Robotic Fabricator könnte die Art und Weise verändern, wie Gebäude gebaut werden

Bereits in den 1970er Jahren revolutionierten Roboter die Automobilindustrie und erledigten eine Vielzahl von Aufgaben zuverlässiger und schneller als Menschen. In jüngerer Zeit taucht eine neue Generation sanfterer Roboter in Produktionslinien in anderen Branchen auf. Diese Maschinen sind in der Lage, filigranere Aufgaben wie das Verpacken von Salat zu erledigen. Diese leistungsstarke neue Belegschaft wird die Fertigung auf eine Weise revolutionieren, die bisher kaum vorstellbar ist.

Aber die Baubranche ist kniffliger als viele andere. Baustellen sind komplexe Umgebungen, die sich ständig verändern. Jeder Roboter müsste stark genug sein, um schweres Material zu handhaben, aber leicht und klein genug, um in Standardgebäude einzudringen, und flexibel genug, um sich im Gelände zurechtzufinden.

Das ist eine große Frage, aber die potenziellen Vorteile sind enorm. Bauroboter würden es ermöglichen, neue Arten komplexer Strukturen vor Ort statt in entfernten Fabriken zusammenzubauen und dann zur Baustelle zu transportieren. Dadurch können neue Arten von Strukturen an Ort und Stelle gebaut werden, diese Strukturen könnten tatsächlich in Echtzeit modifiziert werden, um unerwartete Änderungen in der Umgebung zu berücksichtigen.



Was ist also der Stand der Technik bei Baurobotern?

Heute erhalten wir eine Antwort dank der Arbeit von Markus Giftthaler von der ETH Zürich in der Schweiz und einigen Freunden, die eine neue Klasse von Robotern entwickelt haben, die in der Lage sind, neuartige Strukturen auf einer Baustelle zu schaffen. Sie nennen ihren neuen Roboter In Situ Fabricator1 und zeigen heute, was er kann.

Der In Situ Fabricator1 ist von Grund auf praktisch konzipiert. Es kann Dinge mit einer Reihe von Werkzeugen mit einer Genauigkeit von weniger als fünf Millimetern bauen, es ist so konzipiert, dass es in einer komplexen, sich verändernden Umgebung halbautonom arbeitet, es kann die Höhe einer Standardwand erreichen und durch gewöhnliche Türen passen. Und es ist staub- und wasserdicht, wird mit normalem Strom betrieben und verfügt über einen Batterie-Backup. Darüber hinaus muss es mit dem Internet verbunden sein, damit ein Architekt bei Bedarf Änderungen an Plänen in Echtzeit vornehmen kann.

Das sind knifflige Ziele, die der In-Situ-Fabrikator1 jedoch weitgehend erfüllt. Es verfügt über eine Reihe von Kameras zur Erfassung seiner Umgebung und leistungsstarke integrierte Prozessoren für Navigations- und Planungsaufgaben. Es hat auch einen flexiblen, leistungsstarken Roboterarm zum Positionieren von Bauwerkzeugen.

Um seine Fähigkeiten zu demonstrieren, haben Giftthaler und Co. damit zwei Strukturen auf einer experimentellen Baustelle in der Schweiz namens NEST (Next Evolution is Sustainable Building Technologies) gebaut. Die erste ist eine zweischalige gewellte Backsteinmauer, die 6,5 Meter lang und zwei Meter hoch ist und aus 1.600 Ziegeln besteht.

Schon das richtige Positionieren einer solchen Wand auf einer Baustelle ist eine knifflige Aufgabe. In Situ Fabricator1 tut dies, indem er die Karte der Baustelle, die er von seinen Sensoren gesammelt hat, mit den Plänen des Architekten vergleicht. Aber selbst dann muss es die Flexibilität haben, unvorhergesehene Probleme wie unebenes Gelände oder Materialdurchbiegungen zu berücksichtigen, die die Form einer Struktur verändern.

