Reconfigurable Structural Robotic Assembly: Interlocking 3D Aggregations with Self-Aligning Compound Nested Lattice Modules

Stel je een wereld voor waarin bouwen niet alleen gaat over het volgen van een blauwdruk, maar over de onderdelen die zelf weten hoe ze in elkaar passen. Al een lange tijd behandelen wetenschappers en ingenieurs robots en bouwmaterialen als twee aparte teams. De robot is de "hersenen", uitgerust met camera's en complexe software om te bepalen waar hij een baksteen moet pakken en hoe hij deze moet plaatsen. De baksteen daarentegen is slechts een dom, zwaar object dat wacht om verteld te worden wat het moet doen. Maar wat als de baksteen een deel van het denkwerk zou kunnen doen? Dit idee, "geometrische intelligentie" genoemd, suggereert dat we materialen kunnen ontwerpen met vormen die ze op natuurlijke wijze op hun plaats leiden, bijna als een puzzel die zichzelf oplost. Dit artikel verkent een hoekje van de wetenschap waar architectuur en robotica elkaar ontmoeten, met de vraag: kunnen we een systeem bouwen waarbij de bouwstenen slim genoeg zijn om de robots te helpen hen te bouwen, waardoor constructie sneller, sterker en in staat is om uit elkaar gehaald en hergebruikt te worden?

De onderzoekers achter dit project, een team van MIT en EPFL, besloten de robot en het materiaal niet langer als aparte problemen te behandelen. In plaats daarvan ontwierpen ze een speciale bouwsteen die fungeert als een "slimme Lego" voor de echte wereld. Ze creëerden een samengestelde module bestaande uit twee vormen die aan elkaar zijn bevestigd: een cuboctaëder (denk aan een kubus waarvan de hoeken zijn afgesneden) en een octaëder (zoals twee piramides die aan hun basis tegen elkaar zijn geplakt). Het "slimme" aspect komt voort uit de manier waarop deze vormen zijn gerangschikt. De platte vlakken van de cuboctaëder fungeren als een perfect landingsplatform voor de grijper van een robot, terwijl het octaëder-gedeelte beschikt over een ingebouwd schroefmechanisme dat op zijn plaats klikt.

Hier is de truc: deze blokken zijn ontworpen om in elkaar te passen. Stel je een set Russische matroosjes voor, maar in plaats van alleen maar kleiner te worden, grijpen ze in de 3D-ruimte in elkaar. Het team creëerde een grotere "samengestelde module" bestaande uit acht van deze eenheden. Wanneer je ze opstapelt, is de bovenste laag licht verschoven ten opzichte van de onderste laag, wat een gestapeld, in elkaar grijpend patroon creëert. Deze geometrie doet het zware werk voor de robot. Het vertelt de robot precies waar hij het stuk moet pakken, hoe hij het moet uitlijnen zodat het niet valt, en hoe hij het stevig in de structuur eronder kan klikken. Het is also$ dat de bouwstenen instructies naar de robot fluisteren: "Pak me hier, schuif me daar, en klik!"

Het team heeft dit niet alleen bedacht; ze hebben het gebouwd en getest. Ze gebruikten zowel een stationaire robotarm als een mobiele robot (een robot op wielen) om structuren te assembleren. De resultaten waren indrukwekkend. Ze bouwden een dragende stoel die het volledige gewicht van een mens kon dragen, een bank, een tafel en zelfs een deurkozijn. Sterker nog, ze assembleerden een deur plat op de grond en tilden deze vervolgens rechtop, wat bewees dat de structuur sterk genoeg was om zijn eigen gewicht te dragen zonder in te storten. Toen ze de individuele bouwblokken testten in een machine die ze samendrukte, vertoonden de blokken een stijfheid van 4.556 N/mm, konden ze een maximale belasting van 3.445 N aan en hadden ze een compressiemodulus van 17,5 MPa.

Misschien wel het meest opwindende deel is dat dit geen eenmalig systeem is. Omdat de blokken gebruikmaken van schroefbaar loslatende klikverbindingen, kunnen ze uit elkaar worden gehaald en worden gebruikt om iets totaal anders te bouwen. Het team demonstreerde dit door een deur uit elkaar te halen en deze opnieuw te assembleren tot een tafel. Dit suggereert een toekomst waarin gebouwen geen permanente monumenten zijn, maar circulaire systemen waarbij materialen constant worden hergebruikt, wat afval vermindert.

Het artikel pleit tegen de oude manier van denken, waarbij alle intelligentie in de software van de robot zit en de materialen passief zijn. In plaats daarvan laten ze zien dat door de "instructies" direct in de vorm van het materiaal te coderen, je een systeem kunt creëren dat robuuster en gemakkelijker te assembleren is. Hoewel de huidige resultaten gebaseerd zijn op fysieke prototypes en compressietests, suggereren de auteurs dat deze aanpak kan worden opgeschaald om veel grotere structuren te bouwen, mogelijk door gebruik te maken van zwermen mobiele robots die samenwerken. Ze geven ook aan dat mensen in de toekomst met deze robots kunnen communiceren via natuurlijke taal of mixed reality om de assemblage te begeleiden, maar voor nu ligt de focus op het bewijzen dat de geometrie zelf het werk kan doen.

Kortom, dit artikel laat zien dat als je je bouwstenen goed ontwerpt, ze de robots kunnen helpen om ze te bouwen. Het is een stap naar een toekomst waarin constructie minder gaat over brute kracht en meer over slimme, zelf uitlijnende geometrie die gebouwd, uit elkaar gehaald en opnieuw gebouwd kan worden.