Multi UAV hanno collaborato con la stampa 3D per costruire una casa e la ricerca è stata messa al riparo dalla natura

Ti piacerebbe lasciare la costruzione ai droni e far eseguire loro la stampa 3D?

Spesso possiamo vedere api, formiche e altri animali intenti a nidificare. Dopo la selezione naturale, la loro efficienza lavorativa è sorprendente.

La capacità di divisione e cooperazione di questi animali è stata "trasmessa" agli UAV. Uno studio dell'Imperial College of Technology ci mostra la direzione futura, come segue:

Incanutimento 3D dell'UAV:

Questa ricerca è stata pubblicata sulla copertina di Nature mercoledì.

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

Per dimostrare la capacità dell'UAV, i ricercatori hanno utilizzato schiuma e uno speciale materiale cementizio leggero per costruire strutture di altezza variabile da 0,18 ma 2,05 m. Rispetto al progetto originale, l'errore è inferiore a 5 mm.

Per dimostrare che il sistema è in grado di gestire una formazione UAV più complessa, il team ha creato una sequenza di ritardo della scia luminosa utilizzando le luci dell'UAV per simulare una struttura a cupola alta.

Mirko Kovac, leader della ricerca e direttore del Laboratorio di Robotica Aerea dell'Imperial College, ha dichiarato: Questo metodo può essere utilizzato per costruire edifici nell'Artico o anche su Marte, o aiutare a riparare grattacieli che di solito richiedono costose impalcature.

Tuttavia, al momento, questa tecnologia è ancora soggetta ad alcune restrizioni, perché gli UAV sono difficili da trasportare oggetti pesanti, devono essere caricati regolarmente e necessitano ancora di una supervisione manuale. Tuttavia, i ricercatori hanno affermato che speravano di alleviare alcuni di questi problemi caricando automaticamente l'UAV durante lo studio del progetto.

Come viene realizzata la stampa 3D UAV? A questo proposito, i ricercatori hanno costruito un sistema sofisticato.

Introduzione alla ricerca

Al fine di migliorare la produttività e la sicurezza, viene proposta la tecnologia di costruzione basata su robot per l'assemblaggio di componenti edilizi e la produzione additiva continua (AM) in forma libera. Rispetto al metodo basato sull'assemblaggio, l'AM continuo a forma libera può produrre in modo flessibile un design geometrico variabile, caratterizzato da alta efficienza e basso costo. Tuttavia, questi sistemi su larga scala devono essere collegati all'alimentazione. È scomodo ispezionarli, mantenerli e ripararli ed è difficile produrli in ambienti difficili.

In alternativa ai grandi sistemi a robot singolo, i piccoli robot mobili possono fornire maggiore flessibilità e scalabilità. Tuttavia, la ricerca sulla costruzione con la formazione di robot è ancora nella fase iniziale di sviluppo dell'esplorazione. Inoltre, l'altezza operativa del multi robot è attualmente limitata e non funzionerà se supera un determinato intervallo. La figura seguente mostra il confronto tra le piattaforme robot SOTA sviluppate per AM nel settore edile.

Rispetto all'attuale sistema robotico e ai suoi limiti intrinseci, i costruttori naturali hanno mostrato una maggiore adattabilità nella costruzione e molti utilizzano metodi di volo e di costruzione additiva per raggiungere questo obiettivo. Ad esempio, le rondini possono volare 1200 volte tra la fonte materiale e il cantiere per completare gradualmente il nido. Insetti sociali come termiti e vespe mostrano un maggiore grado di adattabilità e scalabilità: la costruzione aerea condotta dalle vespe sociali mostra un'ottimizzazione del percorso efficiente e diretta, riducendo la richiesta di navigazione nell'intero processo di costruzione.

Questi sistemi naturali ispirano il metodo di costruzione collettiva che utilizza il multi-agente, che deve risolvere il problema di coordinamento del multi-agente al di là dell'attuale tecnologia disponibile. Oltre al metodo di interazione collettiva dei sistemi multi-robot, la progettazione e l'uso dei materiali e i meccanismi di manipolazione ambientale devono essere integrati e sviluppati congiuntamente per ottenere una costruzione cooperativa.

Il sistema proposto dall'Imperial College si chiama Aerial AM, che combina il meccanismo di cooperazione biologica con i principi dell'ingegneria ed è realizzato da più UAV.

