Ein Drohnen-„Architekt“ wurde erfunden. Es kann in einer halben Stunde 2 Meter „aufbauen“. Könnte es der zukünftige Erbauer des Mars werden?

Während die Menschen gierig die Erde umgestalten, wird ihr Traum vom Mars stärker.

Seit den 1960er Jahren haben Menschen über 40 Erkundungsmissionen zum Mars durchgeführt, aber bisher noch niemanden dorthin geschickt. Im März dieses Jahres erklärte der mit großer Spannung erwartete Musk, er hoffe, im Jahr 2029 Menschen zum Mars schicken zu können. (Zuvor waren die Termine für 2025 und 2026 geplant.)

Doch selbst wenn es Menschen irgendwann gelingen sollte, auf dem Mars zu landen, werden die rauen Umgebungsbedingungen, wie die dünne Atmosphäre, das kalte Klima und die weit verbreitete Staubentwicklung, es den Menschen auf lange Sicht schwer machen, sich auf der Oberfläche des Mars zu bewegen und zu arbeiten, beispielsweise den Bau menschlicher Wohnstätten und Aktivitätsstätten unter den extremen Bedingungen auf dem Mars.

Ein Forschungsteam des Imperial College London, der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) und ihrer Mitarbeiter hat heute eine neue Möglichkeit für zukünftige Bauvorhaben auf dem Mars vorgestellt.

Inspiriert von Bienen schlugen sie eine neue Baumethode vor, bei der Drohnen zum Bau 3D-gedruckter Strukturen im Flug eingesetzt werden, um den Menschen dabei zu helfen, beliebige Gebäude überall auf der Erde oder anderswo zu errichten.

Abbildung｜Konzeptdiagramm des Baus auf dem Mars. (Quelle: Forschungsteam)

Es wird berichtet, dass diese 3D-Druck-Drohnenschwärme aus BuilDrone (Baudrohne) und ScanDrone (Scandrohne) bestehen. Erstere platziert während des Fluges Baumaterialien auf der Gebäudeoberfläche, während Letztere hauptsächlich für Qualitätskontrollaufgaben zuständig ist, indem sie den Baustatus der ersteren während des Fluges misst und Vorschläge für den nächsten Bau macht.

Das Wichtigste dabei ist, dass diese Drohnen-„Architekten“ unter menschlicher Aufsicht selbstständig in Schwärmen 3D-Strukturen bauen können. Dieser bedeutende Erfolg wurde heute als Titelartikel in der neuesten Ausgabe des Magazins Nature veröffentlicht.

Bild｜Cover der neuesten Ausgabe von Nature. (Quelle: Nature)

Professor Mirko Kovac, korrespondierender Autor des Artikels, Direktor des Aerial Robotics Laboratory am Imperial College London und Leiter des Empa-Zentrums für Robotik, Materialien und Technologien, sagte hierzu: „Unsere Lösung ist skalierbar und kann uns in Zukunft dabei helfen, Gebäude in für Menschen schwer erreichbaren Gebieten (gefährlichen Gebieten, extrem großen Höhen oder abgelegenen Gebieten mit der Gefahr von Naturkatastrophen) zu bauen und zu reparieren.“

Architekten, seien Sie allumfassend

Derzeit werden für den Bau von Gebäuden vor Ort die Montage von Bauteilen und die kontinuierliche additive Fertigung (AM) in freier Form eingesetzt, da sie weniger Sicherheitsprobleme aufweisen und eine höhere Produktivität aufweisen als menschliche Bauarbeiter.

Im Vergleich zu montagebasierten Ansätzen ermöglicht die kontinuierliche additive Freiformfertigung die flexible Produktion geometrisch variabler Designs, wodurch die Materialausnutzung weiter verbessert und die Kosten gesenkt werden.

Derzeit werden bei groß angelegten additiven Fertigungsverfahren für die Freiformkonstruktion vor Ort hauptsächlich Bodenroboter und Portalkransysteme eingesetzt. Allerdings erfordern diese Techniken eine Skalierung der Roboterhardware auf größere Größen als die vorgesehene Fertigungsanlage, was parallele Vorgänge erschwert und Gefahren für Menschen und andere Maschinen auf der Baustelle birgt.

