Unter der Leitung der Empa und der EPFL will ein internationales Forscherteam Flugroboter entwickeln, die Baumaterialien aus der Luft verarbeiten können.
Die Fluggeräte sollen Arbeiten an schwer zugänglichen Orten oder in grossen Höhen ausführen. Bestehende Systeme könnten so bei Reparaturen oder in Katastrophengebieten ergänzt werden. Die bereits auf Baustellen verwendeten Roboterarme und 3D-Druckportale sind zu schwer oder fest installiert. Ein Einsatz in unwegsamem Gelände oder in grosser Höhe ist deshalb kaum möglich. Eine Lösung sind flugfähige Roboter, die als Baumaschinen eingesetzt werden können. Arbeiten sollen sie im Gebirge, auf Dächern oder sogar auf anderen Planeten. Feste Baustelleneinrichtungen werden unnötig. Sie können im Schwarm und sehr flexibel eingesetzt werden und sind skalierbar. Transportwege werden verkürzt, der Materialverbrauch reduziert und Baustellen werden sicherer.
Einsatz in Extremsituationen
In überfluteten Katastrophengebieten oder zerstörten Regionen sind sie der ideale Ersatz für Strassenfahrzeuge. Sie transportieren Baumaterialien und errichten Notunterkünfte. An Hochhausfassaden können sie autonom Risse reparieren oder schadhafte Brücken erkennen und ausbessern. Im Gegensatz zu den Schwergewichten am Boden sind die Baudrohnen leicht, mobil und flexibel.
Es gibt bereits Prototypen, die unterschiedliche Methoden demonstrieren. Sie können einzelne Bauelemente einsetzen, Seile spannen oder schichtweise Baumaterialen drucken. Die Empa-Forscher programmierten bereits Geräte, die in Teamwork schichtweise Material für den Bau oder die Reparatur von Strukturen drucken.
Zusammenspiel von Technik, Material und Entwurf
Solange die Drohnen mit Material und Energie versorgt werden, können sie überall bauen. Eine grosse Hürde ist die interdisziplinäre Technologie. Um das Ziel zu erreichen, braucht es weitere Fortschritte in der Robotik, Materialwissenschaft und Architektur. Weitere Einschränkungen sind Flugzeit, Nutzlast und Autonomie. Die Studie stellt deshalb ein Autonomie-Framework in fünf Stufen vor – vom einfachen Flug entlang einer Route bis zur vollen Unabhängigkeit, bei der Flugroboter die Bauumgebung analysieren, Fehler erkennen und sogar in Echtzeit das Design anpassen können.
«Unser Ziel sind Flugroboter, die verstehen, mit welchem Material und in welcher Umgebung sie bauen – und die entstehende Struktur während des Baus intelligent optimieren», erklärt Yusuf Furkan Kaya. Der enorme Energieverbrauch, der 8- bis 10- Mal so hoch ist wie bei stationären Systemen, schränkt die Verwendung der Flieger stark ein. Deshalb empfehlen die Forscher eine konventionelle Bauweise in unteren Bereichen und den Einsatz der Flugroboter dort, wo sie ihre Stärken in Flexibilität und Reichweite ausspielen können.
DroneHub
Eine Schlüsselrolle für «Aerial AM» spielt der neue «DroneHub» im Forschungs- und Innovationsgebäude NEST der Empa. Diese vielseitige Testinfrastruktur für Robotik wurde als Brücke zwischen Labor und industrieller Anwendungen konzipiert. «Baudrohnen können hier unter realen Bedingungen getestet, weiterentwickelt und zur Marktreife gebracht werden», sagt Mirko Kovac, der die in Zusammenarbeit mit dem «Imperial College London» entwickelte NEST-Unit leitet.
Der «DroneHub» unterstützt die neue gemeinsame Professur für «Sustainability Robotics» zwischen Empa und EPFL und ist zentral für die erweiterte Partnerschaft mit dem «Imperial College London». Mit dieser europaweit einzigartigen Infrastruktur steht der Empa eine Plattform zur Verfügung, auf der fliegende Baumaschinen erstmals ausserhalb des Labors erprobt werden können. Erste Feldversuche sind noch in diesem Jahr geplant.
