自律走行ショベルが建設した高さ6メートルの乾式石積み壁

 (ethz.ch)
2 ポイント 投稿者 GN⁺ 2023-11-25 | 1件のコメント | WhatsAppで共有
  • ETH Zurichの研究チームは、自律型ショベル HEAP を使って、数トン級の岩石と解体残材を積み上げ、高さ6m・長さ65mの 乾式石積み壁 を建設した
  • 手作業への依存度が高かった乾式石積み壁の施工に、現場センサーとマシンビジョンを適用し、資材認識から把持・配置までをショベルが直接実行した
  • HEAPは建設現場の 3Dマップ を作成し、周囲の石やブロックの位置、おおよその重量、重心を登録する
  • 配置アルゴリズムが各石の位置を決めると、ショベルがそのまま設置し、1回の作業単位で 20〜30個 の石を配置できる
  • 現場資材と内包エネルギーの低いコンクリートスラブを活用する方式は、建設プロセスの 資源効率 を高められる

自律型ショベルHEAPによる乾式石積み壁の施工

  • ETH Zurichの研究チームは、自律型ショベル HEAP を投入し、高さ6m・長さ65mの乾式石積み壁を建設した
  • この壁はデジタルで計画され、自律的に造成された 景観・公園 の中に配置された
  • 材料には数トンの重さがある岩石と 解体残材 が使われた
  • 従来の乾式石積み壁の施工は、多くの 手作業 を必要としていた

研究チームとプロジェクトの文脈

  • プロジェクトにはETH Zurichの複数の研究グループが参加した
    • Gramazio Kohler Research
    • Robotics Systems Lab
    • Vision for Robotics Lab
    • Chair of Landscape Architecture
  • この設計応用は NCCR dfab の一部として開発された

現場認識と資材処理

  • HEAPはセンサーを使って、建設現場の 3Dマップ を自律的に作成する
  • 壁を築くのに必要な既存の ブロックと石 を現場で見つけて位置を把握する
  • 専用ツールとマシンビジョンのアプローチにより、周囲の大きな石をスキャンして把持できる
  • 各石のおおよその 重量 と 重心 もあわせて登録する

石配置アルゴリズムと作業量

  • アルゴリズムは各石に最も適した 配置位置 を決定する
  • ショベルは決定された位置に石を直接置いて壁を積み上げる
  • 自律設備は1回の作業単位で 20〜30個 の石を配置できる
    • これは1回の搬送で供給できる量とほぼ同じである

資源効率の高い建設方式

  • 乾式石積み壁は現地調達した材料を活用できるため、資源効率が高い
  • 内包エネルギーの低い コンクリートスラブ のような材料も使用できる
  • 現場資材を活用すれば、岩石や解体残材を乾式石積み壁の構成要素へ転換できる

関連論文と資料

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1件のコメント

 
GN⁺ 2023-11-25
Hacker Newsの意見

  • 乾式石垣を何度か積んだことがある立場として、この成果がすごいという点には同意する。石をどこに、どの向きで置くかを判断するのは、ほとんど禅に近い技術だと思う。
    以前、石垣に野草を育てようとしたことがあるが、毎年種をまいても落ちてしまうか、鳥に食べられてしまった。すると上司がショットガンの薬莢をいくつか種で満たして壁に撃ち込んだところ、結果は完璧だった。翌年には壁が花で覆われた。

    • これは技術的にも驚くべきことだが、建設物理の観点でも意味があるかもしれない。
      現在は岩を砕くのにエネルギーを使い、それをコンクリートで再び接着するのにまたエネルギーを使っている。結局、望む形状と強度の構造へ石を再配置するために、とりわけ安く済ませるためにそうしている。
      突然、代替手段の一つがずっと安くなったわけだ。まだ完成段階ではなく、鉄筋コンクリート、プレテンション、カンチレバーなどをすぐに置き換えるのは難しいが、大規模インフラや土木工学では根本的な熱力学的改善をもたらす可能性があるように見える。
    • 次に壁を作るなら、Cornish hedgeを試してみる価値がある。名前とは違って土の芯が入った乾式石垣で、古いものはたいてい野草に覆われている。
      作り方はここにある: http://www.cornishhedges.co.uk/PDF/building.pdf
    • 友人の家の庭に丘があったので、地域の種子ミックスに詳しい人を雇ってハイドロシーディングをしてもらい、うまくいった。
      https://en.wikipedia.org/wiki/Hydroseeding
      上司がやったことを何と呼ぶべきかは分からない。完全にpyroseedingでもないし。
    • 種が壁に食い込むほど火薬が入ったショットガンの薬莢の熱と圧力に耐えたというのが驚きだ。

