学术干货 | 机器人和全自动系统 Robotics and Autonomous System 建筑应用汇总
自动搭建机器人
Self-assembly Architectural Robot
//图片来源：AA DRL Prototyping Workshop
机器人技术和自动化技术的实施彻底改变了制造业，带来了前所未有的效率，生产力和更低的风险。随着自动化开始无缝集成并嵌入到各种家庭应用中，建筑和工程行业的采用速度虽然一直很缓慢，且大部分方案仅限于现场制造，学术研究领域关于机器人技术在建筑与相关设计项目中的创新方法论正在被不断地实验。TechArt小编在本文中针对“自动搭建机器人”的主题，总结了部分跨学术的最新学术项目，与相关的文献。
图片来源：“NOMAD” Project, by Dmytro Aranchii at el.
无论是我们不断增长的人口，对数字技术的依赖，还是我们旨在通过新工具和流程构建的超大型/小型/精密/复杂的结构，我们的社会在各种方面都在日益复杂，制造工具正在迅速超越我们的组装和构造能力。装配式系统通过将数字和物理世界紧密结合在一起，组装信息直接嵌入到原材料与其组装过程中。若要建造更适应当前需求的建筑结构，我们将需要找到更智能的装配系统，依靠更智能的零件，更简化的组装顺序，训练更简便的机器进行自我组装。（ 整理自 MIT, Skylar Tibbits “Design to self-assembly ”一文）
自动搭建机器人的相关论文“Deep Reinforcement Learning for ART”
( ART - Autonomous Robotic Tensegrity )
（ 项目视频：https://www.youtube.com/watch?v=EOnJfJpXeNo ）
(Hosmer and Tigas 2019) 作者构建了一套适用于ART（Autonomous Robotic Tensegrity）张力型机器人的自动搭建方法论。通过提出不同的单元化机器人构件，使用Karamba在Unity 3D中模拟机器人在无重力（火星）、有重力（地球），以及不同地貌环境下的平衡链接状态与张力情况，并使用深度学习，训练在不同环境下机器人应如何保持平衡且不断自主移动的方式，并且相互堆叠成新的结构体以形成空间。在强化学习过程中，系统可以根据每次的新结构的堆叠效果与平衡状况进行评价，进而对机器人的整体移动方式与单个机器的杆件长度与张力状况作出相应的调整与优化。最终在火星上的搭建模拟与现实生活中临时公共空间的快速搭建与拆卸，对于无人监管的自运动机构的开发都是很好的启发。
"Distributed Robotic Timber Construction"
（ 项目视频：https://vimeo.com/337993339 ）
自动化的施工过程，使得标准化和几何复杂的预制构件应用都得以增加，大型机械臂也被广泛实施。但是，固定性，重量，覆盖范围，功耗，高度定制化以及现场施工条件等不断变化局限性阻碍了机器人系统在施工现场的实施。为了摆脱机械臂的局限性，(Leder at el. 2019) 探索了一种小型分布式机械臂系统。在该系统中，小型且轻便的结点机械手不断组装预切的木杆件成复杂的空间结构。随着更多木杆件与机器人的连接，可以实现更复杂的建筑任务。木材支杆的运输，放置和固定，将现有的建筑机器人技术研究转移到新型机器人与材料的共生关系。
"Material-Robot System for Assembly
of Discrete Cellular Structures"
（ 项目视频：https://vimeo.com/366238474 ）
(Jenett at el. 2019) 提出了一种可组装离散蜂窝结构的移动机器人系统。文章详细介绍了通过磁体被动地连接到相邻的八面体体素，并通过单个或多个机器人进行运动，运输和放置。这些机器人各方面的设计，路径规划，离散运动控制和反馈的控制策略，根据八面体的尺寸与结构协调，体素的几何形状与全局的几何配置将反馈给机器人的端执行器，机器人的装配特征也将设计到体素中。在实际应用方面，这种移动机器人系统也可以构建多种类型的结构，例如梁与板结构和3D的建筑外墙。
(Petrs, Dahy & Florian, 2019）一文中提出的自组装建筑系统，也旨在回应当前建筑行业高能耗的问题。这个独特的系统基于低成本的模块化软机器人，通过其自身内部结构的不断运动，带动软质材料的延展与空间上的排布，最终形成完整的空间。项目代替了高价的模块化机器人，在概念上着重于以最少的浪费实现结构组装，重新配置和拆卸。
"Self-Choreographing Network"
（ 项目视频：https://vimeo.com/365333824 ）
（Yablonina at el. 2019）这项研究, 不属于搭建类机器人，但打破了自适应交互式建筑设计和实际物理操作之间的隔阂关系。作者们提出了一个新问题：在实时的交互式的设计和操作过程中，材料是否可以具有自我意识，其自身是否可以充分利用和探索其动态设计空间，以实现自适应目的。设计方法是在材料的结点处使用带有感应与定位功能的嵌入式机器人装置。在机器人轴承的运作过程中，材料将被不断地拉伸至不同形态，机器人关节处的传感器将数据反馈给计算机进行形态分析，并进行评判。筛选得到的位置数据将再次反馈给机器人结点，对结构进行优化型的调节。
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自动搭建机器人的相关项目
以下院校的设计案例，来自于 MIT， ICD，UCL以及AA，关于自动搭建，环境适应性和移动系统的主题都有不同的方面的解释，供大家学习参考。
MOBO – UCL
同样以实现简易，高效率与更低费用的建筑为出发点，设计师研究了不同机器人的装配特点和移动路径，用以快速组装住宅楼板，楼梯和其中的家具。建筑材料为木材，机器人通过平衡的身体杆件和上下灵活移动的四肢杆件在搭建的建筑体上移动攀爬，输送并初步固定住材料。之后，再由建筑工人，进行二次固定和其他建筑材料的运输（如玻璃）。随着楼层的增加，不同楼层的组装机器人也会有不同，在效率上以最优化地分配搭建任务。
