建筑機器人大顯身手

編譯李忠東

建筑機器人大顯身手

編譯李忠東

兩天內砌完一棟房子

馬克·皮瓦克是澳大利亞Fast Brick機器人公司的創始人和首席執行官，這位機械工程師為解決當地砌磚工資源短缺問題，花費10年時間，耗資900萬澳元（人民幣約4560萬元），研發出世界首臺全自動砌磚機器人“哈德良105”（Hadrian105）。如今，他又推出升級版的“哈德良X”（Hadrian X）。“哈德良”這個名字源于著名的古羅馬防御墻。

“哈德良105”的工作原理是利用3D計算機輔助設計出房子的形狀和結構，掃描周圍環境，精確地計算出每一塊磚頭的位置。它能用28米長的機械臂拿起磚頭，用壓力擠出傳統水泥砂漿或建筑膠，涂在待粘結的磚塊上，然后按順序砌墻。“哈德良105”會根據施工需要裁切磚塊，并且為電線和水管預留位置。它使砌磚這種建筑行業高強度的勞動自動化，比人工蓋房快4倍，以低成本和高質量的優勢在幾天內把房子砌好。

“人類砌磚已經6000年了，自工業革命以來一直有人在研究自動砌磚科技。現在各種科技已經發展到相當水平，實現這一夢想已成為可能，而這就是我們在做的事。”皮瓦克稱，“我們屬于前沿公司，正在進入實現全自動化3D打印磚石建筑為主流的時代，‘哈德良X’有望徹底改變建筑行業。

與老款相比，Fast Brick機器人公司研制的 “哈德良X”全自動砌磚機器人體積更大，速度也更快。兩者一樣安裝在卡車上，能夠在建筑工地內自由行動。“哈德良X”30米長的機械臂與主體相連，末端的機械手可用于抓取大于標準磚的15倍。一旦在現場安裝完畢，專門的設備便會從包裝袋里取出磚塊，放進一個特別的傳送裝置里，根據程序選擇進行不同的作業流程，再由激光制導跟蹤儀和智能跟蹤傳感器指揮砌墻。

升級版可砌磚1000塊/小時，而老款僅能225塊。它在粘合磚石時使用建筑膠代替傳統水泥砂漿，以確保磚塊之間嚴絲合縫。在充分發揮速度優勢的同時，確保建筑物的質量，達到結實耐用和熱利用率高的標準。可長時間地保持某個特定姿勢，24小時不間斷工作，兩天內砌完一棟房子，而普通的砌磚工人砌一幢新房磚墻需要4~6周。如日夜不停，一年能建150座房子。“哈德良X”的砌磚過程完全自動運行，除后續電線和管道等的安裝外，無須人工參與。

“哈德良X”在西澳首發，隨后擴大到澳大利亞其他地區和全球。皮瓦克表示說，他無意與砌磚工人作對，只是希望能夠改變建造住宅的過程，實現人類房屋修建的徹底變革。公司下一步的目標是實現整個建筑過程完全自動化。

△ 世界首臺全自動砌磚機器人“哈德良105”（Hadrian105）

“動物世界里”的優秀建筑師

美國哈佛大學工程和應用科學學院攜手維斯生物工程研究所的科學家，聯合研制了一種能夠自組織的小型建筑機器人，名為“白蟻”（TERMES）。它們如中型遙控玩具車一般大小，4輪裝有若干探測器和舉起建筑構件的裝置，外形非常奪目。“白蟻”建筑機器人使用來自紅外和超聲波傳感器的信號引導，能夠在無人監督或者指導的情況下利用輕型泡沫制造的建筑磚，自行建造高塔、城堡和金字塔等復雜三維結構。在整個過程中，“白蟻”建筑機器人無需使用任何詳細的圖紙，此外，它們還會選擇合理的行動路線，做到事半功倍。

在一次演示中，哈佛大學的科學家們讓“白蟻”建筑機器人現場建筑一座城堡。只見它們前后左右移動，到指定位置拿取積木一樣的“磚塊”。如筑巢般，根據探測到的環境和預設程序把“磚塊”放到特定的位置。在已放 “磚塊”的地方，機器人會熟練地進行壘放，層層疊加像遵守交通規則一樣按部就班。任意一位成員在運行中出了故障，都不會影響工程的整體進度，當然也不會在建造過程中將自己困在建筑框架內。雖然進度較慢，但每一名成員都能進行自我保護，有效識別危險地帶。

科學家們的靈感來自白蟻，受它們建造蟻巢的啟發。白蟻是巢居昆蟲，蟻巢是它們集中生活的大本營。有些白蟻巢在地上可筑壟高達9米，基部直徑20~30米，有的巢筑在地下，也有的筑在墻壁里或樹木中。白蟻的建造能力驚人，是動物世界里的優秀“建筑師”。數百萬只白蟻攜手合作，“蓋起”大小為其數百倍的白蟻巢。讓科學家驚嘆不已的是它們不需要詳細的建筑藍圖，而是使用從同伴那兒收集到的信息來引導整個建造過程。在構筑白蟻巢時，不像人類蓋房子那樣有一個總設計師，而是根據周圍環境自行決定如何行動，自發地獨立構建復雜的結構。

建筑工人一般會采用一種等級系統來工作：一位負責人帶領著一些技術工人，按照一份詳細的計劃施工。哈佛大學的研究人員開發的“白蟻”建筑機器人是將程序植入芯片中，使得它們能夠模擬白蟻，憑借“本能”自行開始建造蟻巢。“白蟻”建筑機器人的長度只有15厘米，雖然個頭很小，但所表現出來的建造能力給人們留下深刻印象。這項技術的最大優勢在于，一個系統中的機器人數量可以是無限的，因為它不需要耗費資源去進行協調活動。

哈佛大學研發團體設計出了必要的算法，可以使3個“白蟻”建筑機器人用與白蟻類似的方式來建造物體。為了確保在沒有刻意規劃的條件下每個“白蟻”建筑機器人能自主進行建造，科學家創建了兩種類型的規則：一種是使它們彼此之間不受阻礙的交通規則，另一種是可以達成它們想要的任何結構的建造規則。具體來說，建造的規則就是什么時候放置磚塊是基于該地是否已有磚塊，或者什么時候要按照結構向上壘磚，以及何時放置第一級磚塊。

用戶在確定了想要的建筑結構后，“白蟻”建筑機器人就會依照規則自動開始施工。它們使用7個紅外傳感器，以便檢測到黑色和白色的磚塊。并且使用聲波進行導航，探測其他的機器人是否在旁邊，從而保持與周圍建筑物的距離。機器人感應到磚塊時，會將其拿起并且放在建筑物上。通過編程，科學家們能夠指揮“白蟻”建筑機器人沿著網格移動。另外，它們設置的一些“交通規則”可以引導它們移動到具體地方。這種建造模式的好處是無論缺少誰都不要緊，建筑規模也容易擴展。執行簡單的規則，通過個體工作協調，“白蟻”建筑機器人有望能夠建造一些復雜的結構。

與其他機器人相比，“白蟻”建筑機器人的最大優勢是不需要集中控制，也不需要相互交流的復雜系統。各自都有一套獨立完整的運行個體。雖然現在研發的“白蟻”建筑機器人還處于“擺弄積木”的初級階段，但它們將來可能在很多地方都有用武之地。盡管“白蟻”建筑機器人實現上述任務還需要很長時間，但是目前用沙袋建造防洪堤壩卻是完全可以勝任的。□

1、分工合作

2、短小精悍

責任編輯 / 周洋 / 1026414103@qq.com