Von der Zukunft der Bauroboter mit 3D-Druckern

Der Bauroboter der MIT-Wissenschaftler. Bild: Steven Keating, Julian Leland, Levi Cai, and Neri Oxman/Mediated Matter Group

Ein von MIT-Wissenschaftlern entwickelter Prototyp setzt in Größe und Geschwindigkeit Maßstäbe, neben dem Entwurf und dem Bau von Gebäuden soll auch deren Bewohnen revolutioniert wird

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Wie schnell autonome Fahrzeuge menschliche Fahrer ersetzen und arbeitslos machen, ist schwer abzusehen. Neben technischen Problemen und solchen der Infrastruktur müssen dazu vor allem juristische Fragen geklärt werden. Noch zögern die Gesetzgeber in den westlichen Ländern, autonome Fahrzeuge ohne einen Fahrer auf die Straßen zu lassen, der bei Bedarf eingreifen muss und dafür die Verantwortung trägt.

Schneller könnte es womöglich hingegen in anderen personalintensiven Bereichen wie etwa dem Bau gehen. Deutlich wird, dass die Robotik große Fortschritte gemacht hat, mit großen 3D-Druckern architektonische Raumstrukturen zu bauen. Gerade bei gleichförmigen Bauwerken, die aus vorgefertigten Materialien oder Elementen aufgebaut werden, vergrößern sich die Einsatzmöglichkeiten für automatische Bausysteme oder Architekturroboter. Dazu kommt, dass die Baubranche gewaltige Umsätze macht, man geht jährlich von 8,5 Billionen US-Dollar aus, ganze Volkswirtschaften hängen am fortgesetzten Bauboom. Doch die Technik ist noch oft alt, langsam, teuer und arbeitsintensiv. Robotik-Befürworter argumentieren auch hier damit, dass viele Arbeiter bei ihrer oft gefährlichen Tätigkeit verunglücken und sterben oder verletzt werden.

MIT-Wissenschaftler haben nun einen mobilen Roboter entwickelt, der innerhalb von Stunden ein Bauwerk mit einem 3D-Drucker herstellen kann. Sie berichten in der Zeitschrift Science Robotics über ihren Roboter, der in einem frühen Stadium der Entwicklung ist, der aber bereits darauf hinweise, was die Bauindustrie und die Architektur revolutionieren könnte. Der knapp 250.000 US-Dollar teure Bauroboter, genannt Digital Construction Platform (DCP), wird mit Batterien, Sonnenenergie oder Diesel betrieben und besteht aus einem großen hydraulischen Roboterarm mit vier Freiheitsgraden und einer feinmotorisch beweglicheren elektrischen Hand mit 6 Freiheitsgraden an der Spitze.

Der Makro-Mini-Manipulator mit den beiden Roboterarmen befindet sich auf einer mobilen Raupenplattform, mit der sich gleichzeitig fahren und drucken lässt. Sie zieht einen Anhänger, auf dem sich die Behälter für das Material zum Drucken befinden. Die maximale Reichweite der Roboterarme beträgt 10 Meter, in der Höhe 14 Meter, maximal gedruckt werden kann ein Volumen von 2786 Kubikmeter, in der Stunde können 1,728 Kubikmeter ausgedruckt werden. Das bezeichnen die Wissenschaftler als extrem viel, da normalerweise nur ein Volumen von 0,5 erreicht würde.

Die Wissenschaftler wollen ihren 3700 kg schweren Bauroboter unterschiedliche Materialien wie Kieselsteine, Sand, Heu oder Glas verwenden lassen, die vor Ort gefunden werden. Das Ziel besteht auch darin, solche Bauroboter in Gebieten einsetzen zu können, die abgelegen oder schwer erreichbar sind, letztlich womöglich auch zur Konstruktion von Weltraumsiedlungen. Man schickt erst einmal die Bauroboter auf den Mond oder einen Planeten und erst nach Fertigstellung der Kolonie die Menschen. Zudem ist die Idee, dass Bauroboter Gebäude an örtliche Bedingungen während der Konstruktion durch die Nutzung von in Echtzeit erhobenen und verarbeiteten Daten anpassen könnten.

Allerdings hat der Bauroboter, um von den hochfliegenden Plänen auf den Boden zu kommen, erst einmal nur eine runde und oben offene Dom- oder Iglostruktur errichtet, womit man menschheitsgeschichtlich gewissermaßen vor die Verwendung von Ziegeln oder Steinen zurückgeht. Immerhin wurde die Struktur mit einem Durchmesser von 14,6 Metern und einer Höhe von 3,7 Metern in 13,5 Stunden - allerdings mit Unterbrechungen - mit einem Polyurtehan-Schaum aus zwei Komponenten additiv hergestellt bzw. ausgedruckt.