Per ottenere la produzione additiva autonoma, i team UAV devono sviluppare una serie di tecnologie chiave in parallelo, tra cui: 1) robot aerei in grado di deporre materiale ad alta precisione e qualità di stampa e valutazione qualitativa in tempo reale; 2) I team di robot aerei possono trasmettere le proprie attività tra loro, condividere i dati in modalità wireless e non interferire tra loro; 3) Il sistema autonomo di navigazione e pianificazione delle attività, combinato con la strategia del percorso di stampa, determina e distribuisce in modo adattivo le attività di produzione; 4) Progettare o selezionare piani materiali, in particolare miscele cementizie leggere e stampabili, idonei per metodi di produzione additiva aerea senza la necessità di casseforme o ponteggi temporanei.

Aerial AM utilizza due tipi di piattaforme robotiche aeree, denominate rispettivamente BuilDrone e ScanDrone. BuilDrone viene utilizzato per impilare materiali fisici e ScanDrone viene utilizzato per eseguire la scansione aerea incrementale e l'osservazione di verifica dopo che ogni strato di materiali è stato depositato. Le due piattaforme robotiche sono coordinate sui rispettivi flussi di lavoro attraverso metodi distribuiti multi-agente. Il ciclo di costruzione include la caratterizzazione delle prestazioni di stampa in volo di BuilDrones e ScanDrone, l'adattamento della traiettoria in tempo reale e la stampa dei materiali di BuilDrones e la verifica dell'effetto di stampa da parte di ScanDrone e supervisori umani.

Figura 2. Framework AM aereo per AM illimitato e illimitato.

Il framework Aerial AM multi-agente proposto dalla nuova ricerca è costituito da due cicli, che funzionano sulla scala temporale lenta pianificata e sulla scala temporale veloce operativa in tempo reale rispettivamente per la produzione e l'osservazione del progresso. Nella prova di concetto, i ricercatori hanno utilizzato il sistema di visione aerea scandrone per condurre la scansione 3D per mappare i progressi e hanno utilizzato materiali in schiuma espansa per costruire un grande cilindro.

Figura 3. Antenna AM BuilDrone ha stampato una geometria cilindrica alta 2,05 m, inclusi 72 viaggi di deposizione del materiale, e ScanDrone ha eseguito una valutazione della stampa in tempo reale.

Figura 4. Due BuilDrone utilizzano manipolatori delta di compensazione dell'errore per stampare in 3D cilindri a parete sottile per depositare materiali cementizi.

Figura 5. Superficie rotante a forma di cupola di stampa virtuale con tracciatura multi robot aerea AM. un. C è la traiettoria di volo, b e d sono la vista dall'alto e la vista prospettica. F mostra i risultati della simulazione dell'utilizzo di 15 robot per stampare una geometria ingrandita, con un diametro inferiore di 15 m.

Attraverso la deposizione di materiale di BuilDrone e la valutazione qualitativa in tempo reale della struttura di stampa da parte di ScanDrone, i ricercatori hanno stampato con successo un cilindro alto fino a 2,05 metri, dimostrando la capacità del metodo Aerial AM di produrre grandi oggetti geometrici. L'esperimento di fabbricazione del cilindro a parete sottile in cemento dimostra che l'accoppiamento del manipolatore a delta parallelo autoallineante e del BuilDrone consente di depositare i materiali con un'elevata precisione (errore di posizione massimo di 5 mm) nelle direzioni orizzontale e verticale, che rientra nell'intervallo consentito di Requisiti architettonici britannici.

La traccia virtuale AM ​​e i risultati della simulazione mostrano che il framework Aerial AM può stampare efficacemente varie forme geometriche attraverso la produzione parallela di più robot, risolvere la congestione e completare l'adattamento in condizioni anormali.

Sebbene questi esperimenti abbiano verificato con successo la fattibilità di Aerial AM, sono solo il primo passo per esplorare il potenziale dell'utilizzo di robot aerei per la costruzione. I ricercatori hanno affermato che per realizzare la costruzione della tipografia 3D dell'UAV, è necessario compiere progressi significativi nella tecnologia robotica e nella scienza dei materiali, in particolare nei campi di frontiera come la deposizione di materiali di supporto, la polimerizzazione di materiali attivi e la condivisione di attività tra più robot.

Per lo stesso UAV, al fine di far uscire i risultati della ricerca dal laboratorio, i ricercatori stanno pianificando di implementare un sistema di posizionamento e mappatura simultanea multisensore (SLAM) con sistema di posizionamento globale differenziale (GPS) per fornire un posizionamento all'aperto sufficiente.

Dopo essere stato messo in pratica, Aerial AM può fornire un modo alternativo per supportare la costruzione di alloggi e importanti infrastrutture in aree remote.

Link di riferimento:

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

https://www.technologyreview.com/2022/09/21/1059864/drones{4}}d-print-tower/

Titolo originale: Building a House with Multi UAV Collaborative 3D Printing e Research on the Cover of Nature