（ 项目视频 https://vimeo.com/131823232 0:28 – 1:09 ）
HyperCell团队开发了一种适应于各种环境，且具备自我感知，自我组装和自我结构化能力的动力系统。立方体的机器人内部具有动力杆件装置，机器人的12个表皮皆具有磁力片以吸引并且别的机器单体。当两个机器人的两个面相互接触时，可以通过控制内部杆件对表面的相互推力，将机器人进行翻转，进而可以不断攀爬。单个机器时，也可以通过这种内部推力，自身进行翻滚与前进。最终的应用效果于城市的临时公共装置空间，整个视频系列都很有趣，推荐～
（ 项目视频：https://vimeo.com/131823232 1:41 – 2:52 ）
OwO中软体机器人的动力机制和之前提及的“From MoleMOD to MoleSTRING”一文中的软体机器人比较相似。但不同的在于MoleMOD中是将软体材料通过机器人运输而搭建成空间，OwO项目中的机器人自身就能首尾相连成临时的空间结构，灵活度更高。机器人的首尾都具有吸盘，外壳为塑料材料方便吸附，内部除了动力装置之外，还具有空气膨胀和收缩装置，用来扭动前进和吸盘吸附力的控制。
Mobile Robotic Fabrication Eco-System
（项目视频：https://vimeo.com/221567171 ）
MoRFES项目演示了使用多个移动机器人拉伸长丝结构的制造过程。该项目旨在通过引入定制的，相互协作机器人，推进了机器人建造的应用范畴。两个Wall Climber机器人和一个Thread Walker机器人共同构建了一个7.5米长的结构，横跨展览空间中的两个锚定墙面。当壁式攀爬器在墙上的铆钉已编制完预定的圈数，穿线机从一个壁式攀爬器上接过线装材料，然后通过两壁之间的绳索，将材料传递到第二个壁式攀爬器，以此往复搭建过程。所有机器人都使用外部感知系统来控制，该外部感知系统包括摄像机和安装在机器人主体上的视觉标记，用以定位与校准。（同系列的还有“Mobile Robotic Fabrication System for Filament Structures”项目，大家可以搜索查看）
Fluid Lattices – MIT
Fluid Lattics不同于之前的项目的动力机制，展现了对动力结构新的理解：环境成为了新的智能动力机制，而不再是机器人本身。该研究的目的是在复杂且不受控制的环境（水，空气，空间等）中，让机器人进行自动组装成结构。在实验中，单体模块在500加仑的油箱中释放，并根据环境整体动力大小的调整（风力，水压力等），以及单体之间的相互作用（表面有磁铁片），模块最终将自组织形成完整的体块。在实验结束后，这些单体又可以轻松拆卸，用于下一次实验。
机器人的控制平台与工具
图片来源：AA DRL Prototyping Workshop
小型的机器人控制平台主要为：Adruino， Raspberry Pi 两大平台，相关的教程，学习社区和开发工具，都可以在Adruino和Raspberry Pi的官网上找到相应的资料。TechArt之后还会陆续推出关于Adruino和Raspberry Pi应用案例的干货推文，敬请期待～
图片来源：Arduino官网（ https://www.arduino.cc/ ）
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自动搭建机器人的相关文献资料Robotic Building
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Gilles Retsin, Manuel Jimenez, Mollie Claypool, Vicente Soler
简述
How does the use of robots affect architecture？The use of robots in architecture is already commonplace: Robots automate processes that were previously done manually; complex shapes are created with the help of 3D printing; and autonomous swarm robots construct complex buildings. The potential of using robotics in architecture, structural design, and structural engineering is far from being fully exploited. A number of important questions need to be answered: How does the use of robots influence the resulting structures; how does it affect the way in which architects who work with robots think and plan? "Robotic Building" answers these questions and more, drawing on a variety of practical examples. A final chapter explores the idea of architect as robot, the fully-automated home and similar concepts in which the robot merges with its environment and becomes part of our experience.
Robotic Fabrication in Architecture
