Autonome Drohnen drucken Säulen im Flug

Ein internationales Forschungsteam hat demonstriert, dass autonome Drohnen im Flug eine architektonische 3D-Struktur drucken können.

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ScanDrone (links) and BuilDrone (rechts).

(Bild: University College London, Department of Computer Science, London. Dr Vijay M. Pawar & Robert Stuart-Smith, Autonomous Manufacturing Lab)

Von
  • Wolfgang Stieler

Der 3D-Druck gewinnt in der Bauindustrie zunehmend an Bedeutung. Sowohl auf der Baustelle als auch in der Fabrik drucken stationäre und mobile Roboter Materialien für den Einsatz in Bauprojekten wie zum Beispiel Stahl- oder Betonstrukturen. Dafür benötigt man jedoch entweder sehr große Maschinen oder mobile Roboter – deren Reichweite und Mobilität jedoch begrenzt ist.

Ketao Zhang vom Imperial College London und Kollegen schlagen deshalb vor, Schwärme von autonomen Drohnen einzusetzen, die Material im Flug deponieren – inspiriert von Wespen, Bienen oder auch Schwalben. In der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature stellen sie Hard- und Software vor, die dieses Kunststück zumindest im Prinzip beherrscht.

Für das „Aerial Additive Manufacturing“, wie die Forschenden ihr Verfahren nennen, haben sie zwei Multicopter modifiziert: Die „Build Drone“ deponiert einen selbst aushärtenden Schaum. Das Prinzip hatte Zhang bereits in einer früheren Arbeit gezeigt: Das Material besteht aus zwei Komponenten, die in separaten Behältern an der Drohne hängen und beim Deponieren in einer Düse vermischt werden, um dann an Luft schnell auszuhärten. Um die Düse im Flug genauer zu positionieren, entwickelte das Team zudem einen Delta-Greifer, der die Düse im Flug bis auf fünf Millimeter genau positionieren kann.

Die zweite Drohne, die „Scan Drone“, überprüft ständig die Position der Arbeitsdrohne und das Werkstück und sendet die Daten an den Kontrollrechner. Der gleicht die Geometrie der aufgebauten Struktur mit dem internen Bauplan ab und steuert die Drohnen gegebenenfalls nach. Zudem präsentierten die Forschenden ein Software-Framework, das auf dem Roboter-Betriebsystem ROS aufsetzt, und den Betrieb mehrerer Drohnen in einem kooperativen Schwarm erlaubt.

Um zu zeigen, was ihr System kann, ließen die Forschenden ihre Drohnen einen rund zwei Meter hohen Zylinder aus einem Schaumstoff auf Polyurethanbasis und einen 18 Zentimeter hohen Zylinder aus einem speziell entwickelten zementartigen Strukturmaterial bauen. In Simulationen zeigten sie zudem die Konstruktion komplexerer Strukturen mit mehreren koordinierten Drohnen.

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Anders als spektakuläre Demonstrationen von Drohnenschwärmen suggerieren – wie diese, bei der Drohnen eine Art Mauer bauen – läuft die Koordination des Schwarms in der Regel nicht selbstorganisiert wie bei Insekten oder Vögeln. Auch in der jetzt vorliegenden Arbeit gibt es eine zentrale Instanz, die die Planung und Koordination übernimmt.

Dennoch ist Hauptautor Mirko Kovac vom Imperial Department of Aeronautics und dem Materials and Technology Center of Robotics der Empa überzeugt: "Wir haben bewiesen, dass Drohnen autonom und im Tandem arbeiten können, um Gebäude zu bauen und zu reparieren, zumindest im Labor.“ Um die Technologie auch außerhalb des Labors einsetzen zu können, arbeiten die Forschenden jetzt an einem Algorithmus für die gemeinsame Lokalisierung und das Mapping im Schwarm. Zudem wollen sie erkunden, wie haltbar die 3D-gedruckten Strukturen sind, beziehungsweise welche Strukturen sich für diese Art der Konstruktion besonders gut eignen.

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(wst)