Humanidades

Robôs e humanos colaboram para revolucionar a arquitetura
Robôs e humanos colaboram para revolucionar a arquitetura
Por Princeton University - 25/10/2020


A professora Stefana Parascho (à direita) e Isla Xi Han estão embaixo de um protótipo de tijolo de concreto e vidro construído no Embodied Computation Lab (ECL) na Escola de Arquitetura da Universidade de Princeton, em janeiro de 2020. Foto: CREATE Laboratory, Shenhan Zhu

“Queremos usar robôs para construir uma bela arquitetura de forma mais sustentável”, disse Adriaenssens, professor associado de engenharia civil e ambiental e diretor do Form Finding Lab .

Assim, os professores formaram uma parceria com a empresa de arquitetura e engenharia Skidmore, Owings and Merrill (SOM) para criar uma instalação marcante e única para a exposição “Anatomy of Structure” da SOM em Londres em março passado. Eles usaram dois robôs industriais fornecidos pela Global Robots, sediada no Reino Unido, para construir uma abóbada de tirar o fôlego, com 2,13 metros de altura, 3,5 metros de largura e 6,5 metros de comprimento, construída com 338 tijolos de vidro transparente do Poesia Glass Studio. 

2 braços de robô constroem um túnel
O arco central quase terminado aguarda seu último tijolo. Como toda a estrutura
do LightVault, o arco central é construído sem qualquer andaime ou outros suportes
externos. Os dois robôs industriais se revezam colocando um tijolo e sustentando a
estrutura, trabalhando de um lado para o outro. Foto: CREATE
Laboratory, Isla Xi Han e Edvard Bruun

De maneira crítica, o LightVault reduziu o uso de recursos de duas maneiras: eliminando a necessidade de formas ou andaimes durante a construção e melhorando a eficiência estrutural da abóbada ao torná-la duplamente curva, o que reduziu a quantidade de material necessária. Isso só foi possível devido à força e precisão dos robôs.

“Tento descobrir o que os robôs podem fazer que os humanos não conseguem fazer bem”, disse Parascho, professor assistente de arquitetura em Princeton que desenvolveu a ideia por trás da montagem robótica do cofre. Parascho é o diretor do Laboratório CREATE Princeton , onde CREATE representa computação e robótica possibilitando tecnologias arquitetônicas.

“Meu trabalho não é substituir o trabalho humano automatizando-o, mas aumentar as possibilidades da arquitetura usando robôs para tarefas nas quais os humanos são bastante ruins”, disse ela. “Por exemplo, segurar um tijolo de 3 quilos [7 libras] por sete minutos - sem se mover, para permitir que a cola seque - é muito difícil para os humanos”.

“A construção robótica abre uma série de oportunidades de design e construção onde os robôs complementam o trabalho humano”, disse Alessandro Beghini, diretor associado e engenheiro estrutural sênior da SOM, que colaborou no LightVault. “Os robôs podem ser usados ​​em locais onde seria perigoso para as pessoas trabalharem ou onde o acesso aos humanos é difícil.”

2 braços de robô constroem um túnel
O vidro final em escala real, LightVault, é exibido na exposição “Anatomia da Estrutura:
O Futuro da Arte e Arquitetura” em Londres. Foto: CREATE Laboratory,
Isla Xi Han e Edvard Bruun

Os robôs são inerentemente bons na execução de movimentos precisos no espaço, ao contrário dos humanos, que precisam de guias ou estruturas de suporte para construir geometrias complexas. Foi isso que inspirou os pesquisadores a explorar o potencial das formas marcantes e inesperadas. Edvard Bruun , um Ph.D. estudante de engenharia civil e ambiental, atuou na implantação do projeto.

Ele observou que, embora os construtores humanos precisem verificar duas ou três vezes a colocação dos blocos, "aproveitando a precisão inerente dos robôs na navegação no espaço 3D, poderíamos gastar mais tempo nos concentrando em tornar o design o mais eficiente possível, sem se prender aos desafios de construção física tipicamente associados a tal estrutura. ”

A equipe idealizou um processo no qual os dois robôs trabalharam juntos para montar o arco central da abóbada sem qualquer andaime ou outro suporte. Cada robô colocaria um tijolo, então seguraria a estrutura enquanto o outro robô colocaria o próximo tijolo.

Um estudante de graduação toca um tijolo de vidro na estrutura
Isla Xi Han, um Ph.D. estudante de tecnologia de arquitetura que trabalhou no
desenvolvimento dos protótipos LightVault, examina o protótipo de concreto e vidro na
ECL de Princeton. Foto: CREATE Laboratory, Shenhan Zhu

“Beleza e eficiência material ou estrutural não são mutuamente exclusivas”, disse Bruun. “A construção consome muita energia e materiais. O futuro bem-estar global depende da capacidade de construir edifícios fortes e eficientes com a quantidade de material com que são construídos. Os robôs têm o potencial de nos ajudar a atingir esse objetivo à medida que desenvolvemos melhores maneiras de utilizá-los em trabalhos de construção.

Isla Xi Han, um Ph.D. aluno do laboratório da Parascho, foi responsável pelo desenvolvimento e implementação do processo de fabricação da robótica.