  • スペイン、より具体的にはカタルーニャの農村地域にはPedra Secaという建築技法がある。文字どおりには「Dry Stone」で、基本的には石だけで構造物を作る方式だ。今でも主に農地で使われている。
    例は次のとおり。
    https://dd9de8c7b7.cbaul-cdnwnd.com/b5fbcf0e77b7b72ef95acd62...
    https://static1.ara.cat/clip/98e3619e-8dd2-4c0b-828c-254a62e...
    Google検索: https://www.google.com/search?client=safari&sca_esv=58408328...

    • 英国でも乾式石垣積みは非常に一般的だ。複雑で今では高価な技術だが、きちんと作られた壁は温度変化の際に石が少しずつ動き、水はけもよいため、構造に亀裂が入らず100年以上持つ。
      また、周辺で自然に得られる石の形によって壁の配置や質感が変わるため、地域色がはっきり出る。
      https://en.wikipedia.org/wiki/Dry_stone#/media/File%3ADry_st...
    • 最近、キルメス考古都市でインカ以前の時代にさかのぼる似た構造を見た: https://drive.google.com/drive/folders/1-6DnSeACUPUUskeJJIuB...
      イタリアにもあり、「muretti a secco」で検索すればよい。
    • マヨルカでもこの技法は生きている。テラスはmarjades、壁自体はmargesと呼ばれる。
      https://ca.wikipedia.org/wiki/Marge
    • メキシコ中部の田舎、サカテカス近くのかなり人里離れた未舗装道路を通っていたとき、こうした壁が一面にある広い地域を見たことがある。昔はブドウ畑のような場所だったようで、こういう壁は初めて見たので本当に美しかった。
      もともとヨーロッパ由来の方式だとは知らなかった。

  • これは情勢を変えるほどの技術に見える。周辺にもこうした石垣が多く、一部は昔のダルマチア移民が作ったもので、一部はドイツ人捕虜が作ったとも言われている。作るには多くの労働力が必要で、熟練度も高くなければならない。
    うちの土地にも、土砂崩れのあと丘を支えるために作られた石垣があるが、熟練した年配の人がショベルカーで、本当に信じられないほど手際よく積み上げていた。
    気になるのは安全性だ。あの大きさの石が1つ倒れたら子どもは即死しかねないので、こうした構造物は本当に怖い。十分に熟練した人が積んだ石垣は安全だが、ロボットが作ったものも同じ水準なのかが重要だ。

    • 安定性が心配なら、ロボットショベルが作業を終えたあとに吹付けコンクリートでコンクリートを吹き付けて補強できる。これも高度に自動化できるのかは分からないが、現在のロボット技術と人間の操作者を組み合わせれば可能そうだ。
      https://en.wikipedia.org/wiki/Shotcrete
      https://www.geostabilization.com/technology/shotcrete-robot/
      https://dawinvehicles.en.made-in-china.com/product/jBMnaOKdL...
    • スコットランドを訪れたとき、そこの乾式石垣は見た目には不安定に見えるので、羊が押さないという話を聞いた。
      本当なのか伝承なのかは分からないが、羊が安定した構造物を感知し、人間がその感覚を欺く方法を学んだと考えると興味深い。

  • このチームにはGravis Roboticsというスピンオフがあり、かなり興味深いことをしている。プロモーション動画にも技術的な詳細が含まれている。
    https://www.youtube.com/watch?v=yiTIXAAulzI
    https://gravisrobotics.com/

  • 良い。自由度の多い重機は人間が制御するのが難しく、非常に上手なオペレーターもいるが、誰もがそうではない。
    数十年前にも、力覚フィードバックのある仮想現実入力アームにバックホーを接続した装置が作られていた。操作者は障害物を感じ取り、感覚だけでパイプ周辺の土を掘り出すことができたが、製品化はされなかった。早すぎる試みだったようだ。

