Hold af mobile 3-D printrobotter kunne reparere broer på Jorden og bygge dem til Mars

Kommerciel 3-D-print – eller additiv fremstilling (AM) – er en blomstrende industri. Men hvis printere blev befriet fra den typiske opsætning, der involverede en ubevægelig boks og et portal, og sat fri til at arbejde i roving, samarbejdshold, AM-virksomheden kan være meget større med mange flere applikationer, herunder som robotmurere på byggepladser og reparation af smuldrende by- og landlig civil infrastruktur.

Et multidisciplinært robotteam på NYU Tandon School of Engineering, vært af NYU's Center for Urban Science and Progress (CUSP) og støttet af et 1,2 millioner dollars tilskud fra National Science Foundation (NSF), arbejder på at gøre konceptet til virkelighed ved at designe autonome systemer til 3-D-printere på robotarme knyttet til mobil, roving platforme. Fungerer i teams – et koncept kaldet collective additive manufacturing (CAM) – disse printere, med maskinlæring og anden kunstig intelligens (AI)-funktioner, kunne reparere broer, tunneler og andre civile strukturer; arbejde i havdybder og katastrofezoner; eller endda gå til rummet for at arbejde på månen, Mars, og videre.

Forskerne, Chen Feng, Maurizio Porfiri, Ludovic Righetti, og Weihua Jin, professorer ved Institut for Bygnings- og Byteknik, Mekanik og rumfartsteknik, og elektro- og computerteknik, vil fokusere på tre områder, der er afgørende for at gøre 3-D-print CAM-teams levedygtige:autonomi, styring, realtidssystemer og netværk:

• Planlægning og lokalisering:Printere skal være i stand til at lokalisere sig i forhold til hinanden og de strukturer, de bygger, efterhånden som de ændrer sig og vokser, og gør det uden at stole på globale positioneringssystemer, især til udenjordiske applikationer
• Model Predictive Control:Den mobile base og manipulatoren skal være både effektiv og stabil nok til at opnå udskrivning, der er både hurtig og af høj kvalitet, og i stand til at tilpasse sig i realtid til uventede eller uønskede variationer i de virkelige forhold på stedet, eller i uventede variationer i, hvordan printerhovedet afsætter cement eller andet materiale
• Udskrivning og koordinering:Synkronisering af bevægelsen af ​​flere printere ved hjælp af design af de dele, der skal udskrives, og selve de faktiske udviklende strukturer som kort til den fysiske koordinering af udskrivningsrobotter

Feng forklarede, at målet er nøjagtighed, effektivitet, og tilpasningsevne til miljøet og til realtidsforhold – snarere den måde, en navigationsapp omdirigerer et køretøj på, som den fornemmer har afveget fra en kortlagt kurs. I modsætning til den typiske GPS-baserede navigationstjeneste, imidlertid, justeringerne skal være lynhurtige og nøjagtige til et par millimeter, ikke et par dusin fod. Han tilføjede, at holdets unikke kombination af ekspertise inden for robotteknologi, kunstig intelligens, kontrol teori, og dynamiske systemer gør udfordringerne overkommelige.

Feng vil fokusere på planlægning og lokalisering, tackle sådanne udfordringer som, hvordan man gør robotten i stand til at identificere, hvornår og hvornår den ikke har brug for en høj grad af præcision i at lokalisere sig selv.

"Roboten skal kunne bevæge sig hurtigt til printområdet, observere de virkelige forhold - såsom ujævnt underlag, da den virkelige verden ikke er plan - så lav kompensation med det samme, " sagde han. "Og selvom vi ønsker at have en højere grad af nøjagtighed i strukturområdet, jo længere du er fra strukturen, jo mindre har du brug for, " forklarede han. "Dette vil involvere en ny form for proaktiv lokalisering."

Righetti vil arbejde på optimale styringsalgoritmer i realtid for hver mobile printer, for at give robotten mulighed for hurtigt at tilpasse sig miljøet.

"Hver robot skal observere, hvad der bliver udskrevet, selvstændigt associere det med projektdesignet, og genkend øjeblikkeligt, hvis den trykte struktur har afviget fra den, og hvor meget, og hele tiden beslutte, hvad der er de næstbedste handlinger for at sikre korrekt udskrivning af strukturen, " han sagde.

Porfiri vil udvikle en matematisk ramme, der giver robotterne mulighed for autonomt at koordinere deres respektive handlinger inden for det udviklende fysiske miljø, gør det muligt for flere mobile printere samtidig at skabe en struktur med højere effektivitet. Denne evne ville være særlig vigtig på steder som Mars, hvor der ikke er nogen fjernserver tæt nok på til at kontrollere robotternes koordinerede indsats uden tidsforsinkelse.

"Forskelligt fra droner, der flyver i formation eller autonome biler, der holder afstand til hinanden, vores mobile printere efterlader et unikt fodaftryk i det fysiske miljø:det objekt, der udskrives. Mit arbejde vil udnytte netop dette fodaftryk til at etablere effektive algoritmer til koordinering og kollektiv udskrivning."

Jin vil hjælpe teamet med at udvikle nye kompositmaterialer, der egner sig til mobil 3-D betonprint. Holdet planlægger at demonstrere effektiviteten af ​​algoritmerne ved 3D-print i den virkelige verden af ​​de nye betoner ved hjælp af mobile printere, som de vil bygge på NYU Tandon.

"For at frigøre det fulde potentiale af kollektiv additiv fremstilling, flere videnskabelige grænser skal rykkes, sikre optimal udrulning af flere mobile robotter, der udskriver store strukturer i henhold til en konstrueret, virtuelt design, " sagde Feng.

Projektet omfatter en industriworkshop om CAM, en udendørs offentlig udstilling, overkommelig/åbent uddannelsessæt på CAM, K-12 desktop-skala CAM konkurrence, iværksætteraktiviteter og en mangfoldighedsindsats for studerende med alle baggrunde.