Robotic additive repair of damaged rammed-earth walls using printable earthen materials: a proof-of-concept experimental study

Per secoli, le pareti di case, fienili e fortezze in molte parti del mondo sono state costruite dal basso verso l'alto, letteralmente. Gli costruttori prendono il suolo locale, lo mescolano con acqua e lo compattano strettamente in stampi di legno, strato dopo strato, finché non si indurisce in una struttura solida e durevole nota come terra battuta. Questa tecnica antica crea edifici che respirano con il clima, immagazzinano calore e lasciano un'impronta minuscola sul pianeta. Eppure, come tutte le cose fatte di terra, queste pareti sono vulnerabili. Con il passare del tempo, la pioggia, il vento e il semplice passare degli anni possono erodere le loro superfici, scheggiarne gli angoli o lasciare loro crepe profonde e cavità. Riparare queste pareti è un compito delicato; se le si rattoppa con il tipo sbagliato di cemento moderno o calcestruzzo, si rischia di intrappolare l'umidità all'interno o di creare un guscio rigido che spacca la terra morbida sottostante. L'obiettivo di una buona riparazione è colmare il danno senza disturbare il resto della parete, utilizzando materiali che si sentano e agiscano come la terra originale.

Ora, immaginate di cercare di riempire un buco irregolare in una parete con precisione perfetta, usando una macchina che può muoversi con la destrezza di una mano umana ma che non si stanca mai. Questa è la sfida che i ricercatori si sono posti. Volevano sapere se un robot potesse essere istruito per riparare queste pareti storiche a base di terra, non solo incollando una pezza sopra, ma ricostruendo le sezioni mancanti strato dopo strato, usando una miscela speciale che imiti il suolo originale. La domanda non era solo se il robot potesse muoversi, ma se il nuovo materiale sarebbe aderito, avrebbe mantenuto la forma e avrebbe effettivamente aiutato la parete a stare in piedi di nuovo, o se sarebbe rimasto lì come un guscio fragile.

Un team di ricercatori provenienti da università e divisioni di ingegneria in Spagna, Cina e Australia ha deciso di testare questa idea in un ambiente di laboratorio controllato. Hanno costruito una grande parete utilizzando i metodi tradizionali della terra battuta e hanno deliberatamente danneggiato la sezione superiore per simulare anni di erosione. Il loro obiettivo era vedere se un robot mobile, dotato di un braccio meccanico a sei braccia e un ugello, potesse navigare nello spazio davanti alla parete e depositare un nuovo materiale di terra stampabile per riempire il vuoto. Questo materiale, che chiamano una miscela di riparazione in terra stampabile, è stato progettato senza cemento. Invece, utilizzava una miscela di suolo locale, sabbia e leganti naturali come fibre vegetali e amidi per garantire che si comportasse in modo simile alla vecchia parete che doveva riparare.

Il robot è stato programmato per seguire un percorso specifico, muovendosi avanti e indietro per stendere il nuovo materiale in sottili strati orizzontali. Il processo ha funzionato. La macchina ha depositato con successo circa 200 chilogrammi della miscela, ricostruendo la sezione danneggiata finché non ha corrisponduto alla forma della parete originale. Il materiale fluiva regolarmente dall'ugello, manteneva la sua forma mentre veniva deposto e aderiva alla vecchia terra sottostante. Non ci sono stati crolli e la nuova sezione è rimasta ferma. Questa parte dell'esperimento ha dimostrato che un robot può eseguire fisicamente il compito di riparare una parete di queste dimensioni, creando una zona di riparazione continua e stabile che un lavoratore umano non potrebbe replicare facilmente con tale costanza.

Ma costruire la parete era solo il primo passo. I ricercatori dovevano sapere se questa parete riparata roboticamente potesse effettivamente sopportare il peso. Hanno preso versioni più piccole delle pareti riparate e le hanno schiacciate in una macchina di test finché non sono cedute, confrontandole con una parete nuova e intonsa fatta della stessa terra. La parete riparata non ha sostenuto tanto peso quanto quella nuova, raggiungendo un carico massimo di 22,74 kilonewton, che era circa il 56 percento della forza della parete fresca. Questo risultato era previsto, poiché la parete riparata conteneva un mix di vecchia terra compattata e nuovo materiale stratificato, e i ricercatori non si aspettavano che fosse forte come un blocco solido e appena costruito. Tuttavia, la parete non è semplicemente crollata; ha tenuto il passo e ha sostenuto un carico significativo, dimostrando che la riparazione non era solo cosmetica ma strutturale.

