Het is een en al bedrijvigheid op de bouwplaats. Een dak wordt op een huis gezet, terwijl op het naburige perceel een fundering wordt uitgegraven. In een derde huis worden gipsplaten op de wanden aangebracht. Er is niet één mens te zien.
Alle bouwwerkzaamheden – van het gieten van de fundering tot het plaatsen van de laatste dakpan – worden uitgevoerd door robots. Drones houden de voortgang van het project in de gaten.
Zo kan een bouwplaats er binnenkort uitzien.
Graafmachine
Een zelfrijdende graafmachine graaft de fundering uit. Hij werkt met een combinatie van gps en sensoren die de helling en versnelling meten.
Uitvoerder
Een drone houdt toezicht op de bouw. De drone neemt foto’s en analyseert die met algoritmen die ‘getraind’ zijn om patronen en materialen te herkennen.
Metselaar
Een robotarm bouwt een muur met 1000 stenen per minuut. De arm grijpt bakstenen, smeert er cement op, draait de stenen en legt ze in één beweging.
Timmerman
Een robot schroeft gipsplaten vast. Hij navigeert door laserstralen uit te zenden en afstanden te meten op basis van de weerkaatsing daarvan.
Dakdekker
De robotarmen zetten het houten skelet van het dak in elkaar. Ze worden aangestuurd door algoritmen en fabriceren zelfstandig een dragende constructie.
Dankzij minicomputers, kunstmatige intelligentie en nieuwe sensoren kunnen robots bouwvakkers vervangen en een heel huis bouwen – het klokje rond.
Robots hebben al laten zien dat ze vrijwel zonder menselijke hulp kunnen bouwen, zoals in Zwitserland, waar het door robots gemaakte DFAB House in februari 2019 zijn deuren opende. En robots gaan vanaf volgend jaar ook het toekomstige robotmuseum in Seoel bouwen, dat in 2022 af moet zijn.
Deze ontwikkeling maakt woningen bouwen veel makkelijker, maar is ook dringend nodig. Volgens de VN moeten er in 2030 nieuwe huizen zijn voor 3 miljard mensen, ofwel 40 procent van de wereldbevolking.
30 minuten - zo snel brengen drones een bouwterrein van 20.000 m2 in kaart.
De nieuwe bouwploeg van robots doet niet alleen het fysieke werk: ze staan ook op het punt om architecten en uitvoerders te vervangen door huizen te ontwerpen en toezicht te houden op het bouwproces.
Algoritme wordt architect
Binnenkort kunnen computers het werk van architecten grotendeels overnemen, zolang er maar een basisidee is voor een gebouw. De computer weet hoe hij te werk moet gaan omdat hij duizenden bouwprojecten heeft geanalyseerd.
De algoritmen worden met behulp van deze ervaring bijgesteld en kunnen zo bepalen welke materialen het geschiktst zijn voor een bepaald gebouw, hoe buizen en leidingen moeten lopen en hoe dik het dak moet zijn voor een optimale isolatie.
De computer stuurt via wifi een modeltekening naar de robots die de bouwwerkzaamheden gaan verrichten.
Robotarmen lassen carrosserie
Robots worden al tientallen jaren gebruikt in fabrieken, bijvoorbeeld in de auto-industrie, waar ze sinds de jaren 1970 de carrosserie van auto’s aan elkaar lassen en lakken.
In tegenstelling tot menselijke arbeiders zijn robotarmen in staat om 24 uur per dag door te werken zonder vermoeid te raken of minder nauwkeurig te worden. Zo kunnen robots eentonig werk met veel herhaling effectiever uitvoeren dan mensen.
Een fabriek is een voorspelbare omgeving met een vast proces: de onderdelen komen binnen en aan de andere kant rolt het product van de lopende band. Het is vrij simpel om hier een robot aan het werk te zetten, die bijvoorbeeld de hele dag producten van de lopende band pakt en in een doos doet.
Een bouwplaats is echter veel onoverzichtelijker. Er kunnen machines en spullen in de weg staan, bouwplannen worden voortdurend aangepast en vanwege het weer of andere omstandigheden loopt een project soms vertraging op of moeten arbeiders ineens andere taken uitvoeren.
Daardoor wordt de bouwwereld nog gedomineerd door mensen met traditionele werktuigen en machines.
