マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者らによる新たな研究によると、ロボットで組み立てるビルディングブロックは、既存の建設技術よりも環境に優しい大規模構造物の建設方法となる可能性がある。
研究チームは、複雑で耐久性のある構造に組み立てられたモジュール式 3D サブユニットである「ボクセル」を使用して単純な建物を建設する有効性を評価するための実現可能性調査を実施しました。
複数のボクセルのパフォーマンスを研究した後、研究者らは建物の建設を合理化するために設計された 3 つの新しい設計を開発しました。また、ボクセルベースの建設レイアウトを生成し、ロボットに指示を与えるためのロボット アセンブラとユーザーフレンドリーなインターフェイスも作成します。
彼らの結果は、ボクセルベースのロボット組立システムが、3D コンクリート印刷、プレキャストコンクリート、鉄骨フレームなどの一般的な技術と比較して、固化炭素 (建築材料のライフサイクル中に排出されるすべての炭素) を 82% 削減できることを示しています。このシステムはコストと構築時間の面でも競争力があります。ただし、ボクセルの作成に使用される材料の選択は、二酸化炭素排出量とコストに大きな影響を与えます。
このようなシステムが広く導入される前に、拡張性、耐久性、長期的な堅牢性、耐火性などの重要な考慮事項はまだ検討されていないが、研究者らは、これらの初期結果は自動化された現場建設におけるこのアプローチの可能性を浮き彫りにしていると述べている。
「離散格子のロボットによる組み立てによって、より効率的かつ持続可能な方法で構築環境にデジタル ファブリケーションを適用する実用的な方法がどのように可能になるかについて、特に興奮しています」と、MIT ビット・アトムセンター (CBA) の大学院生であり、この研究の筆頭著者であるミアンナ・スミスは言う。
この記事には、スイスのローザンヌ連邦工科大学エコール・ポリテクニックの修士課程の学生であり、MITの元客員研究員であるポール・リチャードも参加している。アルフォンソ・パラ・ルビオ、CBA大学院生。そして主著者のニール・ガーシェンフェルド氏はMIT教授でCBA理事でもある。この研究は、 建設における自動化。
より優れた構成要素を設計する
過去数年にわたり、Center for Bits and Atoms の研究者らはボクセルを開発してきました。ボクセルは、飛行機の翼、風力タービンのブレード、宇宙構造物など、強度と剛性の高い物体を組み立てることができる格子の構成要素です。
「ここでは、航空宇宙の原理を取り入れて建物に適用しています。飛行機を作るのと同じくらい効率的に建物を作ってみませんか?」ガーシェンフェルド氏は、彼の研究室がNASA、エアバス、ボーイングと協力してボクセルトレーニングを行った過去の研究に基づいて述べた。
建物のボクセルベースの組み立て戦略の実現可能性を調査するために、研究者らはまず、ガラス強化ナイロン製の立方八面体やスチール製のケルビン格子など、8つの既存のボクセル設計の機械的性能と持続可能性を評価した。
これらの推定に基づいて、彼らはロボットによってより簡単に大きな構造に組み立てることができる新しい形状を使用して 3 つのボクセルのセットを開発しました。高強度、高剛性のオクテット格子に基づいた新しいデザインは、機械的に整列して剛構造を形成します。
「これらのボクセルの連動する性質により、システムに多くのコネクタを必要とせずに優れた機械的特性を得ることができるため、構築プロセスをより高速に実行できるようになります」と Smith 氏は言います。
建設をスピードアップするために、彼らは、体を固定して伸ばすことによってボクセル構造上を這うワームのようなロボットに基づいたロボット組立システムを設計しました。インチワーム格子アセンブラー モジュラー ロボット (MILAbot) は、両端のグリッパーを使用してボクセル ビルディング ブロックを配置し、スナップ接続を接続します。
「ロボットは、ボクセルを所定の位置に落とし、それを踏んでピースがぴったり合うように組み立てることができます。ロボットとボクセルの間の機械的な関係に基づいて、正確な操作を行うことができます」とスミス氏は説明します。
チームは、プラスチック、合板、スチールの 3 つの材料を使用して、新しいボクセル設計を作成するために必要な具体化されたカーボンを調査しました。次に、ロボット組立システムを使用して単純な 1 階建ての建物を建設する場合の生産性とコストを評価しました。研究者らはこれらの推定値を他の工法の性能と比較しました。
潜在的な環境上の利点
彼らは、ほとんどの既存のボクセル、特にプラスチック製のボクセルは持続可能性の点で既存の方法と比較してパフォーマンスが劣っていましたが、彼らが設計した鋼鉄と木製のボクセルは環境に大きな利点をもたらしたことがわかりました。
たとえば、スチール ボクセルを使用すると、3D コンクリート プリントに必要な固化炭素の 36 パーセントしか生成されず、プレキャスト コンクリートの固化炭素の 52 パーセントしか生成されません。合板ボクセルは二酸化炭素排出量が最も低く、必要な固形炭素のそれぞれ約 17% と 24% を必要としました。
「プラスチック ベースのボクセル アプローチには、潜在的に実行可能な選択肢がまだあります。使用するプラスチック、充填、ジオメトリの種類についてもう少し戦略的にする必要があるだけです」と Smith 氏は言います。
さらに、鉄鋼および木材ボクセル アプローチの予測現場組立時間は平均 99 時間でしたが、既存の工法では平均 155 時間でした。
これらの速度の利点は、ボクセルベースの合成の分散型の性質に依存しています。 1 台の MILAbot が単独で動作する場合は既存の技術よりもはるかに時間がかかりますが、20 台のロボットのチームが並行して動作する場合、システムは低コストで既存の自動化手法に追いつくか、それを超えます。
「この方法の利点の 1 つは、拡張性の高さです。建物を作り始めることができ、新しい部屋が必要になった場合は、構造を追加するだけで済みます。また、可逆的であるため、用途が変わった場合は、ボクセルを分解して構造を変更することができます。」とガーシェンフェルド氏は言います。
研究者らは、ユーザーがボクセル化された構造を手動で入力または設計できるインターフェースも開発しました。自動化システムは、工事のために MILAbot が進むべき経路を決定し、車両にコマンドを送信します。
このプロジェクトの次のステップは、計画された持続可能な都市のための建設検査ロボットを複製するためにCBAがブータンでの建設を支援した「豪華なスーパーラボ」を使用して、ブータンに大規模なテストベッドを設置する予定である、とガーシェンフェルド氏は述べた。
今後の追加の作業領域には、横荷重下でのボクセル構造の安定性の研究、システムの物理学を説明するための設計ツールの改善、MILAbot の改善、シート、絶縁体または電気配線、および配管に統合されたボクセルの評価が含まれます。
「私たちの研究は、この種の分散型ロボットによる組み立てを行うことが、デジタル製造を建築建設に導入する実行可能な方法である理由を裏付けるのに役立ちます」とスミス氏は言います。
「これは、ニール・ガーシェンフェルド氏と彼のチームが、小型ロボット機械の助けを借りて建物を自動的に構築する方法を見つけた、もう一つの先見の明のある例です。私は今、そのようなアイデアをどのように活用して、建物の外側をより興味深く、楽しいものにすることができるかに興味を持っています」と、ヒースウィック建築事務所の創設者であるトーマス・ヒースウィック氏は語る。
この研究の資金の一部は、MIT Center for Bits and Atoms Consortium によって提供されました。
