Откуда взялась идея робота-каменщика
Автор идеи, инженер Марк Пивак, по образованию специалист по авиации и машиностроению. Изначально он придумал не «кирпичного робота», а систему, которая удерживает манипулятор на конце длинной подвижной стрелы так, чтобы тот не дрожал. Для первоначальной задачи спроса не нашлось, и разработка лежала без дела. Все изменилось в 2005 году, когда в Перте не хватало каменщиков. Пивак собрал первый прототип и подал первые патенты, а позже вместе с двоюродным братом Майком основал компанию Fastbrick Robotics, которая сегодня называется FBR Limited. По словам самого изобретателя, через десять лет после изобретения технологии строительный бум и нехватка каменщиков подняли стоимость укладки одного кирпича до 1,25 доллара, и у технологии появилась задача.
Любопытно, что к автоматизации кладки пытались подступиться давно. По словам Пивака, люди кладут кирпич около шести тысяч лет, и почти с самой промышленной революции кто-то пробовал заставить машину делать то же самое. Долго не получалось по простой причине: кладка выглядит механической работой, но на деле состоит из сотен мелких решений, которые мастер принимает на ходу. Пивак говорил, что в какой-то момент несколько технологий, которые раньше развивались порознь, дошли до уровня, на котором такая задача стала решаемой, и именно на этом стыке его компания и начала работу.
Почему кладку так сложно автоматизировать
Чтобы понять, почему научить машину класть кирпич так сложно, стоит посмотреть на работу каменщика его глазами. Он берет кирпич, оценивает его на глаз, набирает раствор, укладывает, постукивает, проверяет уровень, срезает лишний раствор. Опытный мастер по разным оценкам выкладывает от 250 до 500 кирпичей за смену, и каждый из них немного отличается от соседних. Даже по ГОСТ 530-2012 допускаются отклонения от номинального размера: до 4 мм по длине, до 3 мм по ширине, до 2 мм по толщине у лицевого кирпича и до 3 мм у рядового. К этому добавляется шов, который в обычной кладке делают около 10 или 12 мм. Человек гасит все эти допуски рукой и глазом, даже не замечая, что делает расчет. Роботу такой способ не подходит: ему нужны точные координаты, а на открытой площадке их разрушают ветер, вибрация и прогиб самой стрелы.
SAM: полуавтоматический каменщик
Первым к строителям вышел робот, который не пытался никого заменить. SAM100 расшифровывается как Semi-Automated Mason, то есть полуавтоматический каменщик. Его сделала американская компания Construction Robotics из города Виктор в штате Нью-Йорк. Его представили в 2015 году, а позже вышла версия OS 2.0. SAM ездит по подмостям вдоль стены, захват берет каждый кирпич, наносит на него раствор и ставит на место по заданной программе. Но без людей он не обходится: нужен оператор, помощник, который подвозит кирпич и раствор, и еще один каменщик, который крепит стеновые связи, убирает лишний раствор и выкладывает углы и сложные места.
Если посмотреть на SAM вблизи, он напоминает небольшой заводской конвейер, который поставили на леса. Моторизованная каретка движется вдоль подмостей. Рядом стоит узел, где замешивают раствор, и место, куда кирпич загружают партиями или вручную через лотки. Конвейер подает кирпич к захвату, захват берет его, наносит раствор и ставит на место. Версия OS 2.0 научилась укладывать кирпич «солдатиком», то есть на торец, поэтому рисунок кладки перестал быть однообразным. Этого хватило, чтобы SAM работал на реальных объектах, от продуктовых магазинов до жилых домов. Компания подчеркивала и другую сторону: машина должна повышать безопасность и снижать нагрузку на мастера, а сам мастер занимается качеством стены и тем, что требует руки.