“Para descrever o LightVault, eu costumo fazer uma minidança”, disse ela. “Uma forma tradicional de construir um arco é duas mãos vindo de extremidades opostas e encontrando-se no meio superior. Enquanto isso, dois braços robóticos fazendo um arco estão girando as mãos, varrendo da esquerda para a direita. ”

Depois que os robôs terminaram de construir o arco central juntos, eles passaram a trabalhar de forma independente, cada um construindo um lado da abóbada. Para garantir a estabilidade da estrutura inacabada, os tijolos foram colocados de forma que cada tijolo colocado suportasse o próximo.

Execução

Embora a intenção da equipe fosse clara desde o início, a implementação não foi tão direta.

Para construir o cofre a tempo para a exibição de Londres, a equipe testou cada decisão com protótipos físicos, desde modelos de prova de conceito em pequena escala até maquetes em escala real. Um total de oito estruturas foram construídas - algumas no Embodied Computation Lab na Princeton's School of Architecture, algumas na Global Robots e uma no espaço de exibição em Londres.

Os desafios incluíam encontrar um sistema de conexão que manteria com segurança os tijolos de vidro no lugar uma vez montados, identificando a sequência de construção certa para garantir a integridade estrutural da abóbada e controlando os movimentos imprevisíveis dos braços robóticos para que eles não colidissem um com o outro ou com seções completas da estrutura .

“Aprendi a respeitar as 'personalidades' dos robôs em vez de apenas dizer aos pobres robôs para fazerem as coisas”, disse Han. “Em um ponto, o cotovelo do robô estava constantemente batendo em parte da estrutura existente. Acabamos dando um passo atrás no design pretendido - e igualmente um passo adiante na colaboração humano-robô - para massagear a estrutura em uma forma assimétrica, para ajudar os robôs a se moverem mais confortavelmente durante o processo de construção. Ambas as partes estão felizes - todos ganham. ”

Mesmo com tantos testes e esforços para prever tudo o que poderia dar errado, a equipe encontrou surpresas. “O compressor de ar que compramos para a instalação em Londres não era forte o suficiente”, disse Samantha Walker, engenheira estrutural sênior da SOM. “Acabamos contratando um diferente e mais poderoso no último minuto. Você pode gastar muito tempo se concentrando em resolver os problemas complexos e, no final, são os aparentemente óbvios que podem causar os maiores problemas. ”

Robô construindo um túnel de vidro
Um dos robôs de construção é visto através da estrutura de curva dupla LightVault
na Ambika P3 Gallery, Londres. Foto de SOM, Maciej Grzeskowiak

Outra vez, após protótipos bem-sucedidos com materiais mais leves, dois testes com os tijolos de vidro “terminaram em vidro estilhaçado por todo o laboratório”, disse Parascho. Uma análise cuidadosa revelou que os próprios robôs estavam deformando alguns centímetros sob o peso do arco. “Isso nos fez repensar toda a sequência de construção, a fim de limitar o peso máximo que os robôs deveriam suportar”, disse ela.

Mas o maior desafio foi colocado pelo COVID-19. Com metade da equipe em Londres e metade presa em casa, a construção precisava acelerar e ser concluída na metade do tempo inicialmente planejado. Isso significou ajustar rapidamente o projeto para diminuir o número de tijolos e chegar a um cronograma que permitisse uma construção rápida e eficiente. “No final, o sucesso da finalização do salto foi coroado pelo alívio de todos voltando para casa em segurança”, disse Parascho.

Embora a pandemia tenha impactado o projeto dramaticamente - o evento de abertura com mais de 600 convidados esperados foi cancelado e a equipe completa nunca se encontrou pessoalmente - “esta experiência abriu oportunidades novas e inesperadas”, disse Parascho. “Os desafios para nosso campo são enormes, variando de como trabalhar com segurança em um laboratório de robótica até como conduzir pesquisas remotamente e encontrar maneiras de se conectar a pesquisadores e outros acadêmicos. Mas o estado atual também mudou nosso foco online, o que permite e incentiva pesquisadores de todo o mundo a se conectarem de forma mais rápida e fácil. ”

Havia um forro de prata, disse Bruun. “Mostramos que os robôs são ferramentas viáveis ​​para trabalhar em uma situação em que o distanciamento social é uma consideração importante.” O CREATE Lab está atualmente trabalhando no estabelecimento de uma configuração remota para permitir que alunos e pesquisadores controlem os robôs de casa e continuem suas pesquisas durante a pandemia.

“Ficou claro como os robôs são relevantes no mundo de hoje”, disse Parascho, “e como eles podem ajudar em tais crises no futuro”.

A equipe de pesquisa de Princeton é composta por Stefana Parascho, Sigrid Adriaenssens, Isla Xi Han, Edvard Bruun, Ian Ting e Lisa Ramsburg, com o apoio de Chase Galis, Lukas Fuhrimann, Gray Wartinger e Bill Tansley. A equipe da SOM inclui Alessandro Beghini, Samantha Walker, Michael Cascio, David Horos, Mark Sarkisian, Masaaki Miki, Max Cooper, Stuart Marsh, Matteo Tavano, Dmitri Jajich e Arthur Sauvin. O projeto foi conduzido com o apoio de Faidra Oikonomopoulou, Telesilla Bristogianni da Delft University of Technology e patrocínio da Global Robots, Poesia Glass e New Pig Corporation.