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

何世紀もの間、世界の多くの地域において、家や納屋、要塞の壁は、文字通り地面から積み上げられてきました。建設者は地元の土を採取し、水と混ぜ合わせ、木製の型に層状にきつく詰め込み、硬化して「版築（はんちく）」と呼ばれる強固で耐久性のある構造物になるまで繰り返します。この古代の技法は、気候に合わせて「呼吸」し、熱を蓄え、地球への負荷を最小限に抑える建物を作り出します。しかし、土で作られたあらゆるものと同様に、これらの壁には脆弱性があります。時間の経過とともに、雨や風、あるいは単なる歳月の経過によって、表面が侵食されたり、角が欠けたり、あるいは深い亀裂や空洞が生じたりすることがあります。これらの壁を修理するのは繊細な作業です。もし間違った種類の現代的なセメントやコンクリートで補修してしまうと、内部に水分を閉じ込めたり、柔らかい土の下にある土壌を割ってしまうような硬い殻を作ってしまったりする可能性があるからです。優れた修理の目的は、元の土と同じように感じられ、同じように機能する材料を用い、残りの壁を乱すことなく損傷を埋めることにあります。

では、人間の手の器用さを持つが、決して疲れることのない機械を使って、壁のギザギザした穴を完璧な精度で埋めようとすることを想像してみてください。これが、研究者たちが解決しようとした課題です。彼らは、ロボットが単にパッチを上に貼り付けるのではなく、元の土を模した特殊な混合物を用いて、欠損した部分を一層ずつ再構築することで、歴史的な土ベースの壁を修理できる方法を教え込めるかどうかを知りたいと考えました。問いは、単にロボットが動けるかどうかではなく、新しい材料がしっかりと付着し、形状を維持し、実際に壁を再び強固に支える助けとなるのか、それとも単に脆い殻としてそこに留まるだけなのか、ということでした。

スペイン、中国、オーストラリアの大学およびエンジニアリング部門の研究チームは、このアイデアを検証するために、制御された実験室環境でのテストを行うことにしました。彼らは伝統的な版築の手法を用いて大きな壁を構築し、その後、長年の侵食をシ模擬するために上部を意図的に損傷させました。彼らの目標は、移動式のロボットが、6本の機械腕とノズルを備え、壁の前方の空間を移動しながら、印刷可能な新しい土の材料を堆積させることができるかどうかを確認することでした。この材料は「印刷可能な土の補修混合物」と呼ばれ、セメントを使用せずに設計されました。代わりに、地元の土、砂、そして植物繊維やデンプンなどの天然の結合剤をブレンドすることで、修復対象となる古い壁と同様の挙動を示すように設計されています。

ロボットは特定の経路に従うようプログラムされ、薄い水平の層として新しい材料を敷き詰めるために、前後に移動しました。プロセスは成功しました。機械は、損傷した部分を元の壁の形状に一致するまで、約200キログラムの混合物を正常に堆積させました。材料はノズルからスムーズに流れ出し、敷設された際にその形状を維持し、下の古い土と結合しました。崩落は発生せず、新しいセクションはしっかりと立ちました。この実験部分は、ロボットがこの規模の壁を修理する物理的な作業を実行できること、つまり、人間の作業員では容易に再現できないほどの一貫性を持って、連続的で安定した補修ゾーンを作り出せることを証明しました。

しかし、壁を建てることは第一段階に過ぎませんでした。研究者たちは、このロボットによって修理された壁が実際に荷重に耐えられるかどうかを知る必要がありました。彼らは補修された壁の小型版を取り上げ、新しい（未接触の）土で作られた壁と比較しながら、破壊されるまで試験機で押し潰しました。補修された壁は、新しい壁ほどの荷重を保持できず、ピーク荷重は22.74キロニュートンに達しましたが、これは新鮮な壁の強度の約56パーセントでした。この結果は予想通りでした。なぜなら、補修された壁には古い圧縮された土と新しい層状の材料が混在しており、研究者たちも、それが新築の固形ブロックと同じ強度を持つとは期待していなかったからです。しかし、壁は単に崩れ落ちることはなくず、しっかりと踏みとどまり、かなりの荷重を支えました。これは、この補修が単なる見た目のためのものではなく、構造的なものであることを証明しています。

