Dos investigadores de Princeton, la arquitecta Stefana Parascho y la ingeniera Sigrid Adriaenssens , soñaban con usar robots para simplificar la construcción, incluso al construir formas complejas.

Queremos utilizar robots para construir una arquitectura hermosa de manera más sostenible, dijo Adriaenssens, profesor asociado de ingeniería civil y ambiental y director del Form Finding Lab .

Así que los profesores se asociaron con la firma de arquitectura e ingeniería Skidmore, Owings and Merrill (SOM) para crear una instalación sorprendente y única para la exposición de SOM «Anatomía de la estructura» en Londres el pasado mes de marzo. Utilizaron dos robots industriales proporcionados por Global Robots, con sede en el Reino Unido, para construir una bóveda impresionante, de 7 pies de altura, 12 pies de ancho y 21 pies de largo, construida con 338 ladrillos de vidrio transparente de Poesia Glass Studio.

Fundamentalmente, LightVault redujo el uso de recursos de dos maneras: eliminando la necesidad de encofrados o andamios durante la construcción, y mejorando la eficiencia estructural de la bóveda haciéndola doblemente curvada, lo que redujo la cantidad de material requerido. Esto solo fue posible gracias a la fuerza y ​​precisión de los robots.

Intento descubrir qué pueden hacer los robots que los humanos no pueden hacer bien, dijo Parascho, profesor asistente de arquitectura en Princeton que desarrolló la idea detrás del ensamblaje robótico de la bóveda. Parascho es el director de CREATE Laboratory Princeton , donde CREATE significa computación y robótica que habilita tecnologías arquitectónicas.

“Mi trabajo no intenta reemplazar el trabajo humano automatizándolo, sino aumentar las posibilidades de la arquitectura mediante el uso de robots para tareas en las que los humanos son bastante malos”, dijo. «Por ejemplo, sostener un ladrillo de 3 kilogramos [7 libras] durante siete minutos, sin moverlo, para permitir que el pegamento se seque, es muy difícil para los humanos».

“La construcción robótica abre una serie de oportunidades de diseño y construcción donde los robots complementan el trabajo humano”, dijo Alessandro Beghini, director asociado e ingeniero estructural senior de SOM, quien colaboró ​​en LightVault. «Los robots podrían aprovecharse en lugares donde sería peligroso para las personas trabajar o donde el acceso a los humanos es difícil».

Los robots son inherentemente buenos para ejecutar movimientos precisos en el espacio, a diferencia de los humanos, que necesitan guías o estructuras de soporte para construir geometrías complejas. Esto es lo que inspiró a los investigadores a explorar el potencial de formas sorprendentes e inesperadas. Edvard Bruun , un Ph.D. estudiante de ingeniería civil y ambiental, trabajó en la implementación del proyecto.

Señaló que, si bien los constructores humanos tendrían que verificar dos y tres veces la ubicación de los bloques, «aprovechando la precisión inherente de los robots en la navegación por el espacio 3D, podríamos dedicar más tiempo a enfocarnos en hacer que el diseño sea lo más eficiente posible». sin atascarse en los desafíos de la construcción física típicamente asociados con una estructura de este tipo «.

El equipo ideó un proceso en el que los dos robots trabajaron juntos para ensamblar el arco central de la bóveda sin ningún andamio u otro soporte. Cada robot colocaría un ladrillo, luego sujetaría la estructura mientras el otro robot colocaba el siguiente ladrillo.

“La belleza y la eficiencia material o estructural no se excluyen mutuamente”, dijo Bruun. “La construcción requiere mucha energía y materiales. El bienestar global futuro depende de poder construir edificios fuertes que sean eficientes con la cantidad de material con que se construyen. Los robots tienen el potencial de ayudarnos a lograr este objetivo a medida que desarrollamos mejores formas de utilizarlos en el trabajo de construcción «.

Isla Xi Han, un Ph.D. estudiante en el laboratorio de Parascho, fue responsable de desarrollar e implementar el proceso de fabricación robótica.

«Para describir LightVault, tiendo a hacer un mini baile», dijo. “Una forma tradicional de construir un arco es con dos manos que vienen de extremos opuestos y se encuentran en el medio superior. Mientras tanto, dos brazos robóticos que forman un arco están moviendo las manos de izquierda a derecha”.

Una vez que los robots terminaron de construir juntos el arco central, pasaron a trabajar de forma independiente, cada uno construyendo un lado de la bóveda. Para garantizar la estabilidad de la estructura inacabada, los ladrillos se colocaron de manera que cada ladrillo recién colocado soportara el siguiente.

Ejecución

Si bien la intención del equipo fue clara desde el principio, la implementación no fue tan sencilla.

