ドローン「建築家」が発明されました。 30分で2メートルを「構築」できます。将来、火星の建設者になれるのでしょうか？

人類が貪欲に地球を改造するにつれ、火星への夢はますます強くなる。

1960年代以降、人類は40回以上の火星探査ミッションを実施してきたが、まだ誰も火星に送っていない。今年3月、大きな期待を集めているマスク氏は、2029年に人類を火星に送りたいと主張した。（これまでは2025年と2026年に予定されていた。）

しかし、たとえ人類が最終的に火星に着陸できたとしても、薄い大気、寒冷な気候、広範囲に広がる塵などの厳しい環境のため、火星の極限状況下で人間の住居や活動拠点を建設するなど、人類が火星表面で長期間にわたって移動し、活動することは困難です。

今日、インペリアル・カレッジ・ロンドン、スイス連邦材料科学技術研究所（Empa）とその協力者からなる研究チームは、火星での将来の建設の新たな可能性を提示した。

彼らはミツバチにヒントを得て、ドローンを使って飛行中に3Dプリントされた構造物を建てるという新しい建設方法を提案し、人類が地球上や地球外のどこにでも建物を建てられるように支援している。

図｜火星建設の概念図。 （出典：研究チーム）

これらの3Dプリントドローン群は、BuilDrone（建設ドローン）とScanDrone（スキャンドローン）で構成されていると報告されています。前者は飛行中に建築資材を建物の表面に配置しますが、後者は主に品質管理業務を担当し、飛行中に前者の建設状況を計測し、次の建設に向けて提案を行います。

最も重要なのは、これらのドローン「建築家」が、人間の監督の下で群れをなして 3D 構造物を自力で構築できることです。この大きな成果は、ネイチャー誌の最新号の表紙記事として本日発表されました。

写真｜ネイチャー最新号の表紙。 （出典：ネイチャー）

この点について、論文の責任著者であり、インペリアル・カレッジ・ロンドンの航空ロボット研究所所長、Empaロボット材料技術センター所長のミルコ・コヴァック教授は、「私たちのソリューションは拡張可能であり、将来、人間が到達することが難しい地域（危険な地域、極端に高い高度、自然災害の危険がある遠隔地）での建物の建設や修復に役立つ可能性があります」と述べています。

建築家は包括的であれ

現在、建築部品の組み立てと自由形状の連続積層造形 (AM) は、人間の建設作業員よりも安全上の問題が少なく、生産性が高いため、現場での建物建設に使用されています。

アセンブリベースのアプローチと比較して、自由形状の連続積層造形により、幾何学的に可変な設計を柔軟に生産できるようになり、材料の利用率がさらに向上し、コストが削減されます。

現在、現場建設向けの大規模な自由形状積層造形法では、主に地上ロボットとガントリークレーンシステムが使用されています。しかし、これらの技術では、ロボットのハードウェアを意図した製造筐体よりも大きなサイズに拡大する必要があり、並行操作が困難になり、建設現場の人や他の機械に危険をもたらします。

さらに、これらの大規模なシステムは電源に直接接続する必要があるため、遠隔地のアクセスが困難な環境では検査、修理、製造が難しく、このような環境では大規模なインフラストラクチャを輸送または設置することは現実的ではありません。

写真｜北極。 (出典: Pixabay)

大型の単一ロボット システムの代替として、小型移動ロボットのチームは、より高い柔軟性と拡張性を提供し、単一のロボットのみよりも大きな形状を構築でき、複数の建設現場に効率的かつ並行して適応的に分散できる可能性があります。

しかし、建設現場におけるロボットチームの活用に関する研究はまだ開発の初期段階にあり、現在は建築部材の組み立てに重点が置かれています。

さらに、現在のマルチロボット積層造形アプローチでは、動作高度が制限された移動式地上ロボット車両が主に使用されています。また、これらのモバイル システムは、プラットフォームのサイズ、建物の最大外形、並行製造機能、アクセシビリティなど、多くの要因によって制限されます。

しかし、現在の人工ロボットシステムと比較すると、自然の「建築家」（ミツバチ、シロアリ、ツバメなど）は、即座に巣を作ることができ、非常に柔軟性があります。

(出典: Pixabay)

例えば、ツバメは自身の限られた耐荷重能力を克服し、建築資材の供給源と将来の巣の場所の間を 1,200 回往復して自分の巣を作ることができます。一方、シロアリやスズメバチなどの社会性昆虫は、より高い適応性と柔軟性を示しています。

