Según un nuevo estudio realizado por investigadores del MIT y publicado en la revista Automation in Construction, los bloques de construcción ensamblados robóticamente podrían ser un método más respetuoso con el medio ambiente para erigir estructuras a gran escala que algunas técnicas de construcción existentes. El equipo llevó a cabo un estudio de viabilidad para evaluar la eficiencia de construir un edificio sencillo utilizando “vóxeles”, que son subunidades modulares 3D que se ensamblan para formar estructuras complejas y duraderas.
Tras estudiar el rendimiento de múltiples vóxeles, los investigadores desarrollaron tres nuevos diseños destinados a optimizar la construcción de edificios. También crearon un ensamblador robótico y una interfaz intuitiva para generar planos de construcción basados en vóxeles e introducir instrucciones a los robots.
Sus resultados indican que este sistema de ensamblaje robótico basado en vóxeles podría reducir el carbono incorporado —todo el carbono emitido durante el ciclo de vida de los materiales de construcción— hasta en un 82%, en comparación con técnicas populares como la impresión 3D de hormigón, el hormigón modular prefabricado y las estructuras de acero. El sistema también sería competitivo en términos de costo y tiempo de construcción. Sin embargo, la elección de los materiales utilizados para fabricar los vóxeles influye considerablemente en su huella de carbono y costo. Si bien aún quedan por explorar la escalabilidad, la durabilidad, la robustez a largo plazo y consideraciones importantes como la resistencia al fuego antes de que un sistema de este tipo pueda implementarse ampliamente, los investigadores afirman que estos resultados iniciales resaltan el potencial de este enfoque para la construcción automatizada in situ.
“Me entusiasma especialmente cómo el ensamblaje robótico de estructuras reticulares discretas puede ofrecer una forma práctica de aplicar la fabricación digital al entorno construido, de manera que nos permita construir de forma mucho más eficiente y sostenible”, afirma Miana Smith, estudiante de posgrado del Centro de Bits y Átomos (CBA) del MIT y autora principal del estudio. En este artículo, le acompañan Paul Richard, estudiante de posgrado de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suiza y antiguo investigador visitante del MIT; Alfonso Parra Rubio, estudiante de posgrado del CBA; y el autor principal, Neil Gershenfeld, profesor del MIT y director del CBA.
Diseñar mejores bloques de construcción
En los últimos años, los investigadores del Centro de Bits y Átomos han estado desarrollando vóxeles, que son bloques de construcción con estructura reticular que se pueden ensamblar para formar objetos con alta resistencia y rigidez, como alas de avión, palas de turbinas eólicas y estructuras espaciales.
“Aquí, estamos tomando principios aeroespaciales y aplicándolos a la construcción. ¿Por qué no construimos edificios con la misma eficiencia con la que construimos aviones?”, dice Gershenfeld, basándose en trabajos previos que su laboratorio ha realizado sobre el ensamblaje de vóxeles con la NASA, Airbus y Boeing.
Para explorar la viabilidad de las estrategias de ensamblaje basadas en vóxeles para edificios, los investigadores evaluaron primero el rendimiento mecánico y la sostenibilidad de ocho diseños de vóxeles existentes, incluido un cuboctaedro hecho de nailon reforzado con fibra de vidrio y una celosía de Kelvin hecha de acero. A partir de esas evaluaciones, desarrollaron un conjunto de tres vóxeles con una nueva geometría que permitía ensamblarlos robóticamente con mayor facilidad para formar una estructura más grande. El nuevo diseño, basado en una red de octetos de alta resistencia y rigidez, se autoalinea mecánicamente para formar estructuras rígidas.
“La naturaleza entrelazada de estos vóxeles significa que podemos obtener buenas propiedades mecánicas sin necesidad de tener muchos conectores en el sistema, por lo que el proceso de construcción puede ser mucho más rápido”, dice Smith.
Para acelerar la construcción, diseñaron un sistema de ensamblaje robótico basado en robots con forma de oruga que se desplazan por una estructura de vóxeles anclando y extendiendo sus cuerpos. Estos robots ensambladores de celosía modulares tipo oruga, o MILAbots, utilizan pinzas en cada extremo para colocar los bloques de construcción de vóxeles y acoplar las conexiones de ajuste a presión.
“Los robots pueden ensamblar los vóxeles dejándolos caer en su sitio y luego pisándolos para que las piezas encajen. Podemos realizar maniobras precisas basándonos en la relación mecánica entre los robots y los vóxeles”, explica Smith.
El equipo estudió la huella de carbono necesaria para fabricar sus nuevos diseños de vóxeles utilizando tres materiales: plástico, madera contrachapada y acero. Posteriormente, evaluaron el rendimiento y el coste de emplear el sistema de ensamblaje robótico para construir un edificio sencillo de una sola planta. Los investigadores compararon estas estimaciones con el rendimiento de otros métodos de construcción.
Beneficios ambientales potenciales
Descubrieron que la mayoría de los vóxeles existentes, y especialmente los fabricados con plásticos, tenían un rendimiento deficiente en comparación con los métodos existentes en términos de sostenibilidad, pero los vóxeles de acero y madera que diseñaron ofrecían importantes beneficios medioambientales. Por ejemplo, el uso de sus vóxeles de acero generaría solo el 36% del carbono incorporado necesario para la impresión 3D de hormigón y el 52% del carbono incorporado del hormigón prefabricado. Los vóxeles de madera contrachapada tuvieron la menor huella de carbono, requiriendo aproximadamente el 17% y el 24% del carbono incorporado necesario, respectivamente.
“Todavía existe una opción potencialmente viable para un enfoque basado en vóxeles de plástico; solo tenemos que ser un poco más estratégicos en cuanto a los tipos de plásticos, rellenos y geometrías que utilizamos”, dice Smith.
Además, el tiempo de montaje previsto en obra para las soluciones de acero y madera basadas en vóxeles fue de 99 horas de media, mientras que los métodos de construcción existentes promediaron 155 horas. Estas ventajas en velocidad se basan en la naturaleza distribuida del ensamblaje basado en vóxeles. Si bien un solo MILAbot trabajando solo es mucho más lento que las técnicas existentes, con un equipo de 20 robots trabajando en paralelo, el sistema iguala o supera los métodos de automatización existentes a un menor costo.
“Una de las ventajas de este método es su carácter incremental. Puedes empezar a construir y, si resulta que necesitas una habitación nueva, simplemente puedes ampliar la estructura. Además, es reversible, así que si cambia tu uso, puedes desmontar los vóxeles y modificar la estructura”, explica Gershenfeld.
Los investigadores también desarrollaron una interfaz que permite a los usuarios introducir o diseñar manualmente una estructura voxelizada. El sistema automático determina las trayectorias que deben seguir los MILAbots para la construcción y envía comandos a los ensambladores.
Según Gershenfeld, el siguiente paso en este proyecto será un banco de pruebas más grande en Bután, utilizando el “superfab lab” que CBA ayudó a establecer allí para replicar los robots y probar la construcción de una ciudad sostenible planificada. Otras áreas de trabajo futuro incluyen el estudio de la estabilidad de las estructuras de vóxeles bajo cargas laterales, la mejora de la herramienta de diseño para tener en cuenta la física del sistema, la optimización de los MILAbots y la evaluación de vóxeles que tienen revestimientos, aislamiento o enrutamiento eléctrico y de plomería integrados.
“Nuestro trabajo ayuda a demostrar por qué este tipo de ensamblaje robótico distribuido podría ser una forma práctica de incorporar la fabricación digital a la construcción de edificios”, afirma Smith.
Fuente: Tech Xplore.
