人类与机器人携手构造建筑

“我们希望使用机器人来建造更具可持续性的美丽建筑，”土木与环境工程副教授、形状发现实验室主任阿德里安森斯（Adriaenssens）说。

因此，这些教授与建筑和工程公司Skidmore，Owings and Merrill（SOM）合作，为去年3月在伦敦举行的SOM展览“结构解剖学”设计了一个引人注目的独特装置。他们使用两个由英国全球机器人提供的工业机器人，建造一个7英尺高、12英尺宽、21英尺长的令人叹为观止的拱顶，由PosiaSkyStudio工作室的338个透明玻璃砖构成。

关键的是，LightVault从两个方面减少了资源的使用：在施工过程中不需要模板或脚手架；通过使拱顶具有双重曲面，从而减少所需的材料量，从而提高了拱顶的结构效率。

普林斯顿大学建筑学助理教授帕拉肖（Parascho）说：“我试图找出机器人能做什么，而人类却做不好的。”Parascho是普林斯顿CREATE实验室的主任，CREATE代表计算和机器人使建筑技术成为可能。

她说：“我的工作并不是试图通过自动化来取代人类的劳动，而是通过使用机器人来完成人类不擅长的任务来增加建筑学的可能性。”例如，拿着一块3公斤重（7磅）的砖头七分钟——不动，让胶水干——对人类来说是非常困难的。”

与LightVault合作的SOM公司副总监兼高级结构工程师Alessandro Beghini说：“机器人建造为设计和建造提供了许多机会，使机器人与人类的工作相互补充。”机器人可以在人们工作危险或难以接近人类的地方使用。”

机器人天生擅长在太空中执行精确的运动，不像人类那样，人类需要引导或支撑结构来构建复杂的几何体。正是这一点启发了研究人员探索引人注目和意想不到的形状的潜力。Edvard Bruun是土木与环境工程的博士生，参与了该项目的实施。

他指出，虽然人类的建设者需要两次或三次检查他们的积木位置，“通过利用机器人在3D空间中的固有精度，我们可以花更多的时间专注于使设计尽可能高效，同时不会陷入与此类结构相关的物理施工挑战中。”

研究小组设计了一个过程，在这个过程中，两个机器人协同工作，在没有任何脚手架或其他支撑的情况下，组装了拱顶的中央拱门。每个机器人都会放置一块砖块，然后在另一个机器人放置下一块砖块的同时保持结构。

建筑是能源和材料密集型的，未来的全球福祉取决于是否能够建造坚固的建筑物，而这些建筑物的建造材料有多高。机器人有潜力帮助我们实现这一目标，因为我们开发出更好的方法来利用它们进行建筑工程。”

Isla Xi Han是Parascho实验室的博士生，负责开发和实施机器人制造过程。她说，“建造拱门的传统方法是两手从两头相对的一端伸出，并在顶部中间会合。同时，两个机械手臂组成一个拱门，手从左向右滚动。”

当机器人一起完成了中心拱门的建造之后，他们开始独立工作，每个机器人都在拱顶的一侧建造。为了确保未完成的结构的稳定性，砖的放置使每一块新铺的砖都能支撑下一块砖。

虽然团队的意图从一开始就很明确，但实施并不那么简单。

为了及时为伦敦展览建造金库，研究小组用物理原型测试了每一个决策，从小型概念验证到全尺寸实体模型。一共建造了八个建筑——一些在普林斯顿建筑学院的实体计算实验室，一些在全球机器人公司，还有一个在伦敦的展览空间。

挑战包括找到一个连接系统，该系统在组装后能安全地将玻璃砖固定到位，确定正确的施工顺序，以确保拱顶的结构完整性，以及控制机械臂的不可预测的运动，以使它们不会相互碰撞或与结构的完整部分发生碰撞。

“我学会了尊重机器人的‘个性’，而不是仅仅告诉可怜的机器人去做事，”韩说有一次，机器人的肘部不断撞击现有结构的一部分。我们最终在预期的设计上后退了一步——在人类与机器人的合作中也同样向前迈进了一步——将结构设计成不对称的形状，以帮助机器人在整个施工过程中更舒适地移动。双方都很高兴，这是双赢。”

最大的挑战来自新型冠状病毒的大流行。由于一半的队伍在伦敦，一半被困在家里，施工需要加快，并在最初计划的一半时间内完成。这意味着要迅速调整设计，减少砖块的数量，并制定出一个能够快速高效施工的进度表。”最后，金库的成功完成，最重要的是每个人都安全回家了，”Parascho说。

帕拉肖说，尽管流感大流行对该项目产生了巨大的影响——预计有600多名客人参加的开幕式活动被取消，整个团队从未亲自会面，“这次经历为我们带来了新的、意想不到的机会。”我们这个领域面临的挑战是巨大的，从如何在机器人实验室安全工作到如何远程运行研究，以及找到与研究人员和其他学者联系的方法。但目前的状况也将我们的关注点转移到了网上，这使得并鼓励来自世界各地的研究人员能够更快、更容易地进行联系。”

我们的成果表明，在社交距离是一个重要考虑因素的情况下，机器人是可行的工具。”CREATE实验室目前正致力于建立一个远程装置，允许学生和研究人员在家里控制机器人，并在大流行期间继续他们的研究。