Цифры по SAM у разных источников заметно расходятся, и это хороший пример того, как нужно читать рекламу. Компания называла скорость до 350 кирпичей в час, то есть около трех тысяч в день, и утверждала, что это в два или три раза быстрее пары каменщиков. Журналисты сравнивали эту цифру с пятью сотнями кирпичей в день у среднего каменщика и писали о шестикратном преимуществе. Университет Невады, где SAM работал на строительстве художественного корпуса и выкладывал вместе с людьми больше 60 тысяч кирпичей, называл более скромные 200-250 кирпичей в час и около 250 в день у каменщика. Создатели робота не скрывали главного: по словам одного из них, полностью автоматизированных строек в ближайшие десятилетия, а может быть и столетия, ждать не стоит, речь идет о сотрудничестве человека и машины.
Hadrian X: блоки вместо кирпича
Hadrian X пошел по другому пути. Вместо того чтобы приспосабливать машину к обычному кирпичу, его создатели решили приспособить кирпич к машине. Стена в системе FBR собирается не из кирпича, а из специально спроектированных блоков, которые примерно в 12 раз больше обычного кирпича. Блоки сделаны так, чтобы толщина стены была одинаковой, а вместо раствора используется специальный быстросхватывающийся клей, который, по утверждению компании, прочнее раствора. Блоки идут по конвейеру внутри стрелы длиной до 28 метров в ранних версиях и до 32 метров в новой. Положение захвата отслеживает лазерный трекер, а система динамической стабилизации, та самая идея Пивака 1994 года, в реальном времени компенсирует ветер, вибрацию и колебания самой стрелы.
Внутри прицепа Hadrian X происходит больше, чем видно со стороны. Блок лежит в пачке, откуда его забирает челнок. Если нужно, челнок везет блок к пиле, чтобы обрезать, или к сверлильному станку, а затем передает транспортному роботу, который отправляет блок по стреле к укладочной голове. Благодаря этому машина может подогнать блок под проем или край стены, пока люди только наблюдают. Кроме того, робот работает по трехмерной модели и заранее рассчитывает, сколько материала нужно, что, по заявлению компании, сокращает отходы по сравнению с обычной кладкой. По данным разработчиков, новое поколение машины способно класть блоки в 50 мм от уже существующей стены и поднимать стену на три этажа прямо с дороги.
Скорость: обещания и реальность
Обещания разработчиков со временем становились скромнее и честнее. В 2015 году говорили о 1000 кирпичей в час и коробке дома за двое суток. Когда в Перте построили демонстрационный дом, средняя скорость составила 150 блоков в час при пике 200, то есть около тысячи блоков в день. Позднее компания заявляла о 240, затем о 300 и по последним сообщениям до 360 блоков в час на простых стенах. На сложных конструкциях скорость падает в пользу точности. Сравнивать эти цифры с SAM сложно, ведь блок в 12 раз больше кирпича: в пересчете на объем 300 блоков в час это тысячи обычных кирпичей, но такое сравнение условно. По сообщениям, Hadrian X рассчитан на ветер до 60 километров в час и легкий дождь, а цена машины составляет около 7,8 миллиона австралийских долларов.
Выгодно ли это
Главный вопрос о роботе-каменщике простой: выгодно ли это. Основатели FBR приводили собственный расчет: ручная кладка кирпича и блока обходится по миру примерно от 10 до 100 долларов за квадратный метр, и при скорости около 200 блоков в час их машина уже конкурентна на значительной части рынка. Эту оценку делает сама компания, и проверить ее независимо трудно. У производителей SAM довод другой: робот не заменяет бригаду, а добавляет в нее еще одного исполнителя, который не устает к концу смены. Для заказчика это выглядит не как отказ от мастеров, а как попытка ответить на их нехватку.
Важная деталь, о которой редко пишут в заголовках: Hadrian X кладет не обычный кирпич. Блоки для него вместе с FBR разрабатывал австралийский производитель Brickworks в совместном предприятии по схеме «стена как услуга», причем как из глины, так и из бетона. Получается, что робот научился класть не тот кирпич, к которому мы привыкли, а его крупного потомка, перепроектированного под машину. Сам по себе это не недостаток, но показывает, насколько велика разница между классической кладкой и кладкой для робота.
