Wiele UAV współpracowało z drukowaniem 3D, aby zbudować dom, a badania zostały umieszczone na okładce natury

Chcesz zostawić konstrukcję dronom i pozwolić im wykonywać druk 3D?

Często widzimy zajęte gniazdowanie pszczół, mrówek i innych zwierząt. Po doborze naturalnym ich wydajność pracy jest niesamowita.

Zdolność do podziału i współpracy tych zwierząt została „przekazana” bezzałogowcom. Badanie przeprowadzone przez Imperial College of Technology pokazuje nam przyszły kierunek w następujący sposób:

Szarzenie 3D UAV:

Te badania zostały opublikowane na okładce Nature w środę.

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

Aby zademonstrować możliwości UAV, naukowcy wykorzystali piankę i specjalny lekki materiał cementowy do budowy konstrukcji o wysokości od 0,18 m do 2,05 m. W porównaniu z oryginalnym projektem błąd jest mniejszy niż 5 mm.

Aby udowodnić, że system jest w stanie poradzić sobie z bardziej złożonym formowaniem UAV, zespół stworzył sekwencję opóźnienia śladu światła, wykorzystując światła na UAV do symulacji struktury wysokiej kopuły.

Mirko Kovac, kierownik badań i dyrektor Laboratorium Robotyki Lotniczej w Imperial College, powiedział: Ta metoda może być używana do budowania budynków w Arktyce, a nawet na Marsie, lub pomagać w naprawie wysokich budynków, które zwykle wymagają kosztownego rusztowania.

Jednak obecnie ta technologia nadal podlega pewnym ograniczeniom, ponieważ bezzałogowe statki powietrzne są trudne do przenoszenia ciężkich przedmiotów, muszą być regularnie ładowane i nadal wymagają ręcznego nadzoru. Jednak naukowcy powiedzieli, że mają nadzieję złagodzić niektóre z tych problemów poprzez automatyczne ładowanie UAV podczas badania projektu.

Jak realizowany jest druk 3D UAV? W związku z tym naukowcy zbudowali wyrafinowany system.

Wprowadzenie do badań

W celu poprawy produktywności i bezpieczeństwa, proponowana jest technologia konstrukcji robotów do montażu elementów budowlanych i wytwarzania przyrostowego w dowolnej formie (AM). W porównaniu z metodą opartą na montażu, w dowolnej formie ciągłej AM można elastycznie wytwarzać projekt o zmiennej geometrii, który charakteryzuje się wysoką wydajnością i niskim kosztem. Jednak te wielkoskalowe systemy muszą być podłączone do zasilania. Ich kontrola, konserwacja i naprawa są niewygodne, a ich produkcja w trudnych warunkach jest trudna.

Jako alternatywa dla dużych systemów pojedynczych robotów, małe roboty mobilne mogą zapewnić większą elastyczność i skalowalność. Jednak badania nad budową z formowaniem robotów są wciąż we wczesnej fazie rozwoju. Ponadto wysokość robocza multi robota jest obecnie ograniczona i nie zadziała, jeśli przekroczy pewien zakres. Poniższy rysunek przedstawia porównanie platform robotów SOTA opracowanych dla AM w branży budowlanej.

W porównaniu z obecnym systemem robotów i jego nieodłącznymi ograniczeniami, naturalni budowniczowie wykazali większą zdolność adaptacji w budownictwie, a wielu z nich stosuje w tym celu metody lotowe i addytywne. Na przykład jaskółki potrafią latać 1200 razy między źródłem materiału a placem budowy, aby stopniowo uzupełniać gniazdo. Owady społeczne, takie jak termity i osy, wykazują większy stopień adaptacyjności i skalowalności: budowa anten prowadzona przez osy społeczne wykazuje skuteczną i bezpośrednią optymalizację ścieżki, zmniejszając zapotrzebowanie na nawigację w całym procesie budowlanym.

Te naturalne systemy inspirują metodę kolektywnego budowania z wykorzystaniem wieloagentów, która musi rozwiązać problem koordynacji wieloagentów poza obecną dostępną technologią. Oprócz metody kolektywnej interakcji systemów wielorobotowych, projektowanie i użytkowanie materiałów oraz mechanizmy manipulacji środowiskiem muszą zostać zintegrowane i wspólnie opracowane, aby osiągnąć konstrukcję kooperacyjną.

System proponowany przez Imperial College nosi nazwę Aerial AM, który łączy biologiczny mechanizm współpracy z zasadami inżynierii i jest realizowany przez wiele UAV.