Para construir la bóveda a tiempo para la exhibición en Londres, el equipo probó cada decisión con prototipos físicos, desde pruebas de concepto a pequeña escala hasta maquetas a gran escala. Se construyeron un total de ocho estructuras, algunas en el Laboratorio de Computación Embodied en la Escuela de Arquitectura de Princeton, algunas en Global Robots y una en el espacio de exhibición en Londres.

Los desafíos incluían encontrar un sistema de conexión que mantuviera los ladrillos de vidrio en su lugar de manera segura una vez ensamblados, identificar la secuencia de construcción correcta para garantizar la integridad estructural de la bóveda y controlar los movimientos impredecibles de los brazos robóticos para que no chocaran entre sí. o con secciones completas de la estructura.

“Aprendí a respetar las ‘personalidades’ de los robots en lugar de simplemente decirles a los pobres robots que hagan cosas”, dijo Han. “En un momento, el codo del robot golpeaba constantemente parte de la estructura existente. Terminamos dando un paso atrás en el diseño previsto, e igualmente un paso adelante en la colaboración humano-robot, para masajear la estructura en una forma asimétrica, para ayudar a los robots a moverse con mayor comodidad durante el proceso de construcción. Ambas partes están felices, es una situación en la que todos ganan”.

Incluso con tantas pruebas y esfuerzos para predecir todo lo que podría salir mal, el equipo encontró sorpresas. “El compresor de aire que compramos para la instalación de Londres no era lo suficientemente fuerte”, dijo Samantha Walker, ingeniera estructural senior de SOM. “Terminamos adquiriendo uno diferente y más potente en el último minuto. Puedes pasar mucho tiempo enfocándote en resolver los problemas complejos y, al final, son los aparentemente obvios los que pueden causar los problemas más grandes «.

En otra ocasión, después de prototipos exitosos con materiales más livianos, dos pruebas con ladrillos de vidrio “terminaron en vidrios rotos por todo el laboratorio”, dijo Parascho. Un análisis cuidadoso reveló que los propios robots se estaban deformando unos centímetros bajo el peso del arco. “Esto nos hizo repensar toda la secuencia de construcción, con el fin de limitar el peso máximo que los robots tenían que sostener”, dijo.

Pero el mayor desafío lo planteó COVID-19. Con la mitad del equipo en Londres y la otra mitad en casa, la construcción debía acelerarse y completarse en la mitad del tiempo inicialmente previsto. Esto significó ajustar rápidamente el diseño para disminuir la cantidad de ladrillos y elaborar un cronograma que permitiera una construcción rápida y eficiente. “Al final, el éxito de finalizar la bóveda fue coronado por el alivio de que todos regresaran a casa sanos y salvos”, dijo Parascho.

Si bien la pandemia ha tenido un impacto dramático en el proyecto, el evento de apertura con más de 600 invitados previstos se canceló y el equipo completo nunca se reunió en persona, “esta experiencia ha abierto nuevas e inesperadas oportunidades”, dijo Parascho. “Los desafíos para nuestro campo son enormes, desde cómo trabajar de forma segura en un laboratorio de robótica hasta cómo ejecutar la investigación de forma remota y encontrar formas de conectarse con investigadores y otros académicos. Pero el estado actual también ha cambiado nuestro enfoque en línea, lo que permite y alienta a los investigadores de todo el mundo a conectarse más rápida y fácilmente «.

Hubo un lado positivo, dijo Bruun. «Demostramos que los robots son herramientas viables para trabajar en una situación en la que el distanciamiento social es una consideración importante». El CREATE Lab está trabajando actualmente para establecer una configuración remota que permita a los estudiantes e investigadores controlar los robots desde casa y continuar su investigación durante la pandemia.

Ha quedado claro cuán relevantes son los robots en el mundo de hoy, dijo Parascho, y cómo podrían ayudar en tales crisis en el futuro.

El equipo de investigación de Princeton está formado por Stefana Parascho, Sigrid Adriaenssens, Isla Xi Han, Edvard Bruun, Ian Ting, Lisa Ramsburg, Vittorio Paris y Nicola Lepora,  con el apoyo de Chase Galis, Lukas Fuhrimann, Grey Wartinger y Bill Tansley. El equipo de SOM incluye a Alessandro Beghini, Samantha Walker, Michael Cascio, David Horos, Mark Sarkisian, Masaaki Miki, Max Cooper, Stuart Marsh, Matteo Tavano, Dmitri Jajich y Arthur Sauvin. El proyecto se llevó a cabo con el apoyo de Faidra Oikonomopoulou, Telesilla Bristogianni de la Universidad Tecnológica de Delft y el patrocinio de Global Robots, Poesia Glass y New Pig Corporation.