Um die konstruktionsbezogenen Potenziale des Einsatzes eines solchen Roboters für die Fertigung voll auszuschöpfen, ist es unerlässlich, nicht nur die Manipulationsfähigkeiten dieses Roboters zu nutzen, sondern auch die Möglichkeit zu nutzen, seine Sensordaten beispielsweise in die Konstruktionsumgebung zurückzukoppeln Geschenktaler und Co.

Die so entstandene Wand, bei der alle Ziegel auf sieben Millimeter genau positioniert sind, ist ein beeindruckendes Bauwerk.

Die zweite Aufgabe bestand darin, Drähte zu einem komplexen, gebogenen Stahlgitter zusammenzuschweißen, das mit Beton gefüllt werden kann. Wieder einmal erwies sich die Flexibilität von In Situ Fabricator1 als entscheidend. Ein Problem beim Schweißen besteht darin, dass der Prozess Spannungen erzeugt, die die Gesamtform der Struktur auf unvorhersehbare Weise verändern können. Daher muss der Roboter in jeder Phase der Konstruktion die Struktur beurteilen und etwaige Formänderungen berücksichtigen, während er den nächsten Satz Drähte zusammenschweißt. Wieder einmal sind die Ergebnisse bei NEST beeindruckend.

In Situ Fabricator1 ist natürlich nicht perfekt. Als Proof-of-Principle-Gerät verwenden Giftthaler und Co. es, um Verbesserungen zu identifizieren, die sie an der nächsten Generation von Baurobotern vornehmen können. Einer davon ist, dass der In Situ Fabricator1 mit fast 1,5 Tonnen zu schwer ist, um in viele Standardgebäude einzudringen – 500 Kilogramm sind das Ziel für zukünftige Maschinen.

Das vielleicht bedeutendste Problem ist jedoch eine praktische Grenze für die Stärke und Flexibilität von Roboterarmen. In Situ Fabricator1 ist in der Lage, Objekte bis zu etwa 40 Kilogramm zu manipulieren, sollte aber idealerweise in der Lage sein, Objekte mit einem Gewicht von bis zu 60 Kilogramm zu handhaben.

Aber das stößt an eine praktische Grenze. Der Arm von In Situ Fabricator1 wird von Elektromotoren gesteuert, die schwerere Objekte nicht mit der gleichen Präzision handhaben können. Darüber hinaus sind Elektromotoren unter den Bedingungen auf Baustellen notorisch unzuverlässig, weshalb die meisten schweren Maschinen auf diesen Baustellen hydraulisch sind.

Also arbeiten Giftthaler und Co. bereits an einer Lösung. Diese Jungs haben einen hydraulischen Aktuator entworfen und gebaut, der einen Roboterarm der nächsten Generation steuern kann, während er schwerere Objekte zuverlässiger und mit der gleichen Präzision handhabt. Sie verwenden dieses Design bereits, um den Bauroboter der nächsten Generation zu bauen, den sie In Situ Fabricator2 nennen und der bis Ende dieses Jahres fertig sein soll.

All dies ist vielversprechend für die Bauindustrie. Andere Gruppen haben Fortschritte wie den 3D-Druck von Neubauten getestet. Eine wesentliche Einschränkung des 3D-Drucks besteht jedoch darin, dass das Gebäude nicht größer als der 3D-Drucker sein kann. Ein Roboter, der Dinge konstruieren kann, die größer sind als er selbst, ist also ein nützlicher Fortschritt.

Aber es liegt noch viel Arbeit vor uns. Die Baubranche ist von Natur aus konservativ. Die relativ lange Vorlaufzeit bei der Erstellung neuer Gebäude (ganz zu schweigen von der damit verbundenen Bürokratie) erschweren es Bauunternehmen, in diese Art von Hightech-Ansatz zu investieren.

Aber die Arbeit von Giftthaler und Co. sollte dazu beitragen, dies zu überwinden und die Fähigkeit von Robotern zu demonstrieren, völlig neue Formen von Strukturen zu schaffen. Es wird interessant sein zu sehen, ob sie für die Bauindustrie das tun können, was Roboter für Autos getan haben und weiterhin tun.

Ref: arxiv.org/abs/1701.03573 : Mobile Robotic Fabrication im Maßstab 1:1: der In-situ-Fabrikator

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