Vários UAVs cooperaram com a impressão 3D para construir uma casa, e a pesquisa foi colocada na capa da natureza

Você gostaria de deixar a construção para os drones e deixá-los realizar a impressão 3D?

Muitas vezes podemos ver abelhas, formigas e outros animais ocupados fazendo ninhos. Após a seleção natural, sua eficiência de trabalho é incrível.

A capacidade de divisão e cooperação desses animais foi "passada" para os UAVs. Um estudo do Imperial College of Technology nos mostra a direção futura, como segue:

Cinza 3D do UAV:

Esta pesquisa foi publicada na capa da Nature na quarta-feira.

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

Para demonstrar a capacidade do UAV, os pesquisadores usaram espuma e um material especial de cimento leve para construir estruturas que variam em altura de 0,18m a 2,05m. Comparado com o projeto original, o erro é inferior a 5 mm.

Para provar que o sistema pode lidar com uma formação de UAV mais complexa, a equipe criou uma sequência de atraso de trilha leve usando as luzes do UAV para simular uma estrutura de cúpula alta.

Mirko Kovac, líder da pesquisa e diretor do Laboratório de Robótica Aérea do Imperial College, disse: Este método pode ser usado para construir edifícios no Ártico ou mesmo em Marte, ou ajudar a reparar arranha-céus que geralmente exigem andaimes caros.

No entanto, atualmente, essa tecnologia ainda está sujeita a algumas restrições, porque os UAVs são difíceis de transportar objetos pesados, precisam ser carregados regularmente e ainda precisam de supervisão manual. No entanto, os pesquisadores disseram que esperavam aliviar alguns desses problemas carregando automaticamente o UAV durante o estudo do projeto.

Como é realizada a impressão 3D UAV? Nesse sentido, os pesquisadores construíram um sistema sofisticado.

Introdução à pesquisa

A fim de melhorar a produtividade e a segurança, a tecnologia de construção baseada em robôs é proposta para montagem de componentes de construção e manufatura aditiva contínua (AM) de forma livre. Comparado com o método baseado na montagem, o AM contínuo de forma livre pode produzir de forma flexível um projeto geométrico variável, caracterizado por alta eficiência e baixo custo. No entanto, esses sistemas de grande escala precisam ser conectados à fonte de alimentação. É inconveniente inspecioná-los, mantê-los e repará-los, e é difícil fabricá-los em ambientes agressivos.

Como alternativa aos grandes sistemas de robôs únicos, os pequenos robôs móveis podem fornecer maior flexibilidade e escalabilidade. No entanto, a pesquisa sobre construção com formação de robôs ainda está em estágio inicial de desenvolvimento. Além disso, a altura de operação do robô múltiplo é limitada no momento e não funcionará se exceder um determinado intervalo. A figura abaixo mostra a comparação entre as plataformas de robôs SOTA desenvolvidas para AM na indústria da construção.

Em comparação com o sistema de robôs atual e suas limitações inerentes, os construtores naturais mostraram maior adaptabilidade na construção, e muitos usam métodos de construção de voo e aditivos para conseguir isso. Por exemplo, as andorinhas podem voar 1200 vezes entre a fonte de material e o local de construção para completar gradualmente o ninho. Insetos sociais, como cupins e vespas, apresentam maior grau de adaptabilidade e escalabilidade: a construção aérea realizada por vespas sociais apresenta uma otimização eficiente e direta do caminho, reduzindo a demanda de navegação em todo o processo construtivo.

Esses sistemas naturais inspiram o método de construção coletiva usando multiagente, que precisa resolver o problema de coordenação multiagente além da tecnologia atual disponível. Além do método de interação coletiva de sistemas multi-robô, o design e uso de materiais e os mecanismos de manipulação ambiental devem ser integrados e desenvolvidos em conjunto para alcançar a construção cooperativa.

O sistema proposto pelo Imperial College é denominado Aerial AM, que combina mecanismo de cooperação biológica com princípios de engenharia e é realizado por múltiplos UAVs.