Laser geeft scherpe blik
De laatste jaren zijn robots veel flexibeler en autonomer geworden dankzij een reeks nieuwe technologieën. Zo zijn de computers die ze aan boord hebben een stuk krachtiger geworden.
Dergelijke ingebedde systemen zijn op maat gemaakt om specifieke taken uit te voeren – in tegenstelling tot gewone computers, die niet ingebouwd zijn in een ander apparaat, maar zelfstandig opereren. Ingebedde computers worden bijvoorbeeld toegepast in verkeerslichten en navigatieapparatuur van vliegtuigen.
Ze zijn in staat om zware berekeningen uit te voeren, zoals beeldanalyse, waarmee robots verschillende werktuigen en materialen uit elkaar kunnen houden op een bouwplaats.
Zelfrijdende graafmachine legt fundering
De bestuurder is vervangen door een kastje met computers en sensoren. Op basis van een 3D-model van het huis graaft de robot zelf de fundering met een precisie van centimeters.
Graafarm volgt data
Een computer rekent uit hoe de graafarm moet bewegen aan de hand van zogeheten momentmeters, die de helling en versnelling registreren. De gegevens worden door de computer omgezet van code in mechanische energie, waardoor de bewegingen telkens bijgesteld kunnen worden.
Computer navigeert
Een kastje op de graafmachine bevat de computer die de rupsbanden aanstuurt. Deze analyseert de opnamen van de camera’s op het voertuig om obstakels te vermijden. De graafmachine schakelt de rupsbanden automatisch uit wanneer er plotseling een mens op de route verschijnt.
Virtuele grens
De computer van de graafmachine zorgt ervoor dat het voertuig binnen een virtuele grens blijft met behulp van onder meer gps en lichtsensoren. Zo kan de machine een gat van 20 bij 20 meter graven met een precisie van 1 à 2 centimeter.
Gelijktijdig met de ontwikkeling van ingebedde computers zijn sensoren een stuk nauwkeuriger geworden. Die worden onder meer toegepast in de techniek lidar, waarbij robots een gedetailleerde 3D-kaart van hun omgeving opbouwen met behulp van laser.
Een robot zendt laserlicht uit, waarna sensoren afstanden en vormen vaststellen op basis van de snelheid van het weerkaatste licht.
Lidar is al verwerkt in zelfrijdende auto’s en kan robots in staat stellen om te navigeren op een chaotische en veranderlijke bouwplaats.
Als de graafmachine de virtuele grens in het geheugen van de stuurcomputer overschrijdt, stopt hij en stelt hij zijn positie bij.
Drones helpen bij graven
Dankzij de technologische sprongen voorwaarts kunnen robots al vanaf het uitgraven van de fundering aan de slag.
Het Japanse bouwbedrijf Komatsu heeft het proces van meten, plannen en uitgraven geautomatiseerd. Volgens de firma waren landmeters van vlees en bloed eerder wel drie dagen bezig met het maken van een hoogtekaart van een perceel van 20.000 m2 waar een nieuw huis moet komen, maar met behulp van drones en de techniek realtime kinematic positioning (RTK) is er binnen een half uur een gedetailleerde 3D-kaart beschikbaar.
RTK verhoogt de nauwkeurigheid van het bestaande gps-signaal door de gps-coördinaten te vergelijken met het signaal van een antenne op de bouwplaats.
Op deze manier worden kleine afwijkingen van de gps-satellieten, die op duizenden kilometers afstand staan, gecorrigeerd en wordt een nauwkeurigheid van enkele centimeters
bereikt. Normaal gesproken is gps tot op een paar meter nauwkeurig.
Drones houden toezicht op de bouw
Canadese wetenschappers hebben drones ontwikkeld die op een bouwplaats kunnen rondvliegen om foto’s te maken, die ze dan met beeldherkenning analyseren.
De drones herkennen verschillende materialen en patronen en weten zo hoe ver het werk gevorderd is.
De beelden worden vergeleken met het 3D-bouwplan, en voorzien van een kleurcode om de voortgang aan te geven.Dan kunnen de drones andere robots op de bouwplaats nieuwe instructies sturen.
Een drone met een 20-megapixelcamera maakt één foto per seconde en koppelt de betreffende gps-coördinaten aan elke foto.