Art and Design 2020
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Jan Willmann，Philippe Block，Marco Hutter，Kendra Byrne，Tim Schork
简述
The book presents the myriad of scientific advances in robotics fabrication that are currently underway – such as collaborative design tools, computerised materials, adaptive sensing and actuation, advanced construction, on-site and cooperative robotics, machine-learning, human-machine interaction, large-scale fabrication and networked workflows, to name but a few – this compendium reveals how robotic fabrication is becoming a driver of scientific innovation, cross-disciplinary fertilization and creative capacity of an unprecedented kind.
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Dalton, N.S., Schnädelbach, H., Wiberg, M., Varoudis, T.
简述
Ubiquitous computing has a vision of information and interaction being embedded in the world around us; this forms the basis of this book. Built environments are subjects of design and architects have seen digital elements incorporated into the fabric of buildings as a way of creating environments that meet the dynamic challenges of future habitation. Methods for prototyping interactive buildings are discussed and the theoretical overlaps between both domains are explored. Topics like the role of space and technology within the workplace as well as the role of embodiment in understanding how buildings and technology can influence action are discussed, as well as investigating the creation of place with new methodologies to investigate the occupation of buildings and how they can be used to understand spatial technologies.
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Bier, Henriette
简述
The first volume of the Adaptive Environments series focuses on Robotic Building, which refers to both physically built robotic environments and robotically supported building processes. Physically built robotic environments consist of reconfigurable, adaptive systems incorporating sensor-actuator mechanisms that enable buildings to interact with their users and surroundings in real-time. These require Design-to-Production and Operation chains that are numerically controlled and (partially or completely) robotically driven. From architectured materials, on- and off-site robotic production to robotic building operation augmenting everyday life, the volume examines achievements of the last decades and outlines potential future developments in Robotic Building.
“机器人搭建”方向的院校与学术实验室
图片来源：ETH 官方
图片来源：ICD 官方
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