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Ausgenutzt wurde die Möglichkeit, die Wand unterschiedlich stark zu machen. Neben der Geometrie kann auch die Materialzusammensetzung oder der Zusatz von Farben fortlaufend verändert werden. Die Höhe wurde beschränkt, um stets manuell an den Spritzarm gelangen zu können. Ein Teil des Doms blieb offen, um den Bauroboter ein- und ausfahren zu können. Die Wände sind stark genug, um das Gewicht eines Menschen auszuhalten. Die gedruckte Form kann mit herkömmlichen Techniken beispielsweise mit Beton oder anderen Materialien gefüllt werden. Gebaut wurde unter freiem Himmel mit variierenden Umweltbedingungen in einer Temperatur zwischen 13 und 27 Grad Celsius, einer Windgeschwindigkeit zwischen 3,6 und 9,4 m/s und einer Luftfeuchtigkeit zwischen 42 und 78 %.

Die Wissenschaftler preisen ihren Prototypen an. Er zeige, dass Architekten damit billige Strukturen entwerfen und bauen können, die funktionaler, einzigartiger und vielfältiger seien als solche, die mit herkömmlichen Techniken möglich sind. Die Automatisierung des Bauens vereinfache überdies die Logistik, verkürze die Bauzeit und senke die Arbeitskosten sowie die Kosten für die Rohmaterialien. Unterstützt wurde das Projekt von Altec, die u.a. Kräne herstellen, und Google, das nicht nur für smart homes und smart cities Geschäftschancen sieht, sondern vielleicht auch in der Baubranche direkt.

Überschwänglich schildern in einem Beitrag über den Weg zu einer "autonomen Architektur" Vijay Pawar, Robert Stuart-Smith und Peter Scully die Möglichkeiten, die durch das Zusammengehen von Roboter und autonomen Systemen (RAS) mit der Computerwissenschaft entstehen können. Ihre These ist, dass dadurch nicht nur der Entwurf und der Bau, sondern auch das Bewohnen von Gebäuden verändert werde. Es würden die Vorstellungen problematisiert, wie Gebäude gebaut werden, was Gebäude sind und was sie sein sollten. Es sei ein Schritt weg vom Ford-ähnlichen industriellen Bauen mit identischen vorfrabrizierten Teilen.

Abgesehen von Innovationen in den Formen von Gebäuden könne die gebaute Umwelt schließlich als "Netzwerk von autonomen Systemen" verstanden werden: "Gebäude können so entworfen werden, dass sie sich über die Zeit hinweg durch Selbstbestimmung entwickeln: die Form verändern, zusammenarbeiten und sich entwickelnde Lösungen für Probleme der Menschen, des Betriebs und der Umwelt bereitstellen." Sie verweisen auf das Gebäude Nest Hilo, das eine adaptive Solarfassade und ein auf die Bewohner ausgerichtetes Steuerungssystem umfasst, das während der Nutzung Maschinenlernen verwendet, um Licht, Energiegewinnung und Klimatisierung in Echtzeit anzupassen. Das zeige, dass künftig Software nicht mehr zum Bau von Gebäuden diene, sondern in die Gebäude integriert werde.

Russell Loveridge und Tanja Coray beruhigen in einem weiteren Beitrag, indem sie sagen, dass Bauroboter Menschen nicht ganz ersetzen könnten. Sie würden sich wiederholende und arbeitsintensive Tätigkeiten übernehmen können, auch wenn der Baugrund unstrukturiert sei und einzigartige topografische Eigenschaften aufweise. Das lasse sich durch mehr und bessere Sensoren und Lokalisierungstechniken bewältigen. Sie setzen weniger auf Bauen mit vorfabrizierten Elementen, sondern auf Verbesserungen des Bauens vor Ort. Menschen aber seien nötig, weil sie mit unvorhergesehen Problemen fertigwerden können und über Wissen und Erfahrung verfügen, das sich schwer quantifizieren lasse. Daher sei es erforderlich, alle Bauroboter mit Sicherheitssystemen auszustatten, damit sie Menschen nicht gefährden, damit sie "nett mit ihren Mitarbeitern umgehen". Da werden nebenbei die Menschen schon zu den Mitarbeitern der Roboter erklärt. (Florian Rötzer)

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