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机器人和人类合作彻底改变建筑!

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普林斯顿大学的两位研究人员,建筑师Stefana Parascho和 Sigrid Adriaenssens教授梦想使用机器人来简化施工,即使在构建复杂的结构时也是如此。

“我们希望使用机器人以更可持续的方式建造美丽的建筑,”因此,教授们与建筑和工程公司Skidmore, Owings and Merrill(SOM)合作,为去年三月在伦敦举行的SOM展览“结构剖析”创作了一个引人注目的独特装置。 他们使用英国全球机器人公司提供的两个工业机器人建造了一个令人惊叹的拱顶,高7英尺,宽12英尺,长21英尺,由Poesia Glass Studio的338块透明玻璃砖构成。


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即将完工的中央拱门等待着它的最后一块砖。与整个LightVault结构一样,中央拱门的构造没有任何脚手架或其他外部支撑。两个工业机器人轮流放置一块砖并支撑结构,从一侧到另一侧工作。


至关重要的是,LightVault 以两种方式减少了资源使用:在施工过程中消除了对形式或脚手架的需求,并通过使其双弯曲来提高拱顶的结构效率,从而减少了所需的材料量。这些之所以成为可能,是因为机器人的力量和精度。

“我试图找出机器人可以做什么人类做不好的事情,”助理教授Parascho说。Parascho在普林斯顿建筑研究中,提出了金库机器人组装背后的想法。她是普林斯顿CREATE实验室计算和机器人技术负责人。

“我的工作不是试图通过自动化来取代人类的劳动力,而是通过使用机器人来完成人类相当不擅长的任务来增加建筑的可能性,”她说。“例如,拿着一块3公斤(7磅)的砖头七分钟——不动,让胶水干燥——对人类来说很难做到。”

“机器人建造开辟了许多设计和建造机会,机器人可以补充人类的工作,”SOM副总监兼高级结构工程师亚历山德罗·贝吉尼(Alessandro Beghini)说,他曾在LightVault项目上合作过。“机器人可以在人们工作危险或难以接近人类的地方使用。”

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最后的全尺寸玻璃LightVault在伦敦的“结构剖析:艺术与建筑的未来”展览中展出。

机器人天生擅长在太空中执行精确的运动,不像人类需要向导或支撑结构来构建复杂的几何形状。这就是激发研究人员探索引人注目和意想不到的形状的潜力的原因。

土木与环境工程博士生爱德华·布鲁恩(Edvard Bruun )参与了该项目的实施。他指出,虽然人类建造者需要仔细检查他们的建筑物块的位置,但“通过利用机器人在3D空间导航中的固有精度,我们可以花更多的时间专注于使设计尽可能高效,同时不会陷入通常与这种结构相关的物理施工挑战中。”

该团队设计了一个过程,其中两个机器人一起工作,在没有任何脚手架或其他支撑的情况下组装拱顶的中央拱门。每个机器人将放置一块砖,然后保持结构,而另一个机器人放置下一块砖。

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Isla Xi Han是一名建筑技术博士生,曾参与开发LightVault原型,他在普林斯顿大学的ECL上研究了混凝土和玻璃原型。

“美观和材料或结构效率并不相互排斥,”布鲁恩说。“建筑是能源和材料密集型的。未来的全球福祉取决于能否建造坚固的建筑,这些建筑是用多少材料建造的。机器人有潜力帮助我们实现这一目标,因为我们开发了更好的方法来在建筑工作中利用它们。

Isla Xi Han是Parascho实验室的博士生,负责开发和实施机器人制造工艺。

“为了描述LightVault,我倾向于跳迷你舞,”她说。“建造拱门的传统方法是两只手从两端伸出,在顶部中间相遇。与此同时,两个做拱门的机械臂正在滚动的手从左到右扫过。

机器人一起完成中央拱门的建造后,他们转而独立工作,每个机器人在拱顶的一侧建造。为了确保未完成结构的稳定性,砖块的放置使得每块新放置的砖块都能支撑下一块砖。

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Stefana Parascho教授和Sigrid Adriaenssens教授与Skidmore,Owings和Merrill(SOM)合作设计了LightVault,该模型由英国Global Robots的两台工业机器人建造。最终结构高7英尺,宽12英尺,长21英尺,由Poesia Glass Studio的338块透明砖块构成。

虽然团队的意图从一开始就很明确,但实施并不那么简单。

为了及时建造伦敦展览的保险库,该团队用物理原型测试了每个决定,从小规模的概念验证到全尺寸模型。总共建造了八个结构 一些在普林斯顿建筑学院的具身计算实验室,一些在Global Robots,一个在伦敦的展览空间。

挑战包括找到一种连接系统,一旦组装好,就可以安全地将玻璃砖固定到位,确定正确的施工顺序以确保拱顶的结构完整性,以及控制机械臂的不可预测运动,使它们不会相互碰撞或与结构的已完成部分发生碰撞。

“我学会了尊重机器人的'个性',而不仅仅是告诉可怜的机器人做事,”Isla Xi Han说。“有一次,机器人的肘部不断撞击现有结构的一部分。我们最终在预期设计中退后了一步——同样在人机协作方面也向前迈出了一步——将结构按摩成不对称的形状,以帮助机器人在整个施工过程中更舒适地移动。双方都很高兴——这是双赢的。”

即使有如此多的测试和努力来预测可能出错的一切,该团队还是遇到了“惊喜”。“我们为伦敦安装购买的空气压缩机不够坚固,”SOM高级结构工程师Samantha Walker说。“我们最终在最后一刻采购了一个不同的、更强大的产品。你可以花很多时间专注于解决复杂的问题,最终,看似显而易见的问题可能会导致最大的问题。

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其中一个建筑机器人通过伦敦Ambika P3画廊的双曲线LightVault结构可以看到。

Parascho说,“还有一次,在使用更轻的材料成功制作原型之后,使用玻璃砖进行的两次测试“最终导致整个实验室的玻璃破碎”。仔细分析表明,机器人本身在拱门的重量下变形了几英寸。“这让我们重新思考整个施工顺序,以限制机器人必须承受的最大重量,”她说。

“我们领域面临的挑战是巨大的,从如何在机器人实验室安全地工作到如何远程运行研究,以及找到与研究人员和其他学者联系的方法,允许并鼓励来自世界各地的研究人员更快、更轻松地进行连接。将是未来一个时期内研究的重点。”

“很明显,机器人在当今世界的重要性,”Parascho说,“以及它们如何在未来的此类危机中提供帮助。


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