Los bloques de construcción que se ensamblan automáticamente pueden hacer que la construcción sea más eficiente y sostenible

Si bien aún quedan por explorar la escalabilidad, la durabilidad, la solidez a largo plazo y consideraciones importantes como la resistencia al fuego antes de que un sistema de este tipo pueda implementarse ampliamente, los investigadores dicen que estos primeros resultados resaltan el potencial de este enfoque para la construcción automatizada en el sitio.

“Estoy particularmente entusiasmada con cómo los conjuntos robóticos de celosía discreta pueden permitir una forma práctica de aplicar la fabricación digital al entorno construido de una manera que nos permita construir de manera más eficiente y sostenible”, dijo Miana Smith, estudiante de posgrado en el Centro de Bits y Átomos (CBA) del MIT y autora principal del estudio.

Paul Richard, estudiante de posgrado de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suiza, coautor del artículo y ex investigador visitante en el MIT; Alfonso Parra Rubio, estudiante de posgrado de la CBA; y el autor principal Neil Gershenfeld, profesor del MIT y director de la CBA. La búsqueda aparece en Automatización de la construcción..

Diseña los mejores bloques de construcción

En los últimos años, los investigadores del Centro de Bits y Átomos han estado desarrollando vóxeles, que son bloques de construcción de celosías que pueden ensamblarse en objetos con alta resistencia y rigidez, como alas de avión, palas de turbinas eólicas y estructuras espaciales.

“Aquí tomamos principios aeroespaciales y los aplicamos a los edificios. ¿Por qué no construimos edificios tan eficientemente como fabricamos aviones?” dice Gershenfeld, basándose en el trabajo previo de su laboratorio sobre ensamblaje de vóxeles con la NASA, Airbus y Boeing.

Para explorar la viabilidad de estrategias de ensamblaje de edificios basadas en vóxeles, los investigadores primero evaluaron el rendimiento mecánico y la durabilidad de ocho diseños de vóxeles existentes, incluido un cuboctaedro hecho de nailon reforzado con vidrio y una celosía Kelvin hecha de acero.

Basándose en estas evaluaciones, desarrollaron un conjunto de tres vóxeles utilizando una nueva geometría que podría ensamblarse automáticamente más fácilmente en una estructura más grande. El nuevo diseño, basado en una red de octetos de alta resistencia y rigidez, se autoalinea mecánicamente en estructuras rígidas.

“La naturaleza entrelazada de estos vóxeles significa que podemos obtener excelentes propiedades mecánicas sin tener que tener muchos conectores en el sistema, por lo que el proceso de construcción puede ejecutarse mucho más rápido”, dice Smith.

Para acelerar su construcción, se diseñó un sistema de ensamblaje robótico basado en robots tipo gusano que se arrastran sobre una estructura de vóxel anclando y extendiendo sus cuerpos. Estos robots ensambladores modulares de celosía Inchworm, o MILAbots, utilizan abrazaderas en cada extremo para colocar bloques de construcción de vóxeles y enganchar las conexiones de ajuste a presión.

“Los robots pueden ensamblar los vóxeles colocándolos en su lugar y luego pisándolos para que las piezas encajen entre sí. Podemos realizar maniobras precisas basadas en la relación mecánica entre el robot y los vóxeles”, explicó Smith.

El equipo estudió el carbono incorporado necesario para fabricar los nuevos diseños de vóxel utilizando tres materiales: plástico, madera contrachapada y acero. A continuación, evaluaron el rendimiento y el costo de utilizar el sistema de ensamblaje robótico para construir un edificio simple de un piso. Los investigadores compararon estas estimaciones con el rendimiento de otros métodos de construcción.

Beneficios ambientales potenciales

Descubrieron que la mayoría de los vóxeles existentes, y especialmente los hechos de plástico, obtienen malos resultados en comparación con los métodos existentes en términos de sostenibilidad, pero los vóxeles de acero y madera fueron diseñados para ofrecer importantes beneficios ambientales.

Por ejemplo, el uso de vóxeles de acero generaría solo el 36 por ciento del carbono incorporado necesario para la impresión de hormigón en 3D y el 52 por ciento del carbono incorporado en el hormigón prefabricado. Los voxels de madera contrachapada tuvieron la huella de carbono más baja, requiriendo aproximadamente el 17 por ciento y el 24 por ciento del carbono incorporado necesario, respectivamente.

“Todavía existe una opción potencialmente viable para un enfoque de vóxel basado en plástico, sólo tenemos que ser un poco más estratégicos sobre qué tipo de plástico, relleno y geometría utilizamos”, dice Smith.

Además, el tiempo previsto de montaje en el sitio para el enfoque de vóxel de acero y madera fue de 99 horas en promedio, mientras que el método de construcción existente fue de 155 horas en promedio.

Estos beneficios de velocidad dependen de la naturaleza distribuida del ensamblaje basado en vóxeles. Si bien un solo MILAbot trabajando solo es mucho más lento que las técnicas existentes, con un equipo de 20 robots trabajando en paralelo, el sistema mantiene o supera los métodos de automatización existentes a un costo menor.

“Un beneficio de este método es lo incremental que es. Puedes comenzar a construir, y si resulta que necesitas una nueva habitación, simplemente puedes agregarle la estructura. También es reversible, por lo que si tu uso cambia, puedes disfrazar los vóxeles y cambiar la estructura”, dice Gershenfeld.

Los investigadores también desarrollaron una interfaz que permite a los usuarios ingresar o dibujar a mano una estructura voxelizada. El sistema automatizado determina el camino que deben seguir los MILAbots para la construcción y envía comandos a los ensambladores.

El siguiente paso en este proyecto será una prueba más amplia en Bután, utilizando el “súper laboratorio fabuloso” que CBA ayudó a establecer para replicar los robots para probar la construcción de una ciudad sostenible planificada, dijo Gershenfeld.

Otras áreas de trabajo futuro incluyen estudiar la estabilidad de las estructuras de vóxeles bajo cargas laterales, mejorar la herramienta de diseño para tener en cuenta la física del sistema, mejorar los MILAbots y evaluar vóxeles con mantas integradas, aislamiento o enrutamiento eléctrico y plomería.

“Nuestro trabajo ayuda a respaldar por qué este tipo de ensamblaje robótico distribuido podría ser una forma práctica de llevar la fabricación digital a la construcción de edificios”, dijo Smith.

“Este es otro ejemplo visionario de Neil Gershenfeld y su equipo, al encontrar maneras de que los edificios se construyan solos con la ayuda de pequeñas máquinas robóticas. Ahora estoy fascinado de cómo podemos usar una idea como esta para hacer que sea más asequible hacer que el exterior de los edificios sea más interesante y alegre”, dijo Thomas Heatherwick, quien fue el fundador de esta arquitectura y participó en el estudio de diseño e investigación Heatherwick.

Este trabajo fue financiado, en parte, por el Centro de Consorcios de Bits y Átomos del MIT.