Da diese großen Systeme zudem einen direkten Anschluss an eine Stromquelle benötigen, ist ihre Inspektion, Reparatur oder Herstellung in abgelegenen, schwer zugänglichen Umgebungen schwierig. Zudem ist der Transport oder die Installation großer Infrastrukturen in diesen Umgebungen nicht machbar.

Bild｜Arktis. (Quelle: Pixabay)

Als Alternative zu großen Einzelrobotersystemen bieten Teams aus kleinen mobilen Robotern eine größere Flexibilität und Skalierbarkeit, können größere Geometrien bauen als ein einzelner Roboter allein und haben das Potenzial, effizient und parallel adaptiv auf mehrere Baustellen verteilt zu werden.

Die Forschung zum Einsatz von Roboterteams im Bauwesen befindet sich jedoch noch in der frühen Entwicklungsphase und konzentriert sich derzeit auf die Montage von Bauteilen.

Darüber hinaus werden bei aktuellen additiven Fertigungsansätzen mit mehreren Robotern hauptsächlich mobile Bodenroboterfahrzeuge mit begrenzten Betriebshöhen eingesetzt. Und diese mobilen Systeme sind auch durch viele Faktoren begrenzt, wie etwa Plattformgröße, maximale Gebäudehülle, parallele Fertigungsmöglichkeiten und Zugänglichkeit.

Im Vergleich zu aktuellen künstlichen Robotersystemen können natürliche „Architekten“ (wie Bienen, Termiten und Hausschwalben) Nester im Handumdrehen bauen und sind sehr flexibel.

(Quelle: Pixabay)

So kann beispielsweise eine Schwalbe ihre begrenzte Tragfähigkeit überwinden und 1.200 Mal zwischen der Baumaterialquelle und dem zukünftigen Nistplatz hin- und herfliegen, um ihr eigenes Nest zu bauen; während soziale Insekten wie Termiten und Wespen eine größere Anpassungsfähigkeit und Flexibilität gezeigt haben.

Insbesondere der vom Schwarm durchgeführte Luftbau weist eine effiziente und unkomplizierte Pfadoptimierung auf, wodurch Abhängigkeiten und Einschränkungen von zuvor errichteten Strukturen während des gesamten Bauprozesses reduziert werden.

Insbesondere der vom Schwarm durchgeführte Luftbau weist eine effiziente und unkomplizierte Pfadoptimierung auf, wodurch Abhängigkeiten und Einschränkungen von zuvor errichteten Strukturen während des Bauprozesses reduziert werden.

Inspiriert von diesen natürlichen Systemen schlugen Kovacs Team und seine Mitarbeiter einen neuen Ansatz für kollektives Bauen vor, der als „Aerial Additive Manufacturing“ (Aerial-AM) bezeichnet wird und auf einem Netzwerk ungebundener mobiler Roboter basiert, die als Multiagentensystem agieren.

Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden kann Aerial-AM (im gepunkteten Kasten in der Abbildung unten) eine parallele Fertigung an Orten durchführen, die für Menschen schwer erreichbar sind, ohne regionale Einschränkungen.

Abbildung ｜ Vergleich verschiedener Roboterplattformen für die additive Fertigung. Der Farbverlauf von Rot nach Blau zeigt Verbesserungen bei Baumaßstab, Flexibilität und Zugänglichkeit an. (Quelle: Dieses Dokument)

Der Drohnenschwarm arbeitet nach einem voreingestellten Programmsystem und erledigt die Bauaufgabe im Flug. Sie fliegen völlig autonom, werden jedoch von menschlichen Fluglotsen überwacht. Anhand der Drohneninformationen kontrollieren Lotsen den Baufortschritt und greifen bei Bedarf ein.

29 Minuten, 2,05 Meter hoch

Dem Dokument zufolge verwendet Aerial-AM 3D-Drucktechnologie und ein Pfadplanungsframework, um Drohnen dabei zu helfen, sich während des Bauprozesses an geometrische Änderungen in Strukturen anzupassen.

Die Drohne baute den Proof-of-Concept-Zylinder aus Schaumstoff und zementähnlichen Materialien, bewertete die gedruckte Geometrie während des gesamten Bauprozesses in Echtzeit und passte ihr Verhalten an, um sicherzustellen, dass sie die Fertigungsspezifikationen mit einer Baugenauigkeit von 5 mm (akzeptabel gemäß den britischen Bauvorschriften) erfüllte.

