Bauen aus der Luft – mit Potenzial für die Zukunft
Ein internationales Forscherteam unter Leitung der Empa und der EPFL hat untersucht, wie Flugroboter künftig Baumaterialien aus der Luft liefern oder präzise bearbeiten könnten. Dieser Ansatz birgt ein enormes Potenzial für den Einsatz an schwer erreichbaren Orten oder in grossen Höhen. Dabei sollen die fliegenden Roboter nicht bestehende Bodensysteme ersetzen, sondern gezielt ergänzend eingesetzt werden.
Roboterarme und 3D-Drucksysteme finden sich bereits auf Baustellen, jedoch meist als grosse, fest installierte Maschinen am Boden. In schwierigem Gelände oder in grossen Höhen stossen sie jedoch schnell an ihre Grenzen. Ein Forschungsteam unter der Leitung des «Laboratory of Sustainability Robotics» der Empa und der EPFL hat daher untersucht, wie Flugroboter in Zukunft als autonome Baumaschinen eingesetzt werden könnten.
In der Titelgeschichte von «Science Robotics» zeigen die Forschenden, welche aktuellen Technologien verfügbar sind – und welches Potenzial sie bergen. Baudrohnen erreichen schwer zugängliche Orte – etwa Gebirge, Dächer oder Katastrophenzonen – und bieten hohe Flexibilität. Sie benötigen keine festen Bauplätze, können im Schwarm agieren und helfen, Transportwege zu verkürzen, Material zu sparen und die Sicherheit zu erhöhen.
Einsätze in extremen Situationen
Flugroboter eignen sich besonders für Einsätze in überfluteten oder zerstörten Gebieten, wo herkömmliche Fahrzeuge versagen. Sie könnten Baumaterial transportieren oder sogar Notunterkünfte errichten. Auch für Reparaturen an schwer zugänglichen Stellen sind sie vielversprechend: Flugroboter könnten Risse an Hochhausfassaden oder Brücken erkennen und reparieren – ganz ohne Gerüst und autonom. «Die bestehenden bodengestützten Robotersysteme sind oft sehr schwer, benötigen viel Aufbauzeit und haben einen begrenzten Arbeitsradius», erklärt Yusuf Furkan Kaya, Hauptautor des «Laboratory of Sustainability Robotics» an der Empa und EPFL. «Baudrohnen hingegen sind leicht, mobil und flexibel, aber sie sind bislang noch nicht auf einem hohen technischen Niveau. Ein industrieller Einsatz steht noch aus.»
Zwhatt, Zürich
Es existieren bereits viele Prototypen, die verschiedene Methoden des luftgestützten Bauens demonstrieren – von der Platzierung einzelner Bauelemente über das Spannen von Seilstrukturen bis hin zum schichtweisen Drucken von Baumaterialien. An der Empa wurden Flugroboter zum Beispiel so programmiert, dass sie als Team zusammenarbeiten und schichtweise Materialien für den Bau oder die Reparatur von Strukturen drucken.
Zusammenspiel von Technologie, Material und Design
Das Potenzial von Drohnen ist revolutionär – sie könnten theoretisch überall fliegen und bauen, sofern die Energieversorgung und der Transport von Materialien gewährleistet sind. Doch das sogenannte «Aerial Additive Manufacturing» (Aerial AM) erfordert Fortschritte in Robotik, Materialwissenschaft und Architektur.
Mirko Kovac, Leiter des «Laboratory of Sustainability Robotics» an der Empa und der EPFL, beschreibt das Zusammenspiel so: «Eine Drohne mag in der Lage sein, präzise zu fliegen, aber ohne leichte, tragfähige und bearbeitbare Materialien kann sie ihr volles Potenzial nicht ausschöpfen. Und selbst wenn beides vorhanden wäre, müssen die Bauentwürfe an die begrenzte Präzision der Flugroboter angepasst werden, um tragfähige Strukturen zu ermöglichen.»
Ergänzung zu bestehenden Robotersystemen
Neben interdisziplinären Herausforderungen bestehen technische – etwa bei Flugzeit, Traglast und Autonomie. Die Studie stellt ein fünfstufiges Autonomie-Framework vor – beginnend mit einfachem Fliegen entlang einer festgelegten Route bis hin zur vollständigen Unabhängigkeit, bei der Flugroboter die Bauumgebung analysieren, Fehler erkennen und sogar das Design in Echtzeit anpassen können. Laut Yusuf Furkan Kaya handelt es sich dabei nicht nur um ein theoretisches Modell, sondern um einen klaren Entwicklungsplan. «Unser Ziel ist es, Flugroboter zu entwickeln, die verstehen, mit welchem Material sie in welcher Umgebung bauen und die entstehenden Strukturen während des Bauprozesses intelligent optimieren.»
Aerial AM bleibt vorerst eine Ergänzung zu bodengebundenen Robotersystemen. Der Energieverbrauch von Drohnen ist derzeit noch deutlich höher, und auch das Volumen der Bauwerke, das sie bewältigen können, ist begrenzt. Deshalb empfehlen die Forscher einen kombinierten Ansatz: Während traditionelle Systeme die unteren Bereiche eines Bauwerks errichten, könnten Drohnen ab einer bestimmten Höhe übernehmen und dort ihre Vorteile in Flexibilität und Reichweite ausspielen.
Illustrationen: Empa