    • 力覚フィードバックは、過酷な環境で動かし続けなければならない厄介な層がもう1つ増えるようなものだ。
      古い機械を強く好むバックホーのオペレーターを見たことがある。新しすぎる機械はピンがきつすぎて、活用できる「遊び」がないからだ。よく見ると、その遊びが感覚入力として使われ、注意力と経験があればリアルタイムのフィードバックになる。
      機械全体が力覚フィードバック装置なのだ。快適な椅子に座ってレバーを引くだけではなく、さまざまな荷重に反応してそれぞれ音を立てるシステム群の上に座っているのである。
    • 今の操作者は、アームのあらゆる動きを直接制御しなければならないのだろうか。こうした重機は操作者を支援するために逆運動学を使っているものだと、漠然と思っていた。

  • ETH Zurichは工学系の大学としてかなり有名だ。なぜか頭の中では計算機科学者のEdsger Dijkstraと結び付いていたが、Wikipediaによれば彼がそこに在籍していたことはなかった。
    [1] https://en.wikipedia.org/wiki/ETH_Zurich
    [2] https://ethz.ch/en.html
    [3] https://en.wikipedia.org/wiki/Edsger_W._Dijkstra

  • https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abp9758
    https://youtu.be/P7wmotyKgXc

  • 良い成果だと思う。今後登場するマルチモーダル基盤モデルのおかげで、能力がどんどん高まるロボットははるかに増えるはず。あと5年もすれば、ロボティクスの世界は大きく変わっていそう
    いくつか発表がある
    中国の計画：「…China aims to be ready to mass-produce humanoids by 2025.」
    https://www.therobotreport.com/china-plans-to-mass-produce-h...
    Tesla Robot：「…it would be low cost and available to the public sometime between 2025 and 2027. 」 https://builtin.com/robotics/tesla-robot

    • その2つの発表はどちらもかなり割り引いて受け止めるべき。共有された記事自体もTeslaロボットの実際の進捗にはかなり懐疑的だし、中国のプレスリリースは情報提供というより内部向けシグナルであることが多いので、深読みしすぎない方がいい
      いずれにせよ、それよりはるかに先を行っている企業もある。Boston Dynamicsは非常に印象的なロボットをいくつも持っているが、まだ消費者向け技術からは遠い。あのような動きを実現するのに必要な物理的な力は、誤作動や欠陥があると周囲にとって非常に危険で、実質的には重機だ
      動作制御能力がはるかに高い動物や人間でさえ、時々足を踏んだり、振り向きざまに隣の人にぶつかったりして、偶発的にけがをさせることがある。数百kgの機械があなたの動きを予測し損ねて、全体重をかけて足を踏む状況を想像すればいい

  • 誰かがこれをウェブカメラにつないで、人々が現実世界でMinecraftをプレイできるようにするまで、何十年かかるのだろう

    • 保険業界で働く立場から言うと、待たない方がいいと助言する

  • すべての石をスキャンすれば、石をもっと上手く合わせられそうだ。インカ式の石壁までは期待しないが、そこまで気を配るようプログラムすれば、もっと隙間の少ない壁を作れそう

    • インカ式の壁の方がずっと「簡単」だ
      石を直角に近く加工して面を合わせるには多くの労力が必要で、穴あけ、くさび、精密なノミ仕上げも入る。だが、いったん積む段階になればレンガ積み作業に近くなり、これはすでにロボットで解決されていてHNにも投稿されたことがある
      伝統的な空積みの石垣は、畑を整備しながら石を取り除き、露出した石の多い畑で風を弱めるために石を積むやり方から発展した
      与えられた形のまま、あるいは非常に限られた事前探索と並べ替えキューだけで積み上げてバランスを取る方がはるかに難しい問題なので、この取り組みは印象的だ
    • 最初からすべての石を確保してスキャンし、壁全体を計画できるなら可能かもしれない。だが今の方式では石を1つずつ持ってきて、どこかの最上段にしか置けない
      幾何形状がランダムなので、こうしたサンプリングと配置の方法では、隙間のない噛み合わせを安定して期待するのは難しそうだ