Robotista tulee rakentaja

Tieto­koneiden ja tekoälyn ohjaamat ja erilaisilla antureilla ympäristöään tarkkailevat robotit selviävät muuraamisesta, seinien pystyttämisestä ja katon laittamisesta yhtä hyvin kuin ihmisrakentajakin, ja ne voivat tehdä pidempää päivää kuin ihminen.

Robotit ovat jo näyttäneet kykynsä talonrakennuksessa. Sveitsissä avattiin viime helmikuussa DFAB House -talo, jonka kaikki osat ovat robottien rakentamia. Myös vuonna 2022 avattava Soulin robottimuseo Etelä-Koreassa on suunniteltu annettavan robottien tehtäväksi.

Robottitekniikan kehittyminen tekee talonrakennuksesta helpompaa. Kehitystä ajaa myös se, että asuntorakentamisen tarve kasvaa voimakkaasti. Yhdistyneiden kansakuntien laskelmien mukaan vuoteen 2030 mennessä tarvitaan uusi asunto kolmelle miljardille ihmiselle eli 40 prosentille ihmiskunnasta.

Konevoimin toimivat rakennustyöläiset eivät suoriudu vain kaikista fyysisistä rakennustehtävistä, vaan ne oppivat ennen pitkää myös arkkitehdin ja työnjohtajan taidot. Robotteja on siis tulossa myös piirtämään taloja ja valvomaan rakennustöiden edistymistä.

Konekädet maalaavat autoja

Robotit ovat jo vuosikymmeniä olleet teh­dastyöläisiä. Esimerkiksi autoteollisuudessa on 1970-luvulta asti käytetty hitsaus- ja ruiskumaalausrobotteja autonkorien valmistuksessa.

Robotti päihittää ihmiskollegansa muun muassa siinä, että se pystyy toistamaan samaa liikesarjaa tarkkuuden kärsimättä vuorokauden ympäri eikä se valita väsymystä eikä saa kulumia. Robotti suoriutuukin yksitoikkoisista työtehtävistä tehokkaammin kuin ihminen.

Tehdas on tuotantoympäristönä ennustettava. Siellä toistuu tietty valmistusprosessi, jossa osat tulevat sisään järjestelmän toisesta päästä ja toisesta päästä putkahtaa ulos valmis tuote. Tällaisessa ympäristössä on helppo panna robotti esimerkiksi poimimaan osia tai tuotteita liukuhihnalta ja pakkaamaan niitä laatikoihin.

Rakennustyömaa sen sijaan on muuttuvainen ympäristö. Rakennustyömaalla työkoneet ja rakennusmateriaalit voivat tukkia robotin suunnitellun liikeradan, suunnitelmia pitää usein tarkistaa lennossa, kun aikataulu menee uusiksi tai sääolosuhteet pakottavat muuttamaan tehtävien järjestystä.

Siksi rakennuksilla monet työt tehdään yhä ihmisvoimin, vaikka apuna on työkaluja ja koneita.

Laserista robotin silmät

Viime aikoina tekniikan kehitys on tehnyt roboteista paljon aikaisempaa joustavampia ja itsenäisempiä. Keskeinen tekniikka robotiikan kannalta ovat niin sanotut sulautetut järjestelmät, jotka ovat tehostuneet huomattavasti.

Sulautettu järjestelmä on kone, jonka olennainen osa on sitä ohjaava tietokone. Tavallinen tietokone sen sijaan on oma erillinen laitteensa. Sulautettuja järjestelmiä ovat nykyään esimerkiksi liikennevalot ja lentokoneiden navigointilaitteet.

Nykyään sulautettujen järjestelmien tietokoneet pystyvät suorittamaan raskaitakin tehtäviä, kuten video­kameran kuvan analysointia, jonka avulla robotit tunnistavat työmaalla rakennus­materiaalit ja työkalut.

Samaan aikaan sensori- ja anturitekniikka on mennyt eteenpäin. Esimerkiksi lidar- eli valotutkatekniikan avulla robotti saa kolmiulotteisen kartan ympäristöstään.

Lidaranturi lähettää valoa, joka heijastuu takaisin törmätessään esteisiin. Valonsäteen heijasteen nopeudesta ja laadusta tietokone pystyy päättelemään ympäristön kohteiden etäisyydet ja muodot.

