De acordo com um novo estudo realizado por pesquisadores do MIT, blocos de construção montados roboticamente podem ser um método mais ecológico para erguer estruturas de grande escala do que algumas técnicas de construção existentes.

A equipe realizou um estudo de viabilidade para avaliar a eficiência da construção de um edifício simples usando "voxels", que são subunidades modulares 3D que se encaixam para formar estruturas complexas e duráveis.

Após estudar o desempenho de múltiplos voxels, os pesquisadores desenvolveram três novos projetos com o objetivo de agilizar a construção de edifícios. Eles também criaram um montador robótico e uma interface amigável para gerar layouts de construção baseados em voxels e fornecer instruções aos robôs.

Os resultados indicam que esse sistema de montagem robótica baseado em voxels 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 usados para fabricar os voxels desempenha um papel fundamental em 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 implementado, os pesquisadores afirmam que esses resultados iniciais destacam o potencial dessa abordagem para a construção automatizada no local.

“Estou particularmente entusiasmada com a forma como a montagem robótica de estruturas discretas pode viabilizar uma maneira prática de aplicar a fabricação digital ao ambiente construído, permitindo-nos construir de forma muito mais eficiente e sustentável”, afirma 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, estudante de pós-graduação do CBA; e o autor sênior Neil Gershenfeld, professor do MIT e diretor do CBA. A pesquisa foi publicada na revista Automation in Construction .

Nos últimos anos, pesquisadores do Centro de Bits e Átomos têm desenvolvido voxels, que são blocos de construção com estrutura de treliça que podem ser montados para formar  objetos com alta resistência e rigidez , como 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 com que construímos aviões?”, diz Gershenfeld, com base em trabalhos anteriores que seu laboratório realizou sobre montagem de voxels com a NASA, a Airbus e a Boeing.

Para explorar a viabilidade de estratégias de montagem baseadas em voxels para edifícios, os pesquisadores primeiro avaliaram o desempenho mecânico e a sustentabilidade de oito projetos de voxels existentes, incluindo um cuboctaedro feito de náilon reforçado com fibra de 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 montada roboticamente com mais facilidade em uma estrutura maior. O novo design, baseado em uma treliça octeto de alta resistência e rigidez, se autoalinha mecanicamente em estruturas rígidas.

“A natureza interligada desses voxels significa que podemos obter boas propriedades mecânicas sem precisar de muitos conectores no sistema, então 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 semelhantes a lagartas que rastejam sobre uma estrutura voxel ancorando e estendendo seus corpos. Esses robôs Montadores Modulares de Lagartas, ou MILAbots, usam garras em cada extremidade para posicionar blocos de construção voxel e encaixar as conexões de pressão.

“Os robôs conseguem montar os voxels, colocando-os no lugar e pisando neles para que as peças se encaixem. Podemos realizar 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 projetos de voxels usando três materiais: plástico, madeira compensada e aço. Em seguida, avaliaram a produtividade 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.

Eles descobriram que a maioria dos voxels existentes, especialmente aqueles feitos de plástico, apresentavam desempenho ruim em comparação com os métodos existentes em termos de sustentabilidade, mas os voxels de aço e madeira que eles projetaram ofereciam benefícios ambientais significativos.

Por exemplo, a utilização de 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 madeira compensada apresentaram 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 voxel baseada em plásticos, só precisamos ser um pouco mais estratégicos em relação aos tipos de plásticos, materiais de preenchimento e geometrias que utilizamos”, diz Smith.

Além disso, o tempo médio de montagem no local para as abordagens de voxels de aço e madeira foi de 99 horas, enquanto os métodos de construção existentes tiveram uma média de 155 horas.

Esses benefícios de velocidade dependem da natureza distribuída da montagem baseada em voxels. Embora um único 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.

Os pesquisadores também desenvolveram uma interface que permite aos usuários inserir ou desenhar manualmente uma estrutura voxelizada. O sistema automático determina os caminhos que os MILAbots devem seguir para a construção e envia comandos para os montadores.

O próximo passo neste projeto será um ambiente de testes maior no Butão, usando o "super fab lab" que a CBA ajudou a montar lá para replicar os robôs e testar a construção de uma cidade sustentável planejada, diz Gershenfeld.

Outras áreas de trabalho futuro incluem o estudo da estabilidade de estruturas voxel sob cargas laterais, o aprimoramento da ferramenta de projeto para levar em conta a física do sistema, o aperfeiçoamento dos MILAbots e a avaliação de voxels que possuem revestimento, isolamento ou roteamento de instalações elétricas e hidráulicas integrados.

“Nosso trabalho ajuda a comprovar por que esse tipo de montagem robótica distribuída pode ser uma maneira prática de trazer a fabricação digital para a construção civil”, diz Smith.

“Este é mais um exemplo visionário de Neil Gershenfeld e sua equipe, de como encontrar maneiras de construir edifícios sozinhos com a ajuda de minúsculas máquinas robóticas. Estou fascinado por como podemos aproveitar uma ideia como essa para tornar mais acessível a criação de exteriores de edifícios mais atraentes e agradáveis”, diz Thomas Heatherwick, fundador do escritório de design e arquitetura Heatherwick Studio, que não participou desta pesquisa.

Este trabalho foi financiado, em parte, pelo Consórcio do Centro de Bits e Átomos do MIT.