Mehrere Drohnen arbeiten zusammen, um ein Haus in 3D zu drucken, und die Forschung erscheint auf dem Cover von Nature

Wir können oft Bienen, Ameisen und andere Tiere beobachten, die damit beschäftigt sind, Nester zu bauen. Nach der natürlichen Selektion ist ihre Arbeitseffizienz erstaunlich hoch

Die Fähigkeit zur Arbeitsteilung und Kooperation dieser Tiere wurde an Drohnen „weitergegeben“. Eine Studie des Imperial College London zeigt uns die zukünftige Richtung, genau wie diese :

Drohnen-3D-Staubsauger:

Diesen Mittwoch erschien dieses Forschungsergebnis auf dem Cover von „Nature“.

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

Um die Fähigkeiten der Drohne zu demonstrieren, verwendeten die Forscher Schaumstoff und ein Spezialmaterial Mit leichten Zementmaterialien werden Bauwerke mit einer Höhe von 0,18 bis 2,05 Metern gebaut. Der Fehler im Vergleich zum ursprünglichen Bauplan betrug weniger als 5 mm.

Um zu beweisen, dass das System komplexere Drohnenformationen bewältigen kann, erstellte das Team mithilfe von Lichtern an den Drohnen eine Zeitraffersequenz aus Lichtspuren, die den Bau einer hohen, kuppelartigen Struktur simulierten.

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Mirko Kovac, Forschungsleiter und Direktor des Aerial Robotics Laboratory am Imperial College London, sagte: „Diese Methode könnte zum Bau von Gebäuden in der Arktis oder sogar auf dem Mars verwendet werden oder um bei der Reparatur von Hochhäusern zu helfen, die normalerweise üblich sind.“ erfordern teure Gerüste.

Allerdings unterliegt die Technologie derzeit einigen Einschränkungen, da Drohnen schwere Gegenstände nur schwer transportieren können, regelmäßiges Aufladen erfordern und dennoch eine menschliche Aufsicht erfordern. Allerdings hoffen die Forscher, einige dieser Probleme durch das automatische Aufladen der Drohnen während Forschungsprojekten zu lindern.

Wie wird der Drohnen-3D-Druck umgesetzt? Zu diesem Zweck haben Forscher ein ausgeklügeltes System konstruiert.

Einführung in die Forschung

Zur Verbesserung der Produktivität und Sicherheit wurde roboterbasierte Bautechnologie für die Montage von Gebäudekomponenten und die kontinuierliche additive Fertigung in Freiform (AM, additive Fertigung) vorgeschlagen. Im Vergleich zu montagebasierten Methoden ermöglicht die kontinuierliche Freiform-AM die flexible Herstellung geometrisch variabler Designs mit hoher Effizienz und geringen Kosten. Diese großen Systeme müssen jedoch an eine Stromquelle angeschlossen werden, sind unpraktisch für Inspektion, Wartung und Reparatur und lassen sich in rauen Umgebungen nur schwer herstellen.

Als Alternative zu großen Einzelrobotersystemen können kleine mobile Roboter für mehr Flexibilität und Skalierbarkeit sorgen. Allerdings befindet sich die Forschung zum Einsatz von Roboterformationen im Bauwesen noch in einem frühen, explorativen Entwicklungsstadium. Darüber hinaus ist die aktuelle Arbeitshöhe von Multirobotern begrenzt und kann nicht über einen bestimmten Bereich hinaus betrieben werden. Die folgende Abbildung zeigt einen Vergleich zwischen SOTA-Roboterplattformen, die für AM in der Bauindustrie entwickelt wurden.

Natürliche Baumeister haben im Vergleich zu aktuellen Robotersystemen und ihren inhärenten Einschränkungen eine größere Anpassungsfähigkeit beim Bauen gezeigt, wobei viele dazu auf fliegende und additive Baumethoden zurückgreifen. Beispielsweise kann eine Schwalbe 1.200 Flüge zwischen der Materialquelle und der Baustelle unternehmen, um das Nest nach und nach fertigzustellen. Soziale Insekten wie Termiten und Wespen zeigen ein höheres Maß an Anpassungsfähigkeit und Skalierbarkeit: Der Luftbau durch soziale Wespen zeigte eine effiziente und direkte Pfadoptimierung, wodurch die Navigation während des gesamten Bauprozesses entfällt.

Diese natürlichen Systeme inspirieren Ansätze zum kollektiven Aufbau mithilfe von Multi-Agenten, die die Lösung von Multi-Agenten-Koordinationsproblemen erfordern, die über die derzeit verfügbaren Technologien hinausgehen. Neben kollektiven Interaktionsmethoden für Multirobotersysteme müssen auch Mechanismen zur Materialgestaltung und -nutzung sowie zur Manipulation der Umwelt integriert und mitentwickelt werden, um kooperatives Bauen zu ermöglichen.

Das vom Imperial College vorgeschlagene System heißt Aerial-AM, das biologische Kooperationsmechanismen mit technischen Prinzipien kombiniert und dafür mehrere Drohnen nutzt.