Lidar-tekniikkaa käytetään jo nyt robotti­autoissa, ja pian se voi auttaa robotteja liikkumaan rakennustyömailla

Lennokki valvoo kaivinkonetta

Nyt näyttää siltä, että tulevaisuuden rakennustyömailla robotit voivat hoitaa hommat perustusten kaivamisesta alkaen.

Japanilainen työkonevalmistaja Komatsu on automatisoinut koko perustusten kaivuprosessin rakennusalueen mittaamisesta ja suunnittelusta kuopan kaivamiseen.
Yhtiön mukaan aiemmin 20 000 neliömetrin suuruisen alueen mittaamiseen ja maastonmuotojen kartoittamiseen meni ihmistyöntekijöiltä jopa kolme päivää. Nyt kameralennokeilla ja satelliittipaikannukseen perustuvalla reaaliaikaisella kinemaattisella mittauksella alueesta saadaan yksityiskohtainen 3D-kartta puolessa tunnissa.

Reaaliaikaisessa kinemaattisessa mittauksessa GPS-satelliittien signaalien antamien koordinaattien tarkkuutta parannetaan vertaamalla niitä itse rakennuspaikalla olevan antennin signaaliin.

Paikallisen antennin signaalin perusteella voidaan korjata satelliittimittauksen pienet epätarkkuudet. Näin saavutetaan jopa senttien tarkkuus, kun satelliittipaikannuksessa tarkkuusluokka on yleensä metrejä.

Kameralennokin 20 megapikselin kamera ottaa kuvan joka sekunti ja liittää siihen GPS-paikannustiedot.

Tietokone kokoaa näistä 3D-kartan, jonka se siirtää Komatsun robottikaivinkoneelle. Samalla kaivinkone saa tiedon, mistä ja miten paljon pitää kaivaa maata. Näillä tiedoilla evästettynä kone ryhtyy töihin. Ihmistä ei ohjaamossa tarvita.

3D-tulostimesta talo päivässä

Kun tontti on suunniteltu ja perustukset valettu, automatisointivuorossa on seinien rakentaminen. Siihen on pestattu robottteja. Ne soveltavat 3D-tulostusta, jolla tähän asti on totuttu tuottamaan enimmäkseen pieniä kappaleita.

3D-tulostus on niin sanottu materiaalia lisäävä valmistustekniikka. Printteri tulostaa materiaalia kerros kerrokselta, kunnes koossa on esimerkiksi seinä.

Yhdysvaltalaisyhtiö Contour Crafting on kehittänyt nopeasti kuivuvaa betonia tulostavan printterin, jonka tulostinpää liikkuu kiskoilla pituus-, sivu- ja pystysuunnassa. Tavoitteena on, että samaan syssyyn saataisiin tulostettua seinään myös betonin raudoitus ja sähkö­johdot.

Yhtiön mukaan 3D-tulostuksella voidaan saada 24 tunnissa valmiiksi 180 neliömetrin talo. Tavanomaisilla menetelmillä sellaisen rakentaminen kestää ainakin puoli vuotta.

Robotti muurarina

3D-printteri ruiskuttaa betonia tulostuspäästään, mutta rakennustyömaalle voidaan lähettää myös robotti, joka latoo perinteiseen tapaan tiiliä päällekkäin.

SAM100-robotti koostuu konekädestä, joka poimii tiilen kuljetushihnalta, levittää laastia ja panee tiilen paikoilleen. Muurausnaruna, jonka mukaan robotti asettaa tiilet, toimii työpisteen molemmilla puolilla olevan laserin lähettämä valonsäde. Robotin algoritmi ohjaa konekäden nopeutta ja kulmaa virtuaalisen narun mukaan.

Robotin kehittäneen Construction Robotics -yhtiön mukaan SAM100 nelin- tai jopa viisinkertaistaa ihmismuurarien työn, koska heidän tehtäväkseen jää vain robotin pystyttäminen toimintakuntoon, tiilien ja laastin syöttäminen robotille ja robotin latomien tiilien saumaaminen.

SAM100 voi latoa päivässä jopa 3 000 tiiltä. Ihmismuurari yltää noin 500 tiileen päivässä.