Para alcançar a fabricação aditiva autônoma, as equipes de UAV precisam desenvolver várias tecnologias-chave em paralelo, incluindo: 1) robôs aéreos capazes de deposição de material de alta precisão e qualidade de impressão e avaliação qualitativa em tempo real; 2) As equipes de robôs aéreos podem transmitir suas próprias atividades entre si, compartilhar dados sem fio e não interferir entre si; 3) O sistema autônomo de navegação e planejamento de tarefas, combinado com a estratégia do caminho de impressão, determina e distribui de forma adaptativa as tarefas de fabricação; 4) Projetar ou selecionar planos de materiais, especialmente misturas de cimento leves e imprimíveis, adequadas para métodos de fabricação aditiva aérea sem a necessidade de cofragem ou andaimes temporários.

Aerial AM usa dois tipos de plataformas de robôs aéreos, chamadas BuilDrone e ScanDrone, respectivamente. O BuilDrone é usado para empilhar materiais físicos e o ScanDrone é usado para realizar varredura aérea incremental e observação de verificação após cada camada de material ser depositada. As duas plataformas de robôs são coordenadas em seus respectivos fluxos de trabalho por meio de métodos multiagentes distribuídos. O ciclo de construção inclui a caracterização do desempenho de impressão em voo de BuilDrones e ScanDrone, a adaptação de trajetória em tempo real e impressão de material de BuilDrones, e a verificação do efeito de impressão por ScanDrone e supervisores humanos.

Figura 2. Estrutura de AM aéreo para AM irrestrito e ilimitado.

A estrutura de AM Aéreo multiagente proposta pela nova pesquisa consiste em dois ciclos, que são executados na escala de tempo lenta planejada e na escala de tempo rápido de operação em tempo real, respectivamente, para fabricação e observação do progresso. Na prova de conceito, os pesquisadores usaram o sistema de visão aérea Scandrone para realizar a digitalização 3D para mapear o progresso e usaram materiais de espuma expandida para construir um grande cilindro.

Figura 3. Aerial AM BuilDrone imprimiu geometria cilíndrica de 2,05 m de altura, incluindo 72 viagens de deposição de material, e o ScanDrone realizou avaliação de impressão em tempo real.

Figura 4. Dois BuildDrones usam manipuladores delta de compensação de erro para imprimir em 3D cilindros de paredes finas para depositar materiais cimentícios.

Figura 5. Superfície giratória em forma de cúpula de impressão virtual de trilha multi-robô AM aérea. uma. C é a trajetória de voo, b e d são a vista superior e a vista em perspectiva. F mostra os resultados da simulação do uso de 15 robôs para imprimir geometria ampliada, com diâmetro inferior de 15 m.

Através da deposição de material do BuilDrone e da avaliação qualitativa em tempo real da estrutura de impressão pelo ScanDrone, os pesquisadores imprimiram com sucesso um cilindro de até 2,05 metros de altura, comprovando a capacidade do método Aerial AM de fabricar grandes objetos geométricos. A experiência de fabricação do cilindro de parede fina de cimento comprova que o acoplamento do manipulador delta paralelo autocompensador e do BuilDrone permite que os materiais sejam depositados com alta precisão (erro de posição máximo de 5 mm) nas direções horizontal e vertical, que está dentro da faixa permitida de Requisitos arquitetônicos britânicos.

A trilha virtual AM e os resultados da simulação mostram que a estrutura Aerial AM pode efetivamente imprimir várias formas geométricas por meio da fabricação paralela de vários robôs, resolver congestionamentos e adaptação completa sob condições anormais.

Embora esses experimentos tenham verificado com sucesso a viabilidade do Aerial AM, eles são apenas o primeiro passo para explorar o potencial do uso de robôs aéreos para construção. Os pesquisadores disseram que, para realizar a construção da casa de impressão 3D do UAV, é necessário um progresso significativo na tecnologia de robôs e na ciência de materiais, especialmente nos campos de fronteira, como a deposição de materiais de suporte, cura de materiais ativos e compartilhamento de tarefas entre vários robôs.

Para o próprio UAV, a fim de fazer com que os resultados da pesquisa saiam do laboratório, os pesquisadores planejam implementar um sistema de posicionamento e mapeamento simultâneo multissensor (SLAM) com sistema de posicionamento global diferencial (GPS) para fornecer posicionamento externo suficiente.

Após ser colocado em prática, o Aerial AM pode ser uma alternativa para apoiar a construção de moradias e importantes infraestruturas em áreas remotas.

Link de referência:

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

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

Título original: Building a House with Multi UAV Collaborative 3D Printing and Research on the Cover of Nature