Die Realisierung der autonomen additiven Fertigung durch das UAV-Team erfordert die parallele Entwicklung mehrerer Schlüsseltechnologien, darunter: 1) Luftroboter, die eine hochpräzise Materialabscheidung und Druckqualität sowie eine qualitative Echtzeitbewertung ermöglichen; Teams, die miteinander interagieren können, ihre eigenen Aktivitäten übertragen und Daten drahtlos austauschen können, ohne sich gegenseitig zu stören. 3) Autonomes Navigations- und Aufgabenplanungssystem, adaptives Bestimmen und Zuweisen von Fertigungsaufgaben in Kombination mit der Druckpfadstrategie. 4) Entwurfs- oder Auswahlmaterialplanung , besonders leichte und druckbare Zementmischung, die für additive Fertigungsverfahren aus der Luft geeignet ist, ohne dass Schalungen oder temporäre Gerüste erforderlich sind.

Aerial-AM verwendet zwei Arten von Luftroboterplattformen, bekannt als BuilDrone zum Stapeln physischer Materialien und ScanDrone zur Durchführung inkrementeller Luftscans und Überprüfungsbeobachtungen nach dem Ablegen jeder Materialschicht. Beide Roboterplattformen werden in ihren jeweiligen Arbeitsabläufen über einen verteilten Multi-Agenten-Ansatz koordiniert. Der Bauzyklus umfasst die Charakterisierung der Druckleistung der BuildDrones und ScanDrone während des Flugs, die Anpassung der Flugbahn und des Materialdrucks der BuildDrones in Echtzeit sowie die Validierung der Druckergebnisse mit ScanDrone und menschlichen Vorgesetzten.

Abbildung 2. Aerial-AM-Framework für uneingeschränktes und unbegrenztes AM.

Das von der neuen Forschung vorgeschlagene Multi-Agent-Aerial-AM-Framework besteht aus zwei Schleifen, die auf der langsamen Zeitskala der Planung und der schnellen Zeitskala des Echtzeitbetriebs für die Herstellung und Fortschrittsbeobachtung laufen. In einem Proof-of-Concept nutzten die Forscher ein ScanDrone-Luftbildsystem, um 3D-Scans durchzuführen, um den Fortschritt abzubilden, und bauten einen großen Zylinder aus expandiertem Schaumstoff.

Abbildung 3. Aerial-AM BuilDrone druckte eine 2,05 m hohe zylindrische Geometrie mit 72 Materialabscheidungsdurchgängen und Echtzeit-Druckauswertung durch ScanDrone.

Abbildung 4. Zwei BuilDrones drucken dünnwandige Zylinder in 3D mit einem fehlerkompensierten Delta-Roboter, um zementhaltiges Material aufzutragen.

Abbildung 5. Kuppelförmige rotierende Oberfläche mit virtueller Luft-AM-Multiroboter-Optikspur und virtuellem Druck. a, c sind Flugbahnen, b, d sind Draufsichten und Perspektivansichten. f zeigt Simulationsergebnisse mit 15 Robotern zum Drucken einer vergrößerten Version der Geometrie mit einem Basisdurchmesser von 15 m.

Mithilfe der Materialabscheidung von BuilDrone und der qualitativen Echtzeitauswertung der gedruckten Strukturen durch ScanDrone konnten die Forscher erfolgreich Zylinder mit einer Höhe von bis zu 2,05 Metern drucken und damit die Fähigkeit der Aerial-AM-Methode zur Herstellung großer geometrischer Objekte demonstrieren. Experimente zur Herstellung zementärer dünnwandiger Zylinder zeigten, dass die Kopplung eines selbstausrichtenden Parallel-Delta-Roboters mit einer BuildDrone die Ablage von Material in seitlicher und vertikaler Richtung mit hoher Präzision (maximal 5 mm Positionsfehler) und einer ebenen Fläche ermöglicht innerhalb der durch die britischen Bauvorschriften zulässigen Grenzen.

Virtuelles Stadtbahn-AM und Simulationsergebnisse zeigen, dass das Aerial-AM-Framework verschiedene Geometrien durch parallele Fertigung mit mehreren Robotern effektiv drucken kann, während es gleichzeitig Staus beseitigt und die Anpassung unter abnormalen Bedingungen abschließt.

Während diese Experimente die Machbarkeit von Aerial-AM erfolgreich demonstrieren, sind sie nur ein erster Schritt zur Erforschung des Potenzials des Einsatzes von Flugrobotern im Bauwesen. Forscher sagten, dass zur Realisierung des 3D-Drucks von Häusern mit Drohnen erhebliche Fortschritte in der Robotik und Materialwissenschaft erforderlich seien, insbesondere in Spitzenbereichen wie der Ablagerung von Trägermaterialien, der Verfestigung aktiver Materialien und der Aufgabenteilung zwischen mehreren Robotern . entwickeln.

Was die Drohne selbst betrifft, planen die Forscher, ein Multisensor-System zur simultanen Positionierung und Kartierung (SLAM) mit einem differenziellen globalen Positionierungssystem (GPS) zu implementieren, um die Forschungsergebnisse aus dem Labor zu holen ausreichende Außenposition.

Sobald dies praktikabel ist, kann Aerial-AM eine alternative Möglichkeit zur Unterstützung des Wohnungsbaus und des Baus kritischer Infrastruktur in abgelegenen Gebieten darstellen.

Das obige ist der detaillierte Inhalt vonMehrere Drohnen arbeiten zusammen, um ein Haus in 3D zu drucken, und die Forschung erscheint auf dem Cover von Nature. Für weitere Informationen folgen Sie bitte anderen verwandten Artikeln auf der PHP chinesischen Website!