Gantenbein: робот, который выкладывает узор
Совсем другую историю рассказывает проект, который в 2006 году выстроили в швейцарском поселке Флеш. Архитекторы Грамацио и Колер из Высшей технической школы Цюриха делали фасад винодельни Gantenbein. Идея была в том, чтобы кирпичная стена пропускала свет и воздух и при этом выглядела как огромная кисть винограда. Для этого каждый из 20 тысяч кирпичей на 400 квадратных метрах фасада нужно было повернуть под своим углом. Вручную такую работу выполнить трудно, а промышленный робот делал это по цифровой модели: данные дизайна напрямую превращались в команды, и отдельные рабочие чертежи не понадобились. Стеновые элементы собирали в лаборатории университета, привозили на грузовике и ставили краном. Вместе с инженером завода-изготовителя кирпича для каждого кирпича разработали метод нанесения четырех параллельных полос клеящего состава. Здесь робот нужен не для скорости, а чтобы получить узор, который человек не смог бы выложить с такой точностью. Отдельные кирпичи на этом фасаде работают как пиксели на экране, а вся стена как изображение.
Опыт швейцарцев подсказывает еще один сценарий. Вместо того чтобы возить дорогую машину с участка на участок и бороться с ветром, роботов можно поставить в цех. Там они выкладывают готовые стеновые панели, которые затем привозят на объект и поднимают краном, как это было с фасадом Gantenbein. В цехе нет дождя и ветра, нет перекосов площадки, а точность выше. Насколько такой подход приживется в массовом строительстве, пока открытый вопрос, но направление выглядит логичным.
Что мешает роботам на стройке
Так что же мешает роботам заполнить стройки уже сегодня? Во-первых, они любят большие ровные стены. SAM лучше всего работает на длинных непрерывных участках, а углы, проемы и сложные места по-прежнему достаются людям. Во-вторых, машины дороги и требуют подготовки: монтаж подмостей, программирование, обучение персонала. В-третьих, самое важное: роботу проще всего там, где предсказуема геометрия изделия. Именно поэтому в Hadrian X пришлось менять блок, а в проекте в Швейцарии роботу доверили обычный заводской кирпич и сложный рисунок, но не его неровность.
Меняется и сама профессия. Для работы с SAM Construction Robotics предлагала заказчикам трехдневное обучение, а на площадке появились новые роли: человек, который управляет машиной, помощник, который подвозит кирпич и раствор, и мастер, который заканчивает то, что робот сделать не может. Фактически каменщик превращается в бригадира небольшой автоматизированной линии. Такой переход не обязательно означает, что мастеров станет меньше. Скорее, одному человеку придется отвечать за больший объем стены, а качество швов, перевязки и углов по-прежнему останется на его опыте.
Кирпич ручной формовки: работа для человека
Здесь самое время вернуться к кирпичу, который меньше всего подходит машине. Кирпич ручной формовки, у которого нет двух одинаковых изделий, колотая и рифленая поверхность, неровный край, разнотон, все то, за что его любят архитекторы и строители, это в буквальном смысле набор отклонений, которые человеку в радость, а программе в тягость. Нам не встретились открытые данные о серийных проектах, где роботы клали бы такой кирпич, так что пока это работа для человека. Для машины, которая ориентируется по заранее заданным размерам, живая геометрия остается самой трудной задачей, и по-человечески понятно, почему именно ее хочется оставить мастеру.
Заменят ли роботы каменщиков
Вернемся к началу. Марк Пивак объяснял идею просто: средний возраст каменщиков растет, а молодежь в профессию идет неохотно. Роботы-каменщики появились не для того, чтобы отобрать работу, а как ответ на нехватку рук, которая по-разному ощущается в Австралии, США и Европе. Люди кладут кирпич тысячи лет, а автоматизировать эту работу пытаются со времен промышленной революции. Сегодня машины умеют класть блоки в ветер и дождь, выкладывать узоры, которых не было ни у одного мастера, и работать на стройках бок о бок с каменщиками. Но ни одна машина пока не научилась главному: понимать, какой кирпич ляжет красиво. Эту часть работы мастера и архитекторы оставляют себе.
Поделитесь с друзьями: