Längs utvecklade flodstränder, fysiska barriärer kan hjälpa till att begränsa översvämningar och bekämpa erosion. I torra regioner, kontrolldammar kan hjälpa till att behålla jord efter nederbörd och återställa skadade landskap. I byggprojekt, metallplattor kan ge stöd för utgrävningar, stödmurar i sluttningar, eller permanenta stiftelser. Alla dessa applikationer kan hanteras med hjälp av spuntar, element vikta från platt material och drivs vertikalt i marken för att bilda väggar och stabilisera marken. Korrekt markstabilisering är nyckeln till hållbar markförvaltning i industrier som bygg, brytning, och jordbruk; och markförstöring, förlusten av ekosystemtjänster från en given terräng, är en drivkraft för klimatförändringar och beräknas kosta upp till 10 biljoner dollar per år.

Med denna motivation, ett team av robotister vid Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering har utvecklat en robot som autonomt kan driva sammanlåsta stålspuntar i jord. Konstruktionerna som den bygger kan fungera som stödmurar eller kontrollera dammar för erosionskontroll. Studien kommer att presenteras vid den kommande IEEE International Conference on Robotics and Automation 2019.

Konventionella spuntdrivningsprocesser är extremt energikrävande. Endast en bråkdel av vikten av typiska tunga maskiner används för att applicera nedåtriktad kraft. Wyss -teamets "Romu" -robot, å andra sidan, kan utnyttja sin egen vikt för att driva spuntar i marken. Detta möjliggörs genom att vart och ett av dess fyra hjul är kopplade till ett separat linjärt ställdon, vilket också gör det möjligt att anpassa sig till ojämn terräng och se till att pålarna körs vertikalt. Från en höjd position, Romu tar tag i en hög och sänker sedan sitt chassi, trycka ner högen i jorden med hjälp av en ombord vibrerande hammare. Genom att ta tag i högen igen på en högre position och upprepa denna process, roboten kan köra en hög mycket högre än sitt eget område av vertikal rörelse. Efter att ha kört en hög till tillräckligt djup, Romu går framåt och installerar nästa hög så att den låser sig med den föregående, därigenom bildas en kontinuerlig vägg. När den har använt alla högar den bär, den kan återgå till en leveranscache för att fylla på.

Studien växte fram från tidigare arbete vid Wyss Institute på team eller svärmar av robotar för konstruktionsapplikationer. I arbete inspirerat av högbyggande termiter, Kärnfakultetsmedlem Radhika Nagpal och seniorforskare Justin Werfel designade ett autonomt robotbyggnadsbesättning som heter TERMES, vars medlemmar arbetade tillsammans för att bygga komplexa strukturer av specialiserade tegelstenar. Ytterligare arbete av Werfel och forskaren Nathan Melenbrink utforskade fjädrande klättringsrobotar som kan bygga fribärande fackverkskonstruktioner, adressering av applikationer som broar. Dock, ingen av dessa studier tog upp utmaningen att förankra strukturer till marken. Romu -projektet började som en undersökning av metoder för automatiserad förberedelse av platsen och installation av fundament för de tidigare systemen att bygga vidare på; som det utvecklades, teamet bestämde att sådana insatser också kan vara direkt tillämpliga på markåterställningsuppgifter i avlägsna miljöer.

"Förutom tester i labbet, vi demonstrerade Romu som arbetar på en närliggande strand, "sa Melenbrink." Den här typen av demonstrationer kan vara en isbrytare för ett bredare samtal kring möjligheter till automatisering inom bygg och markförvaltning. Vi är intresserade av att samarbeta med experter inom närliggande områden som kan se potentiella fördelar för den typ av automatiska insatser vi utvecklar. "

Forskarna ser för sig ett stort antal Romu -robotar som arbetar tillsammans som ett kollektiv eller en svärm. De visade i datorsimuleringar att team av Romu -robotar kunde använda sig av miljömässiga signaler som lutningsbranthet för att bygga väggar på effektiva platser, effektiv användning av begränsade resurser. "Svärmmetoden ger fördelar som snabbhet genom parallellitet, robusthet mot förlusten av enskilda robotar, och skalbarhet för stora lag, "sa Werfel." Genom att i realtid svara på de förhållanden som de faktiskt möter när de arbetar, robotarna kan anpassa sig till oväntade eller förändrade situationer, utan att behöva lita på mycket stödjande infrastruktur för förmågor som platsundersökning, kommunikation, eller lokalisering. "

"Namnet Terramanus ferromurus (Romu) är en nick till begreppet" maskinekologi "där autonoma system kan introduceras i naturliga miljöer som nya deltagare, vidta specifika åtgärder för att komplettera och främja mänsklig miljövård, "sade Melenbrink. I framtiden, Terramanus "släktet" kan utökas med ytterligare robotar som utför olika uppgifter för att skydda eller återställa ekosystemtjänster. Baserat på deras resultat, teamet är nu intresserat att undersöka interventioner som sträcker sig från strukturer för grundvattenretention för att stödja jordbruk i torra regioner, till lyhörd översvämningsbarriärkonstruktion för orkanberedskap. Framtida versioner av roboten kan utföra andra ingrepp som att spraya jordbindande medel eller installera siltstängsel, så att en familj av dessa robotar skulle kunna agera för att stabilisera marken i en mängd olika situationer.

I många scenarier för miljöskydd eller restaurering, möjligheten att agera begränsas av tillgången på mänskligt arbete och av platsåtkomst för tunga maskiner. Mindre, mer mångsidiga byggmaskiner kan ge en lösning. "Klart, the needs of many degraded landscapes are not being met with the currently available tools and techniques, " said Melenbrink. "Now, 100 years after the dawn of the heavy equipment age, we're asking whether there might be more resilient and responsive ways to approach land management and restoration."

"This sheet pile driving robot with its demonstrated ability to perform in a natural setting signals a path on which the Wyss Institute's robotics and swarm robotics capabilities can be brought to bear on both natural and man-made environments where conventional machinery, man power limitations, or cost is inadequate to prevent often disastrous consequences. This robot also could address disaster situations where walling off dangerous chemical spills or released radioactive fluids makes it difficult or impossible for humans to intervene, "sade Wyss Institute grundande direktör Donald Ingber, M.D., Ph.D., som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid HMS och Vascular Biology Program på Boston Children's Hospital, as well as Professor of Bioengineering at SEAS.