Aby osiągnąć autonomiczną produkcję addytywną, zespoły UAV muszą równolegle opracować szereg kluczowych technologii, w tym: 1) roboty powietrzne zdolne do precyzyjnego osadzania materiału i jakości druku oraz oceny jakościowej w czasie rzeczywistym; 2) Zespoły robotów powietrznych mogą nadawać sobie nawzajem swoje działania, udostępniać dane bezprzewodowo i nie przeszkadzać sobie nawzajem; 3) autonomiczny system nawigacji i planowania zadań, w połączeniu ze strategią ścieżki druku, adaptacyjnie wyznacza i rozdziela zadania produkcyjne; 4) Zaprojektuj lub wybierz plany materiałowe, w szczególności lekkie i nadające się do druku mieszanki cementowe, odpowiednie dla metod wytwarzania przyrostowego bez potrzeby stosowania szalunków lub tymczasowych rusztowań.

Aerial AM wykorzystuje dwa rodzaje powietrznych platform robotów, nazwanych odpowiednio BuilDrone i ScanDrone. BuilDrone służy do układania materiałów fizycznych, a ScanDrone służy do wykonywania przyrostowych skanów lotniczych i obserwacji weryfikacyjnych po nałożeniu każdej warstwy materiałów. Obie platformy robotów są skoordynowane pod względem odpowiednich przepływów pracy za pomocą rozproszonych metod wieloagentowych. Cykl budowy obejmuje charakterystykę wydajności drukowania w locie BuilDrones i ScanDrone, adaptację trajektorii w czasie rzeczywistym i drukowanie materiałów BuilDrones oraz weryfikację efektu drukowania przez ScanDrone i ludzkich przełożonych.

Rysunek 2. Ramy AM z powietrza dla nieograniczonej i nieograniczonej AM.

Zaproponowana w nowych badaniach wieloagentowa struktura Aerial AM składa się z dwóch cykli, które przebiegają w planowanej wolnej skali czasu i szybkiej w czasie rzeczywistym operacji, odpowiednio dla produkcji i obserwacji postępu. W ramach weryfikacji koncepcji naukowcy wykorzystali powietrzny system wizyjny skandrona do przeprowadzenia skanowania 3D w celu mapowania postępu, a także wykorzystali spienione materiały piankowe do zbudowania dużego cylindra.

Rysunek 3. Antena AM BuilDrone wydrukowała cylindryczną geometrię o wysokości 2,05 m, w tym 72 przejazdy nanoszenia materiału, a ScanDrone wykonał ocenę drukowania w czasie rzeczywistym.

Rysunek 4. Dwa BuilDrony wykorzystują manipulatory delta kompensacji błędów do drukowania w 3D cienkościennych cylindrów w celu osadzania materiałów cementowych.

Rysunek 5. Wirtualna, obrotowa powierzchnia drukująca w kształcie kopuły z anteną AM multi robot. a. C to tor lotu, b i d to widok z góry i widok perspektywiczny. F przedstawia wyniki symulacji użycia 15 robotów do drukowania powiększonej geometrii o średnicy dolnej 15 m.

Poprzez osadzanie materiału BuilDrone i jakościową ocenę struktury druku w czasie rzeczywistym przez ScanDrone, naukowcy z powodzeniem wydrukowali cylinder o wysokości do 2,05 metra, udowadniając zdolność metody Aerial AM do wytwarzania dużych obiektów geometrycznych. Eksperyment produkcyjny cienkościennego cylindra cementowego dowodzi, że połączenie samonastawnego równoległego manipulatora delta i BuilDrone umożliwia nakładanie materiałów z dużą dokładnością (maksymalny błąd położenia 5 mm) w kierunku poziomym i pionowym, co mieści się w dopuszczalnym zakresie Brytyjskie wymagania architektoniczne.

Wirtualny tor AM i wyniki symulacji pokazują, że model Aerial AM może skutecznie drukować różne kształty geometryczne poprzez równoległą produkcję wielu robotów, rozwiązywać problemy z zatłoczeniem i całkowitą adaptację w nienormalnych warunkach.

Chociaż eksperymenty te z powodzeniem zweryfikowały wykonalność Aerial AM, są tylko pierwszym krokiem do zbadania potencjału wykorzystania robotów powietrznych do budowy. Naukowcy powiedzieli, że realizacja budowy drukarni 3D UAV wymaga znacznego postępu w technologii robotów i materiałoznawstwie, zwłaszcza w dziedzinach pionierskich, takich jak osadzanie materiałów podporowych, utwardzanie materiałów aktywnych i dzielenie zadań między wiele robotów.

W przypadku samego UAV, aby wyniki badań wyszły poza laboratorium, naukowcy planują wdrożyć wieloczujnikowy system jednoczesnego pozycjonowania i mapowania (SLAM) z różnicowym globalnym systemem pozycjonowania (GPS), aby zapewnić wystarczające pozycjonowanie na zewnątrz.

Po wprowadzeniu w życie, Aerial AM może stanowić alternatywny sposób wspierania budownictwa mieszkaniowego i ważnej infrastruktury na odległych obszarach.

Link referencyjny:

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

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

Tytuł oryginalny: Budowanie domu za pomocą wspólnego druku 3D i badań nad okładką natury