Строительный 3D-принтер превратили в автономного универсального робота
В Массачусетском технологическом институте разработали и испытали роботизированную строительную платформу, которая может не только печатать здания, но и выполнять другие виды работ. Статья опубликована в Science Robotics.
Развитие аддитивных технологий в последние годы привело к созданию строительных 3D-принтеров большого размера, с помощью которых иногда можно распечатать здание целиком. Например, в этом году компания Apis Cor целиком напечатала жилой дом в подмосковной деревне Ступино, а в прошлом году в Дубае напечатали офис. Тем не менее, такие проекты предполагают только печать строительной смесью, а другие операции при возведении здания приходится выполнять традиционными методами с помощью дополнительного оборудования. Кроме того, подавляющее большинство строительных 3D-принтеров устанавливаются статично и не могут самостоятельно перемещаться.
Разработанная инженерами из MIT роботизированная платформа под названием Digital Construction Platform(DCP) представляет собой гидравлический манипулятор на гусеничной платформе весом 3,7 тонн. Платформа может самостоятельно перемещаться по строительной площадке и с помощью разных насадок печатает различными материалами, такими как пена, лед или строительные смеси. Кроме 3D-печати DCP поддерживает установку дополнительного оборудования. Например, на манипулятор можно установить сварочный аппарат, дрель или ковш.
Для демонстрации возможностей DCP исследователи напечатали округлое строение из пены. Диаметр структуры составил 14,5 метра, а высота стены 3,7 метра. Весь процесс печати пеной занял 13,5 часов. Как отмечают авторы, в будущем такие установки, возможно, смогут работать автономно, самостоятельно собирая энергию с помощью солнечных батарей и используя для печати подходящие материалы, обнаруженные в окружающей среде. При этом исследователи считают, что для печати можно будет использовать и всевозможные биоматериалы — например, сено.
Стоит отметить, что DCP в своем роде первая попытка создания универсальной автономной строительной платформы. Ранее итальянская компания WASP предлагала решить проблему дополнительного оборудования другим способом — покупкой набора из пяти 3D-принтеров для строительства жилья и 3D-печати бытовых предметов.
Подобные DCP строительные платформы могут в будущем использоваться не только на Земле, но и на других небесных телах. Этому способствует автономность в электропитании, мобильность и возможность адаптироваться к разным материалам производства. Уже разработана технология печати материалом, который на 70 процентов состоит из реголита, а Россия даже планирует создать лунный 3D-принтер.
Его система управления автоматически находит оптимальные точки в воздушных потоках
Инженеры разработали алгоритм управления для беспилотников самолетного типа, который позволяет парить на восходящих воздушных потоках, расходуя в 150 раз меньше энергии, чем при активном полете с работающим двигателем. Алгоритм отслеживает и подстраивается под непрерывно изменяющиеся воздушные потоки, сохраняя высоту. Препринт доступен на arXiv.org. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Беспилотники самолетного типа более энергоэффективны, чем мультикоптеры. Благодаря крыльям они способны преодолевать большие дистанции и могут гораздо дольше находиться в воздухе. Причем эти параметры могут быть увеличены за счет парения — планирующего полета, в котором аппарат использует восходящие воздушные потоки для удержания в воздухе без использования тяги двигателей, аналогично тому, как это делают некоторые птицы. Группа инженеров под руководством Гвидо де Круна (Guido de Croon) из Делфтского технического университета разработала систему управления, которая позволяет беспилотникам самолетного типа без какой-либо предварительной информации о поле ветра самостоятельно находить оптимальные точки в восходящих воздушных потоках и использовать их для длительного парения с минимальным расходом энергии. В системе управления вместо обычного ПИД-регулятора используется метод инкрементальной нелинейной динамической инверсии, контролирующий угловое ускорение, подстраивая его под желаемые значения. Система управления может без изменения настроек работать и в режиме парения, и при полете с включенным двигателем во время поиска новых оптимальных точек в воздушных потоках или для компенсации резких порывов ветра. Для поиска оптимальных точек в поле ветра, в которых скорость снижения полностью компенсируется восходящим потоком воздуха, применяется алгоритм имитации отжига. Он случайно выбирает направления в пространстве пытаясь найти такую точку, в которой беспилотник может устойчиво лететь с минимально возможной тягой двигателя. Для тестов инженеры построили 3D-печатный прототип на основе модели радиоуправляемого самолета Eclipson model C. Он имеет размах крыла 1100 миллиметров и массу 716 грамм вместе с аккумуляторной батареей. В качестве полетного контроллера применяется Pixhawk 4. Помимо установленного под крылом и откалиброванного в аэродинамической трубе сенсора скорости, беспилотник имеет GPS-модуль для отслеживания положения во время полетов на открытом воздухе. В помещении применяется оптическая система Optitrack. Испытания проводились в аэродинамической трубе, возле которой установили наклонную рампу, для создания восходящего воздушного потока. Прототип запускали в воздушном потоке сначала на ручном управлении, после чего включали автопилот. Разработчики провели эксперименты двух типов. В первом они постепенно изменяли скорость воздушного потока от 8,5 до 9,8 метров в секунду при фиксированном угле наклона рампы. Во втором эксперименте скорость воздушного потока оставалась неизменной, зато менялся угол установки подиума. В обоих случаях алгоритм системы управления быстро находил в поле ветра точки, в которых мог поддерживать планирующий полет в течение более чем 25 минут, лишь изредка задействуя тягу двигателя в среднем лишь на 0,25 процента от максимальной, хотя при таких значениях воздушного потока для поддержания обычного полета требуется около 38 процентов. При изменении поля ветра из-за изменившегося угла наклона рампы или скорости воздушного потока алгоритм успешно находил и удерживал новое положение равновесия. В будущем инженеры планируют провести испытания на открытом воздухе. https://www.youtube.com/watch?v=b_YLoinHepo Американские инженеры и планетологи предложили использовать планер, способный длительное время держаться в воздухе за счет восходящих потоков и термиков, для изучения каньонов Марса. Предполагается, что такие аппараты с надувными разворачиваемыми крыльями могут стартовать с аэростата или дирижабля и затем планировать в атмосфере Марса от 20 минут до суток.