Robotti asettaa kipsilevyt paikoilleen

Kartta päivittyy joka 3. sekunti

Roboteilta sujuu myös väliseinien pystyttäminen. Japanissa on kehitetty ihmishahmoinen HRP-5P-robotti, joka voidaan ohjelmoida hakemaan ja ruuvaamaan paikoilleen kipsilevyjä.

Robotin raajojen moottorit ja nivelet antavat sille suuremman toimintakulman ja kantokyvyn kuin ihmisen nivelet ja lihakset.

HRP-5P suunnistaa lidar-tekniikan avulla. Lidarin laseranturi mittaa etäisyyden ympäristön kohteisiin ja tuottaa sen perusteella kolmiulotteisen kartan ympäristöstä.

Kartta päivyttyy kolmen sekunnin välein. Kartan avulla robotti löytää perille silloinkin, kun se nostaa kipsilevyn eteensä ja peittää päässään olevan kameran näkökentän.

Jotta robotti voi asentaa kipsilevyn paikoilleen, sen on osattava valita oikea työkalu. Ihmisaivojen toimintaa kopioivien neuroverkkojen avulla sen ohjaustietokoneen
tekoälyohjelma oppii erottamaan esimerkiksi ruuvinvääntimen vasarasta.

Robotit rakensivat talon

Rakennusrobottien uusi sukupolvi on jo päässyt näyttämään taitonsa. Dübendorfissa Sveitsissä valmistui helmikuussa 2019 niin sanottu DFAB House.

Se on talo, joka on rakennettu lähes pelkästään robottien voimin. Kantavia seiniä varten robotti hitsasi metallilangasta ristikon, joka täytettiin betonilla.

Betonilevy, jonka päällä talon toinen kerros lepää, tulostettiin 3D-printterillä. Kattoristikon puurakenteet sahattiin, porattiin ja koottiin robottivoimin.

Seuraava vaihe on opettaa robotit asentamaan vesi- ja viemäriputkia ja sähköjohtoja. Avuksi käytetään niin sanottua tietomallintamista, jossa rakennuksen osista ja niiden ominaisuuksista luodaan digitaalinen kolmiulotteinen malli.

Digitaalinen tietomalli voi käsittää koko talon, jolloin siinä näkyvät paitsi seinät ja katto myös esimerkiksi putkien ja johtojen sijainnit. Sitä mukaa kuin rakentaminen edistyy, malli päivittyy ja robottien liikkeitä voidaan säätää.

Robotit rakentamaan Marsiin

Rakennusroboteilta odotetaan muutakin kuin maanpäällisen asuntopulan ratkaisua. Pitkän aikavälin suunnitelmissa niillä on työmaana koko Aurinkokunta, muun muassa Mars.

Siellä kaasukehä on niin ohut, että se päästää planeetan pinnalle vaarallisen paljon säteilyä. Siksi tuleva Mars-retkikunta tarvitsee suojakseen tukikohdan.

Rakennusmateriaalien lennättäminen Marsiin on kallista, sillä jokaista rahtikiloa kohti tarvitaan yhdeksän kiloa polttoainetta. Nykytekniikalla onkin mahdotonta lähettää Marsiin yhtä aikaa retkikunta ja tukikohdan rakennusaineet ja työkoneet.

Niinpä tarkoitus on lähettää Marsiin ensin robotteja rakentamaan tukikohta valmiiksi.

Vasta sitten ihmiset laskeutuvat naapuriplaneetalle Nasa kehittää yhteistyössä AI SpaceFactory -yhtiön kanssa 3D-tulostimia, jotka voivat rakentaa tukikohdan Marsiin.

Tulostusmateriaali on tarkoitus valmistaa Marsin pinnalla olevasta basaltista ja biomuovista, joka tuotetaan Marsissa viljeltävistä kasveista.

Materiaalin on määrä suojata tukikohdan asukkaita kosmiselta säteilyltä ja äärimmäisiltä lämpötiloilta.

Seuraavassa vaiheessa robottien on määrä rakentaa tukikohdat muille planeetoille, kuihin ja asteiroideihin valmiiksi odottamaan avaruuden valloittajia.