Dan bouwt een computer een 3D-kaart op, die wordt overgebracht op de zelfrijdende machines van Komatsu, inclusief informatie over de hoeveelheid grond die verwijderd moet worden en waar de autonome bulldozer en graafmachine aan de slag moeten.
3D-printer bouwt huis in 24 uur
Als het perceel is ingedeeld en de fundering is gelegd, is het tijd om de muren neer te zetten. Ingenieurs van over de hele wereld werken aan een techniek die meestal voor kleinere dingen wordt gebruikt: 3D-printen.
3D-printers voor huizen passen een zogeheten additief proces toe, waarbij laag op laag wordt geprint, net zo lang tot de muren van het huis er staan.
Het Amerikaanse bedrijf Contour Crafting ontwikkelde bijvoorbeeld een 3D-printer met een printkop die via rails in de lengte, breedte en hoogte beweegt. Uit de kop komt sneldrogend beton, maar volgens plan moeten de wapening en zelfs de elektriciteitskabels in de toekomst gelijktijdig worden geprint.
Contour Crafting denkt dat een huis van 180 m2, dat normaal zeker een half jaar kost om te bouwen, in nog geen 24 uur af kan zijn.
Robot metselt supersnel
3D-printers spuiten materiaal uit de printkop, maar er zijn ook robots die menselijke metselaars nadoen en stenen in een nauwkeurig patroon op elkaar leggen.
De robot SAM100 bestaat uit een arm die bakstenen van een lopende band pakt, cement aanbrengt en de stenen op elkaar stapelt. Een stang aan weerszijden van het werkgebied zendt een laserstraal uit, die als richtlijn dient tijdens het metselen. De bewegingen van de robotarm worden door algoritmen aangestuurd die de snelheid en de hoek met de ‘richtlijn’ reguleren.
Robotarm legt in rap tempo bakstenen
Laser stuurt arm
De positie van de robotarm wordt telkens bijgesteld door middel van laserstralen vanuit de arm naar een vast station, dat de invalshoek en afstand meet. Zo werkt de arm tot op de millimeter nauwkeurig.
Kleefstof erbij
De ene na de andere baksteen komt uit de holle arm. Een spuitarm komt naar voren en brengt een kleefstof aan, waarna de steen wordt gekeerd en doorgegeven aan het buitenste grijpmechanisme.
Baksteen gelegd
Het buitenste deel van de arm hangt tot 30 meter ver weg en wordt door motoren gestabiliseerd, zodat hij horizontaal blijft, ook als het waait. Het grijpmechanisme roteert de bakstenen en legt ze stevig op hun plek.
Volgens het bedrijf Construction Robotics, dat de SAM100 ontwikkelde, maakt hij menselijke metselaars drie tot vijf keer effectiever omdat zij de robot alleen hoeven te installeren en te voorzien van bakstenen en cement en de voegen glad te strijken.
De SAM100 legt 3000 bakstenen per dag. Een mens haalt er circa 500 en kan dankzij de robot 80 procent van het tilwerk uit handen geven.
Timmerrobot plaatst gipsplaten
De timmerrobot HRP-5P kan gipsplaten optillen, een schroefmachine herkennen en de platen heel precies in huis aanbrengen. De HRP-5P manoeuvreert nauwkeurig rond met behulp van laserlicht, dat door de omgeving weerkaatst wordt. Zo krijgt de robot een 3D-kaart van de route en eventuele obstakels.
Kaart elke 3 seconden vernieuwd
Er staan ook robots klaar om werkzaamheden ín het huis te verrichten. Zo hebben Japanse onderzoekers de humanoïde robot HRP-5P geprogrammeerd om gipsplaten te monteren met een schroefmachine.
Deze robot is voorzien van motoren enbeweeglijke ledematen, waardoor hij grotere hoeken kan maken dan de mens en meer kan dragen. De HRP-5P beweegt zich voort over het bouwterrein met behulp van lidar: elke 3 seconden verstuurt de robot een flits laserlicht, die op de voorwerpen in de ruimte valt.
HRP-5P is 182 cm lang en weegt 101 kilo. Een camera in zijn hoofd herkent werktuigen.
Vervolgens bouwt de robot een zeer gedetailleerde 3D-kaart op op basis van de punten die het licht hebben weerkaatst.
Als de HRP-5P een gipsplaat voor zijn ‘hoofd’ tilt en zo de camera en sensoren blokkeert, kan hij toch juist navigeren doordat hij te allen tijde een up-to-date 3D-model van zijn omgeving in zijn geheugen heeft.