壁が押し潰されている間に内部で何が起きていたのか、それは驚くべき洞察を与えてくれました。研究者たちは、古い壁の下部とロボットが構築した新しい上部の両方に小さなセンサーを設置しました。荷重が増加するにつれ、センサーは、新しい印刷された層が、下の古い層よりもはるかに大きく伸び、変形していることを示しました。最大圧力の地点付近では、新しい材料は元の土よりも5倍近い歪みを吸収していました。これは、ロボットによって印刷された層が、保護的なクッションとして機能したことを示唆しています。ストレスが歴史的な元の壁に亀裂を入れる代わりに、新しい材料がその衝撃を受け止め、エネルギーを吸収するために伸び、曲がったのです。壁が損傷の兆候を見せたとき、亀裂は主に新しい交換可能な上部セクションに現れ、下の元の土は大部分が無傷のままでした。

新旧の材料の境界部分も、良好な状態を保っていました。研究者たちは、二つの部分を結合させるために、遷移ゾーンに補強用のメッシュを配置していました。試験後、彼らが接続部を検査したところ、二つの材料はしっかりと結合しており、大規模な分離は見られませんでした。損傷は上部の印刷された領域に集中しており、これは将来的に、貴重な元の壁には手を触れることなく、理論的に再補修が可能であることを示しています。この挙動は、この補修方法が単に穴を埋めるだけでなく、元の構造体を守るために自らを犠牲にできるゾーンを作り出すことを示唆しています。

研究はまた、使用された材料の量とコストについても記録しました。チームは、小さな部屋の壁セクションほどのスペースを埋めるために、200キログラムの混合物を使用しました。この量の原材料コストは約180人民元、つまり補修された表面1平方メートルあたり約360元でした。これにはロボットの費用や操作のための労働力は含まれていませんが、プロセスの材料効率を理解するための基準値となります。ロボットは、必要な場所に正確に材料を堆積させ、無駄を最小限に抑え、どれだけの量がどこに使われたかの正確な記録を作成しました。

この研究は、古代の建造物の修理におけるすべての問題を解決したと主張するものではありません。テストは、実験のために特別に作られた壁に対して実験室で行われたものであり、実際の天候や複雑な損傷に直面している数百年前の構造物に対して行われたものではありません。また、ロボットはリアルタイムで壁をスキャンしてすべての亀裂を見つけるのではなく、あらかじめ計画された経路に従いました。さらに、新しい材料の雨や凍結に対する長期的な耐久性についても、まだ完全には検証されていません。しかし、本研究は、ロボットシステムを使用して、制御可能で測定可能、かつ構造的に健全な方法で、版築の壁を修理できることを実証することに成功しました。それは、新しい材料が古いものと結合できること、補修が荷重を支えられること、そして印刷された層が元の壁を守るための犠牲的な盾として機能できることを示しました。

この成果は、歴史的な土造建築のメンテナンスが、より精密で、より侵襲性の低いものになる未来を示唆しています。どれだけの量を埋めるか、あるいはどれほど強く詰め込むかを判断するために、職人の技能だけに頼るのではなく、ロボットがデジタルプランに従って、損傷したセクションを正確な一貫性を持って再構築できるのです。これは、壊れた部分だけを直し、地球に属する材料を使用し、行われた作業の明確な記録を残すことで、これらの低炭素で古代の構造物を保存する方法を提示しています。ロボットは保存における人間の判断力を置き換えるものではなく、過去を修理するという繊細な作業を、もう少し信頼性が高く、もう少しリスクの低いものにするための新しいツールを提供したのです。