Hilfe aus der Luft: Flugroboter arbeiten problemlos in großer Höhe
Drohnen haben ein großes Potenzial. Sie können theoretisch überall fliegen und bauen, sofern sie ausreichend Energie und das notwendige Material haben. Darüber hinaus lassen sie sich auch bei Reparaturen oder in Katastrophengebieten gut einsetzen.
An einer Testwand ließen die Forschenden die Bauroboter fliegen und modulare Bauelemente bearbeiten.
Foto: Empa
Auf Baustellen ist vor allem Flexibilität gefragt. Moderne Hilfsmittel wie Roboterarme oder 3D-Druckportale sind auf Baustellen schon im Einsatz, bieten aber nicht die gewünschte Flexibilität. Denn es handelt sich bei ihnen häufig um schwere Geräte, die fest am Boden verankert sein müssen. Das schränkt ihre Einsatzgebiete natürlich ein. Ganz im Gegensatz zu Flugrobotern. Ihr Potenzial ist groß, weshalb sich ein Forschungsteam unter der Leitung des „Laboratory of Sustainability Robotics“ der Empa und der EPFL genauer mit ihnen beschäftigte.
Autonome Drohnen für Brandbekämpfung
Konkret hat das Team geprüft, inwiefern sich Flugroboter als autonome Maschinen auf dem Bau einsetzen lassen. Denn Drohnen haben den klaren Vorteil, dass sie problemlos in große Höhen, auf Dächer, ins Gebirge oder in Katastrophengebiete vordringen können. An solchen Orten ist der Einsatz herkömmlicher Baumaschinen entweder extrem schwierig oder sogar gänzlich unmöglich. Darüber hinaus lassen sich Flugroboter nicht nur einzeln, sondern auch in ganzen Schwärmen einsetzen. Diese Kombination macht ihre Flexibilität aus. Die Forschenden sind sich sicher, durch den vermehrten Einsatz von Drohnen Transportwege verkürzen und den Materialverbrauch reduzieren zu können. Einen positiven Effekt auf die Sicherheit auf Baustellen haben die Drohnen aus ihrer Sicht vermutlich auch.
Flugroboter helfen beim Bauen in Extremsituationen
Den Einsatz von Drohnen in Katastrophenszenarien halten die Forschenden für besonders relevant. Gebiete, die überflutet oder zerstört sind, lassen sich häufig durch herkömmliche Fahrzeuge nicht mehr erreichen. Die fliegenden Helfer können dagegen Baumaterialien dorthin transportieren und eigenständig Notunterkünfte errichten. Bei Reparaturen an schwer erreichbaren Stellen zeigen sie ebenfalls ihr Können: Ohne Gerüst identifizieren und beheben sie zum Beispiel Schäden an Hochhausfassaden oder Brücken. „Die existierenden Roboter-Systeme am Boden sind oft mehrere Tonnen schwer, benötigen viel Aufbauzeit und haben einen begrenzten Aktionsradius“, erklärt Yusuf Furkan Kaya, Hauptautor der Studie vom „Laboratory of Sustainability Robotics“ der Empa und EPFL. „Baudrohnen hingegen sind leicht, mobil und flexibel – sie existieren bisher allerdings nur auf niedrigem technischem Niveau. Ein industrieller Einsatz steht noch aus.“
An Prototypen mangelt es nicht. Das Spektrum reicht von der Platzierung einzelner Bauelemente über das Spannen von Seilkonstruktionen bis hin zum schichtweisen Drucken von Baumaterialien. An der Empa haben Forschende Flugroboter zum Beispiel darauf programmiert, im Team gemeinsam Materialien für den Bau oder die Reparatur von Strukturen drucken zu können.
Flugroboter helfen beim Bauen: Interdisziplinäre Herausforderungen
Während das Potenzial der Drohnen enorm ist, bedeutet ihr Einsatz auf dem Bau allerdings auch neue interdisziplinäre Herausforderungen. Das sogenannte „Aerial Additive Manufacturing“ („Aerial AM“) erfordert parallele Fortschritte in den Bereichen Robotik, Materialwissenschaft und Architektur. „Eine Drohne kann vielleicht präzise fliegen, aber ohne leichte, tragfähige und verarbeitbare Materialien kann sie ihr volles Potenzial nicht entfalten. Und selbst wenn beides vorhanden wäre, müssen die Bauentwürfe auf die begrenzte Präzision der Flugroboter angepasst werden, um stabile Strukturen zu ermöglichen“, sagt Mirko Kovac, Leiter des „Laboratory of Sustainability Robotics“ der Empa und EPFL.
Hinzu kommt: In der Robotik gilt es ebenfalls noch Hürden zu überwinden – zum Beispiel die begrenzte Flugzeit, die Nutzlast oder auch ihre Autonomie. Die Forschenden haben deshalb ein fünfstufiges Autonomie-Framework entwickelt. Es beinhaltet folgende Szenarien: vom einfachen Flug entlang einer Route bis hin zur vollständigen Unabhängigkeit, bei der Flugroboter die Bauumgebung analysieren, Fehler erkennen und sogar das Design in Echtzeit anpassen können. Die Forschenden betrachten es nicht nur als theoretisches Modell, sondern als konkreten Entwicklungsfahrplan. Denn ihr Ziel ist es, Flugroboter zu entwickeln, die das Material, mit dem sie bauen, ermitteln und auch die Umgebung erkennen. Auf diese Art und Weise könnten die Drohnen die entstehende Struktur während des Bauprozesses intelligent optimieren.
In naher Zukunft soll „Aerial AM“ die bestehenden bodengebundenen Robotersystemen erst einmal ergänzen. Hintergrund ist der Energieverbrauch von Drohnen, der derzeit noch acht- bis zehnmal höher ist. Zudem könnten sie noch keine so großen Bauvolumen bewältigen. Nach Einschätzung der Forschenden sei eine Kombination derzeit am ehesten realisierbar: unteren Bereiche eines Bauwerks erledigen herkömmliche Systeme, während Drohnen ab einer bestimmten Höhe übernehmen.
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