Timmerrobot navigeert met kleurcodes
De robot HRP-5P kan een gipsplaat van een stapel pakken, die met één arm tegen een muur drukken en met de andere arm vastschroeven. HRP-5P oriënteert zich door naar alle kanten laserlicht uit te stralen. Dan meten sensoren hoe snel dat weerkaatst wordt en stippelt de robot zijn route uit aan de hand van kleurcodes.
Voordat de robot de gipsplaat kan aanbrengen, moet hij de juiste gereedschappen kiezen, en daarvoor maakt hij gebruik van algoritmen met kunstmatige intelligentie – zogeheten neurale netwerken, afgekeken van de menselijke hersenen – om bijvoorbeeld een schroefmachine van een hamer of een boormachine te onderscheiden.
Robothuis is geopend
De nieuwe generatie computergestuurde bouwvakkers heeft al laten zien dat vrijwel het hele bouwproces geautomatiseerd kan worden. In Zwitserland opende begin 2019 het DFAB House.
De draagmuren hiervan zijn gemaakt door een robot die metaaldraad tot een rooster laste, dat opgevuld is met beton.
De tweede verdieping van het huis rust op één grote betonplaat die door een 3D-printer is gefabriceerd. Het houtwerk dat het dak draagt en op de betonplaat rust, is door robotarmen gezaagd en aangebracht.
24 uur doen de nieuwste 3D-printers erover om een heel huis 'uit te draaien'.
De volgende stap is dat robots water- en elektriciteitsleidingen gaan aanleggen, en ook dat gebeurt al in de praktijk. De techniek building information modeling (BIM) stelt de robots in staat om deze werkzaamheden zorgvuldig uit te voeren.
BIM bestaat uit door computers gegenereerde 3D-modellen van huizen – van muren en dak tot de locatie van leidingen en buizen. De modellen worden tijdens de bouw voortdurend bijgewerkt en kunnen daardoor de bewegingen die een robot maakt bijstellen.
Robotarmen rekenen de dakconstructie door
Robotarm zaagt balken
Een robotarm bewerkt het hout met een cirkelzaag. De positie van de arm wordt in drie dimensies bijgesteld met lichtsensoren die afstanden en hoeken meten. Intussen boort een andere arm gaten in het hout.
Algoritme voorkomt botsingen
De computer die commando’s naar de robotarmen stuurt, corrigeert de onderlinge bewegingen van de armen voortdurend met een algoritme terwijl de houten balken worden aangebracht.
Armen bouwen skelet
De robots brengen de balken aan in een geometrisch patroon dat zo ontworpen is dat het zelfstandig een dak kan dragen. Op die manier worden tijd en materialen bespaard.
Het dak is af
Wanneer de balken aan elkaar geschroefd zijn, kan de hele constructie op een huis worden aangebracht. Hier dragen de balken het dak van het Zwitserse DFAB House, dat geheel door robots is gebouwd.
Robots gaan Marsbasis bouwen
In de toekomst worden bouwprocessen steeds meer geautomatiseerd en kost het bouwen van een huis minder tijd. Robots zijn echter tot meer in staat dan het op-
lossen van de woningnood: ze kunnen van groot belang zijn voor de kolonisatie van het zonnestelsel, bijvoorbeeld van Mars.
De ijle atmosfeer van die planeet stelt astronauten bloot aan straling en maakt ademhalen onmogelijk.
Ze hebben dan ook een basis nodig, maar voor elke 10 kilo extra lading in een raket moet er negen keer zo veel brandstof meegevoerd worden.
Met de huidige stand van de techniek kunnen we geen mensen, bouwmachines en materialen naar Mars brengen, maar we kunnen wel robots vooruit sturen om alvast een basis te bouwen.
NASA ontwikkelt samen met het bedrijf AI SpaceFactory 3D-printers die een Marsbasis kunnen bouwen van een materiaal op basis van basalt, dat op Mars voorkomt.
Het gesteente moet worden gemengd met bioplastic van planten die op de planeet worden gekweekt.
Het resultaat is een materiaal dat beschermt tegen kosmische straling en extreme temperaturen.
In de verre toekomst zullen robots op eigen houtje aan de slag gaan op planeten, manen en planetoïden, zodat wij in een gespreid bedje terechtkomen.