Cosa accadeva all'interno della parete mentre veniva schiacciata offriva un'intuizione sorprendente. I ricercatori hanno posizionato piccoli sensori sia sulla vecchia parte inferiore della parete che sulla nuova parte superiore che il robot aveva costruito. Mentre il peso aumentava, i sensori mostravano che lo strato stampato si tendeva e si deformava molto di più dello strato originale sottostante. Vicino al punto di massima pressione, il nuovo materiale assorbiva quasi cinque volte più sforzo rispetto alla terra originale. Ciò suggerisce che lo strato stampato roboticamente abbia agito come un cuscino protettivo. Inveve di far sì che lo stress creasse crepe nella parete originale e storica, il nuovo materiale ha assorbito l'urto, tendendosi e piegandosi per assorbire l'energia. Quando la parete ha finalmente mostrato segni di danno, le crepe sono apparse principalmente nella nuova sezione sostituibile, mentre la terra originale sottostante è rimasta ampiamente intatta.

Anche l'interfaccia tra i vecchi e i nuovi materiali ha retto bene. I ricercatori avevano inserito una rete di rinforzo nella zona di transizione per aiutare le due parti ad aderire. Dopo il test, hanno ispezionato la connessione e hanno scoperto che i due materiali erano rimasti legati, senza grandi separazioni. Il danno era concentrato nella regione superiore stampata, che potrebbe teoricamente essere riparata nuovamente in futuro senza toccare la preziosa parete originale sottostante. Questo comportamento suggerisce che il metodo di riparazione faccia di più del semplice riempire un buco; crea una zona che può sacrificarsi per proteggere il resto della struttura.

Lo studio ha esaminato anche l'aspetto pratico del lavoro, registrando esattamente quanto materiale è stato utilizzato e quanto è costato. Il team ha utilizzato 200 chilogrammi della miscela per riempire uno spazio grande circa quanto la sezione di una piccola parete di una stanza. Le materie prime per questa quantità sono costate circa 180 yuan cinesi, ovvero circa 360 yuan per metro quadrato di superficie riparata. Sebbene questo non includa il costo del robot o della manodopera per gestirlo, fornisce una base per comprendere l'efficienza dei materiali del processo. Il robot ha depositato il materiale esattamente dove era necessario, con pochissimo spreco, creando un registro preciso di quanto è stato usato e dove è andato.

Questa ricerca non pretende di aver risolto tutti i problemi della riparazione degli edifici antichi. I test sono stati eseguiti in un laboratorio su pareti costruite appositamente per l'esperimento, non su strutture secolari esposte alle vere condizioni meteorologiche e a danni complessi. Il robot ha seguito un percorso pre-pianificato invece di scansionare la parete in tempo reale per trovare ogni crepa, e la durata a lungo termine del nuovo materiale contro la pioggia e il gelo non è stata ancora pienamente testata. Tuttavia, lo studio ha dimostrato con successo che un sistema robotico può essere utilizzato per riparare le pareti in terra battuta in modo controllato, misurabile e strutturalmente solido. Ha dimostrato che il nuovo materiale può legarsi al vecchio, che la riparazione può sostenere il peso e che lo strato stampato può agire come uno scudo sacrificale per proteggere la parete originale.

Il lavoro suggerisce un futuro in cui la manutenzione degli edifici storici in terra potrebbe essere più precisa e meno invasiva. Invece di affidarsi esclusivamente alla capacità di un singolo artigiano nel giudicare quanto riempire o quanto compattare, un robot potrebbe seguire un piano digitale per ricostruire le sezioni danneggiate con esatta costanza. Offre un modo per preservare queste strutture a basse emissioni di carbonio e antiche, riparando solo ciò che è rotto, usando materiali che appartengono alla terra e lasciando una registrazione chiara del lavoro svolto. Il robot non ha sostituito la necessità del giudizio umano nella conservazione, ma ha fornito un nuovo strumento che potrebbe rendere il delicato compito di riparare il passato un po' più affidabile e un po' meno rischioso.