特に、群れによって実行される空中建設は、効率的で簡単な経路最適化を示し、建設プロセス全体を通じて以前に構築された構造物への依存と制約を減らします。

特に、群れによって実行される空中建設は、効率的で簡単な経路最適化を示し、建設プロセス中に以前に構築された構造物への依存と制約を減らします。

これらの自然システムにヒントを得て、コヴァック氏のチームと協力者は、マルチエージェントシステムとして動作する、ケーブルでつながれていない移動ロボットのネットワークを使用した、空中積層造形（Aerial-AM）と呼ばれる集合建築への新しいアプローチを提案しました。

従来の方法と比較すると、Aerial-AM（下図の点線枠内）は、地域的な制限なく、人間が到達することが難しい場所でも並行して製造を行うことができます。

図｜さまざまな積層造形ロボットプラットフォームの比較。赤から青へのグラデーションは、構築規模、柔軟性、アクセシビリティの向上を示しています。 （出典：本論文）

ドローンの群れは事前に設定されたプログラムシステムに従って動作し、飛行中に建設作業を完了します。飛行中は完全に自律的だが、人間の管制官によって監視される。コントローラーはドローンから提供される情報に基づいて建設の進捗状況を確認し、必要に応じて介入します。

29分、高さ2.05メートル

論文によると、Aerial-AM は 3D プリント技術と経路計画フレームワークを使用して、建設プロセス中にドローンが構造物の形状変化に適応できるようにします。

ドローンは、フォームとセメントのような材料を使用して概念実証用のシリンダーを構築し、構築プロセス全体を通じて印刷された形状をリアルタイムで評価し、その動作を調整して、5 mmの構築精度（英国の建設要件で許容される）で製造仕様を満たすことを確認しました。

図｜Aerial-AM方式の積層造形原理を利用し、複数のBuilDronesを展開することで、より大きな構造物を造ることが可能。

概念実証用のシリンダーには、ポリウレタンフォームを使用して 3D プリントされた高さ 2.05 メートルのシリンダー (72 層) と、カスタム設計された構造用セメント材料を使用して構築された高さ 18 センチメートルのシリンダー (28 層) が含まれています。

図 | ScanDrone（小型）、BuilDrone（大型）、3Dプリントされたフォーム構造。 BuilDrone で 1 層を印刷するには 24 秒かかり、72 層を印刷するには合計 29 分かかります。 （出典：研究チーム）

自律的、スケーラブル、かつ柔軟な付加製造方法である Aerial-AM は、形状タイプ、スケール、ロボットの数の変化に適応できます。

材料堆積にBuilDroneを使用し、印刷された構造のループ内定性評価にScanDroneを使用して、高さ2.05メートルのシリンダーが印刷され、大規模な形状を製造するためのAerial-AMアプローチの能力が実証されました。

さらに、他の製造試験により、Aerial-AM は高精度 (位置誤差 5 mm) と強力な並列機能を備え、さまざまな形状を効果的に印刷できることが証明されました。

これらの実験により、Aerial-AM の実現可能性が検証されましたが、これは建設現場における航空ロボットの使用の可能性を探る第一歩にすぎません。

この研究で提案されたアプローチを使用して建築形状の実物大の製造を実現するには、ロボット工学と材料科学の大きな進歩が必要になります。特に、サポート材の堆積、活性物質の固化、複数のロボット間でのタスク分担などにおいて、さらなるブレークスルーが必要です。

図｜森林づくりの概念図（出典：研究チーム）

同時に、構造的に効果的な形状の設計とエンジニアリング、および印刷された形状の動作の体系的な分析には、さらなる研究が必要です。

研究チームは、研究成果を研究室外に持ち出すため、将来的にはAerial-AMにマルチセンサー同時位置推定・地図作成（SLAM）システムと差分全地球測位システム（GPS）を追加し、高精度の屋外測位サービスを提供することを計画している。

同時に、建設規模の拡大に伴い、将来的には資材やバッテリー供給の自動化も必要となるでしょう。製造対象物の規模や使用されるロボットプラットフォームに応じて分散製造の効率をさらに評価するには、新しい分析方法も必要になります。

それにもかかわらず、本研究で提案されたシステムは、自動化された航空AMの概念実証を達成し、集合的なマルチロボット積層造形システムを使用した建設の基礎を提供できる可能性があります。

将来的には、Aerial-AM は遠隔地における住宅や重要なインフラの建設を支援する代替手段となる可能性があります。これらの地域では、地球温暖化、自然災害、頻発する悪天候により、既存の建設方法に前例のない課題が生じています。

次のステップでは、このソリューションをさらに検証するために、研究チームは建設会社と協力して、このソリューションの建設および修復能力を継続的に調査します。

最後に、これらの「建築家」たちの労働の成果を評価しましょう。

論文リンク:

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

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