Um robô carrega três voxels enquanto caminha através de uma estrutura de voxel. Os robôs modulares Inchworm Lattice Assembler, ou MILAbots, usam pinças em cada extremidade para colocar blocos de construção de voxel e engatar as conexões de encaixe rápido. Crédito: Cortesia dos pesquisadores.
Por Adam Zewe
Blocos de construção montados roboticamente poderiam ser um método mais ecológico para a construção de estruturas de grande escala do que algumas técnicas de construção existentes, de acordo com um novo estudo realizado por pesquisadores do MIT.
A equipe conduziu um estudo de viabilidade para avaliar a eficiência da construção de um edifício simples usando “voxels”, que são subunidades modulares 3D que se montam em estruturas complexas e duráveis.
Depois de estudar o desempenho de vários voxels, os pesquisadores desenvolveram três novos projetos destinados a agilizar a construção civil. Eles também produziram um montador robótico e uma interface amigável para gerar layouts de construção baseados em voxel e fornecer instruções aos robôs.
Seus resultados indicam que este sistema de montagem robótica baseado em voxel poderia reduzir o carbono incorporado – todo o carbono emitido durante o ciclo de vida dos materiais de construção – em até 82%, em comparação com técnicas populares como impressão 3D de concreto, concreto modular pré-moldado e estruturas de aço. O sistema também seria competitivo em termos de custo e tempo de construção. No entanto, a escolha dos materiais utilizados para fabricar os voxels desempenha um papel importante na sua pegada de carbono e custo.
Embora a escalabilidade, a durabilidade, a robustez a longo prazo e considerações importantes como a resistência ao fogo ainda precisem ser exploradas antes que tal sistema possa ser amplamente implantado, os pesquisadores dizem que estes resultados iniciais destacam o potencial desta abordagem para a construção automatizada no native.
“Estou particularmente entusiasmado com a forma como a montagem robótica de redes discretas pode permitir uma forma prática de aplicar a fabricação digital ao ambiente construído de uma forma que nos permita construir de forma muito mais eficiente e sustentável”, diz Miana Smith, estudante de pós-graduação no Centro de Bits e Átomos (CBA) do MIT e autora principal do estudo.
Ela é acompanhada no artigo por Paul Richard, estudante de pós-graduação na École Polytechnique Fédérale de Lausanne, na Suíça, e ex-pesquisador visitante do MIT; Alfonso Parra Rubio, aluno de pós-graduação do CBA; e o autor sênior Neil Gershenfeld, professor do MIT e diretor do CBA. A pesquisa aparece em Automação na Construção.
Projetando melhores blocos de construção
Nos últimos anos, pesquisadores do Heart for Bits and Atoms têm desenvolvido voxels, que são blocos de construção estruturados em rede que podem ser montados em objetos com alta resistência e rigidezcomo asas de avião, pás de turbinas eólicas e estruturas espaciais.
“Aqui, estamos pegando princípios aeroespaciais e aplicando-os a edifícios. Por que não construímos edifícios com a mesma eficiência que fabricamos aviões?” Gershenfeld diz, com base em trabalhos anteriores que seu laboratório realizou na montagem de voxels com NASA, Airbus e Boeing.
Para explorar a viabilidade de estratégias de montagem baseadas em voxel para edifícios, os pesquisadores primeiro avaliaram o desempenho mecânico e a sustentabilidade de oito projetos de voxel existentes, incluindo um cuboctaedro feito de náilon reforçado com vidro e uma treliça Kelvin feita de aço.
Com base nessas avaliações, eles desenvolveram um conjunto de três voxels usando uma nova geometria que poderia ser mais facilmente montada roboticamente em uma estrutura maior. O novo design, baseado em uma estrutura de octeto de alta resistência e rigidez, auto-alinha-se mecanicamente em estruturas rígidas.
“A natureza interligada desses voxels significa que podemos obter boas propriedades mecânicas sem a necessidade de muitos conectores no sistema, de modo que o processo de construção pode ser muito mais rápido”, diz Smith.
Para acelerar a construção, eles projetaram um sistema de montagem robótica baseado em robôs parecidos com minhocas que rastejar através de uma estrutura voxel ancorando e estendendo seus corpos. Esses robôs Modular Inchworm Lattice Assembler, ou MILAbots, usam pinças em cada extremidade para colocar blocos de construção de voxel e engatar as conexões de encaixe rápido.
“Os robôs podem montar os voxels colocando-os no lugar e depois pisando neles para que as peças se encaixem. Podemos fazer manobras precisas com base na relação mecânica entre os robôs e os voxels”, explica Smith.
A equipe estudou o carbono incorporado necessário para fabricar seus novos designs de voxel usando três materiais: plástico, compensado e aço. Em seguida, avaliaram o rendimento e o custo do uso do sistema de montagem robótica para construir um edifício simples de um andar. Os pesquisadores compararam essas estimativas com o desempenho de outros métodos de construção.
As pernas únicas do MILAbot, vistas aqui em shut. “Os robôs podem montar os voxels colocando-os no lugar e pisando neles para que as peças se encaixem”, explica Miana Smith. Crédito: Cortesia dos pesquisadores.
Potenciais benefícios ambientais
Eles descobriram que a maioria dos voxels existentes, e especialmente aqueles feitos de plástico, tiveram um desempenho insatisfatório em comparação com os métodos existentes em termos de sustentabilidade, mas os voxels de aço e madeira que eles projetaram ofereceram benefícios ambientais significativos.
Por exemplo, a utilização dos seus voxels de aço geraria apenas 36% do carbono incorporado necessário para a impressão 3D de concreto e 52% do carbono incorporado do concreto pré-moldado. Os voxels de compensado tiveram a menor pegada de carbono, exigindo cerca de 17% e 24% do carbono incorporado necessário, respectivamente.
“Ainda existe uma opção potencialmente viável para uma abordagem de voxel baseada em plásticos, só precisamos ser um pouco mais estratégicos sobre quais tipos de plásticos, preenchimentos e geometrias usamos”, diz Smith.
Além disso, o tempo projetado de montagem no native para as abordagens de voxel de aço e madeira foi em média de 99 horas, enquanto os métodos de construção existentes foram em média de 155 horas.
Esses benefícios de velocidade dependem da natureza distribuída da montagem baseada em voxel. Embora um MILAbot trabalhando sozinho seja muito mais lento do que as técnicas existentes, com uma equipe de 20 robôs trabalhando em paralelo, o sistema alcança ou supera os métodos de automação existentes a um custo menor.
“Um benefício desse método é o quão incremental ele é. Você pode começar a construir e, se precisar de um novo ambiente, basta adicioná-lo à estrutura. Também é reversível, portanto, se seu uso mudar, você poderá desmontar os voxels e alterar a estrutura”, diz Gershenfeld.
Os pesquisadores também desenvolveram uma interface que permite aos usuários inserir ou projetar manualmente uma estrutura voxelizada. O sistema automático determina os caminhos que os MILAbots devem seguir para construção e envia comandos aos montadores.
O próximo passo neste projeto será um banco de testes maior no Butão, usando o “laboratório tremendous fabuloso” que a CBA ajudou a montar lá para replicar os robôs para testar a construção de uma cidade sustentável planejada, diz Gershenfeld.
Da esquerda para a direita: Yeshey Wangmo Lepcha, Tshering Wangzom e Miana Smith sob um arco criado com voxels, como parte de uma visita de trabalho da equipe do Butão ao MIT. Crédito: Cortesia dos pesquisadores.
Áreas adicionais de trabalho futuro incluem o estudo da estabilidade de estruturas de voxels sob cargas laterais, melhorando a ferramenta de projeto para levar em conta a física do sistema, aprimorando os MILAbots e avaliando voxels que possuem cobertura integrada, isolamento ou roteamento elétrico e hidráulico.
“Nosso trabalho ajuda a entender por que esse tipo de montagem distribuída de robôs pode ser uma maneira prática de trazer a fabricação digital para a construção civil”, diz Smith.
Este trabalho foi financiado, em parte, pelo Heart for Bits and Atoms Consortia do MIT.
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