Abbildung ｜ Mithilfe des additiven Fertigungsprinzips der Aerial-AM-Methode können durch den Einsatz mehrerer BuilDrones größere Strukturen gebaut werden.

Zu den Proof-of-Concept-Zylindern gehören ein 2,05 Meter hoher Zylinder (72 Schichten), der im 3D-Druckverfahren aus Polyurethanschaum hergestellt wurde, und ein 18 Zentimeter hoher Zylinder (28 Schichten), der aus einem speziell entwickelten strukturellen Zementmaterial gebaut wurde.

Abbildung | ScanDrone (klein), BuilDrone (groß) und 3D-gedruckte Schaumstoffstruktur. BuilDrone benötigt 24 Sekunden, um eine Schicht zu drucken, und insgesamt 29 Minuten, um 72 Schichten zu drucken. (Quelle: Forschungsteam)

Als autonomes, skalierbares und flexibles additives Fertigungsverfahren kann sich Aerial-AM an Änderungen hinsichtlich Geometrietyp, Maßstab und Roboteranzahl anpassen.

Mithilfe der BuilDrone zur Materialablagerung und der ScanDrone zur qualitativen In-Loop-Bewertung der gedruckten Struktur wurde ein 2,05 Meter hoher Zylinder gedruckt, der die Fähigkeit des Aerial-AM-Ansatzes zur Herstellung großflächiger Geometrien demonstriert .

Darüber hinaus haben andere Fertigungsversuche bewiesen, dass Aerial-AM über eine hohe Genauigkeit (5 mm Positionsfehler) und starke Parallelfähigkeiten verfügt und verschiedene Geometrien effektiv drucken kann.

Diese Experimente haben zwar die Durchführbarkeit von Aerial-AM erfolgreich bestätigt, sie sind jedoch nur der erste Schritt bei der Erforschung des Potenzials der Verwendung von Flugrobotern im Bauwesen .

Um mit dem in dieser Studie vorgeschlagenen Ansatz eine großformatige Herstellung architektonischer Geometrien zu erreichen, sind erhebliche Fortschritte in der Robotik und Materialwissenschaft erforderlich. Insbesondere sind weitere Durchbrüche bei der Abscheidung von Trägermaterialien, der Verfestigung von Aktivmaterialien und der Aufgabenteilung zwischen mehreren Robotern erforderlich .

Abbildung ｜ Konzeptdiagramm des Waldaufbaus. (Quelle: Forschungsteam)

Gleichzeitig bedarf es noch weiterer Forschung im Bereich des Entwurfs und der Konstruktion strukturell wirksamer Geometrien sowie der systematischen Analyse des Verhaltens gedruckter Geometrien.

Um die Forschungsergebnisse aus dem Labor herauszuholen, plant das Forschungsteam, Aerial-AM künftig um ein Multisensor-System zur simultanen Lokalisierung und Kartierung (SLAM) und ein differenzielles globales Positionierungssystem (GPS) zu erweitern, um einen hochpräzisen Positionierungsdienst für den Außenbereich bereitzustellen.

Gleichzeitig erfordert die zunehmende Größenordnung der Bauvorhaben, dass die Material- und Batterieversorgung künftig automatisiert wird. Darüber hinaus werden neue Analysemethoden erforderlich sein, um die Effizienz der verteilten Fertigung im Verhältnis zur Größe der Fertigungsobjekte und der verwendeten Roboterplattformen weiter zu bewerten.

Dennoch stellt das in dieser Studie vorgeschlagene System einen Proof-of-Concept für automatisiertes Aerial-AM dar und könnte eine Grundlage für die Konstruktion mithilfe kollektiver additiver Fertigungssysteme mit mehreren Robotern bieten.

In Zukunft könnte Aerial-AM eine alternative Möglichkeit werden, den Bau von Wohnungen und wichtiger Infrastruktur in abgelegenen Gebieten zu unterstützen. In diesen Regionen stellen die globale Erwärmung, Naturkatastrophen und häufige Unwetter die bestehenden Baumethoden vor beispiellose Herausforderungen.

Um diese Lösung weiter zu verifizieren, wird das Forschungsteam im nächsten Schritt mit Bauunternehmen zusammenarbeiten, um die Konstruktions- und Reparaturmöglichkeiten dieser Lösung weiter zu erforschen .

Lassen Sie uns abschließend die Früchte der Arbeit dieser „Architekten“ würdigen.

Link zum Artikel:

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

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