-agentski Aerial AM okvir predložen u novom istraživanju sastoji se od dva ciklusa, koji rade na planiranoj sporoj vremenskoj skali i brzoj vremenskoj skali rada u realnom vremenu za proizvodnju i posmatranje napretka. U dokazu koncepta, istraživači su koristili skandronski vazdušni sistem vizije za 3D skeniranje kako bi mapirali napredak, a koristili su ekspandirane pjenaste materijale za izgradnju velikog cilindra.

Slika 3. Aerial AM BuilDrone je odštampao cilindričnu geometriju visine 2,05 m, uključujući 72 puta depozicije materijala, a ScanDrone je izvršio evaluaciju štampanja u realnom vremenu.

Slika 4. Dva BuilDrona koriste delta manipulatore za kompenzaciju grešaka za 3D štampanje tankozidnih cilindara za taloženje cementnih materijala.

Slika 5. Zračna AM multi robotska staza virtuelna štamparska rotiraća površina u obliku kupole. a. C je putanja leta, b i d su pogled odozgo i pogled iz perspektive. F prikazuje rezultate simulacije upotrebe 15 robota za štampanje uvećane geometrije, sa prečnikom dna od 15 m.

Kroz taloženje materijala BuilDrone-a i kvalitativnu procjenu strukture štampanja u realnom vremenu od strane ScanDrone-a, istraživači su uspješno odštampali cilindar visine do 2,05 metara, dokazujući sposobnost Aerial AM metode za proizvodnju velikih geometrijskih objekata. Proizvodni eksperiment cilindra sa tankim zidom od cementa dokazuje da spajanje samoporavnajućeg paralelnog delta manipulatora i BuilDrone-a omogućava nanošenje materijala sa visokom preciznošću (maksimalna greška položaja od 5 mm) u horizontalnom i vertikalnom smjeru, što je unutar dozvoljenog raspona od Britanski arhitektonski zahtjevi.

Virtuelni AM staza i rezultati simulacije pokazuju da Aerial AM okvir može efikasno da štampa različite geometrijske oblike kroz paralelnu proizvodnju više robota, reši zagušenje i potpunu adaptaciju u nenormalnim uslovima.

Iako su ovi eksperimenti uspješno potvrdili izvodljivost Aerial AM-a, oni su samo prvi korak u istraživanju potencijala korištenja zračnih robota za izgradnju. Istraživači su rekli da je za realizaciju izgradnje kuće za 3D štampanje UAV-a potreban značajan napredak u robotskoj tehnologiji i nauci o materijalima, posebno u graničnim oblastima kao što su taloženje pomoćnih materijala, očvršćavanje aktivnih materijala i podela zadataka među više robota.

Za sam UAV, kako bi rezultati istraživanja izašli iz laboratorije, istraživači planiraju implementirati multisenzorski sistem istovremenog pozicioniranja i mapiranja (SLAM) s diferencijalnim globalnim sistemom pozicioniranja (GPS) kako bi se obezbijedilo dovoljno pozicioniranja na otvorenom.

Nakon što se stavi u praksu, Aerial AM može pružiti alternativni način podrške stanovanju i izgradnji važne infrastrukture u udaljenim područjima.

Referentni link:

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

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

Originalni naziv: Izgradnja kuće sa više UAV kolaborativnim 3D štampanjem i istraživanjem omota prirode