Почему у нас до сих пор нет роботов-каменщиков?

Как только начинаешь исследовать вопрос строительства, оказывается, что любые новые идеи, которые могут прийти в голову, кто-то уже не раз и не два испытывал – часто несколько десятилетий назад. Одной из таких новых, но на самом деле старых, идей является механический каменщик – машина для автоматизации кирпичной кладки стен.

Привлекательность этой идеи легко видеть: кладка кирпичей, кажется, идеально подходит для механизации. Это многократно повторяющаяся операция – для постройки кирпичного здания нужно уложить десятки или даже сотни тысяч кирпичей или блоков, большинство из которых совершенно одинаковы, причём кладутся они тоже одинаково. Кажется, что такая машина не должна будет совершать физических сложных движений – на каждый кирпич наносится слой строительного раствора, после чего он кладётся рядом с предыдущим. Все кирпичи одного размера, поэтому каждый следующий кирпич кладётся на одном и том же расстоянии от предыдущего.

Кроме того, работа каменщика, особенно при работе с кирпичами, одна из самых физически тяжёлых – она требует многочасового и многократного перемещения тяжёлых объектов. В целом кладка кирпичей кажется идеальным кандидатом на механизацию – и люди пытаются сделать это уже более 100 лет.

Ранние попытки

Укладочная машина Джона Томпсона от 1904 года

Первые попытки создать машину для укладки кирпичей датируются началом прошлого века – можно найти патенты на подобные изобретения, зарегистрированные в 1899, 1904 и 1924 годах, и у каждого из них свой автор. Некоторые из авторов работали над идеей годами. Джон Томпсон, автор патента от 1904 года, затем получал патенты в 1918 и 1926 годах. Теоретически эти машины должны были работать на верхней части стены, класть слой раствора, и выкладывать на него по кирпичу за раз. Они не могли никак воспринимать своё окружение, или измерять, куда именно класть кирпич – они просто выдавливали слой смеси и механически размещали кирпичи на одинаковых расстояниях друг от друга. Неизвестно, сколько подобных машин было изготовлено, но однако одну из их (от изобретателя Джона Найта) использовали для постройки кирпичной стены, которая, как говорят, стоит до сих пор.

Подобная концепция будет ещё не раз возникать на протяжении следующих десятилетий. Патенты на сходные машины можно найти в 60-х и 70-х годах. На видео 1967 года показан «моторизованный каменщик» – и он не так уж сильно отличается от конструкции 1900-х годов:

Попытки создать механического каменщика не ушли далеко от демонстрационных образцов и не имели коммерческого успеха.

1980-е: роботы-каменщики

В конце 1980-х и начале 90-х появляются попытки механизации труда каменщика на основе роботизированных манипуляторов. В отличие от чисто механических изобретений новые машины умели обрабатывать информацию. Вместо бездумного повторения одних и тех же движений их манипуляторы комбинировали роботизированную руку с большой степенью свободы с датчиками и управляющими системами. Они «видели» кирпич, куда его нужно класть, а потом брали его и помещали туда.

Принципиальная схема работы системы ROCCO

Какое-то время эту область активно разрабатывали в академических кругах – примеры можно найти у Slocum 1988, Lehiten 1989, Rihani 1996, Altobelli 1993, Pritschow 1996, у японской SMAS и ROCCO. Но несмотря на все подобные попытки успеха эти системы добились примерно такого же, что и их механические предшественники. Большинство не пошло дальше технических описаний («вот, как можно было бы создать робота-каменщика»), некоторые стали прототипами, но по сути никакого прогресса не случилось. Один из исследователей сдался, заявив, что роботы-строители общего назначения в обозримом будущем не будут иметь практического смысла. Я смог найти лишь один пример такой рабочей системы, использовавшейся в строительстве – это немецкая Multistone 8000, способная с помощью человека автоматически собирать стеновые панели на фабрике.

Современные попытки

С годами важность кирпичной кладки как строительной технологии в развитых странах снизилась, в связи с чем пропал и интерес к её автоматизации. И в отличие от такой области, как 3D-печать, где существуют десятки попыток реализации, я смог найти совсем немного современных попыток автоматизации работы каменщика.

Hadrian X

Самой развитой из этих систем кажется Hadrian от компании Fastbrick Robotics. В ней используется грузовик, оборудованный полой стрелой, сквозь которую проходят специальные блоки (что-то вроде грузовика с системой подачи цемента). Когда блок доходит до конца стрелы, его поливают промышленным клеем (вместо обычной строительной смеси), затем его берёт манипулятор и ставит в нужное положение.

Длина стрелы и то, что она закреплена на грузовике, устраняет многие ограничения на укладку блоков, присутствовавшие у других механических систем. Она может класть блоки в узких коридорах и на сложных углах, а также возвести все стены небольшого здания, передвинув при этом грузовик всего несколько раз. Сейчас Hadrian способна класть по 200 блоков в час, а целью компании является скорость в 1000 блоков в час. Хотя их блоки отличаются от тех, что используют каменщики в США, однако для сравнения укажем, что американский каменщик может уложить порядка 400 кирпичей в день.

Hadrian разрабатывают с 2006 года, и лишь недавно начали использовать на коммерческих стройках – пока что компания построила блочные стены 3-4 зданий в Австралии. Судя по всему, компания переживает не лучшие времена (что не удивительно для системы, находившейся в разработке более 15 лет), и в 2020 году у них, похоже, прошла серьёзная череда увольнений. Однако в последние несколько месяцев она мало-помалу набирает проекты.

Но наиболее успешная из известных мне механических систем для укладки кирпича – это SAM, «полуавтоматический каменщик» [semi autonomous mason]. Это робот от компании Construction Robotics, который используется в коммерческом строительстве с 2015 годов. В отличие от кладущего блоки Hadrian, SAM кладёт обычные глиняные кирпичи. Она состоит из роботизированного манипулятора, системы подачи раствора и конвейрной ленты, закреплённых на снабжённом колёсами шасси. Манипулятор берёт кирпич, наносит на него раствор, и ставит на нужное место стены согласно внутренней «кирпичной карте», на которую нанесены все позиции для кирпичей. После этого процесс повторяется, и машина постепенно возводит стену (люди требуются только для укладки кирпичей на углах). У SAM есть несколько датчиков, компенсирующих движение платформы и гарантирующее горизонтальную кладку кирпичей, и она может работать с кирпичами разного размера (но не со шлакоблоками). Её ставят на мобильные леса, и поднимают по мере постройки стены.

SAM

Судя по всему у SAM, как и у Hadrian, тоже есть проблемы. На длинных участках стены он работает хорошо, но на коротких практически не опережает людей-каменщиков. Он не может заезжать за углы и класть стыки. В лучшем случае он кладёт кирпичи в 5 раз быстрее человека, однако за ним всё равно должны идти каменщики, очищающие стыки и иногда выравнивающие кирпичи, а также техник, решающий проблемы машины. В книге, описывающей разработку SAM, перечислены различные проблемы, с которыми пришлось столкнуться инженерам, а в конце упоминается, что на этого робота сложно найти покупателей. Судя по сайту, компания Construction Robotics уже сменила свои приоритеты, и вместо SAM сосредоточилась на другом продукте – подъёмнике MULE.

Кроме SAM и Hadrian есть и ещё несколько механических каменщиков на разных стадиях разработки. Индийская компания Craftsmac недавно объявила о выпуске робота-каменщика, используемого для возведения стен из шлакоблока. Она похожа на SAM, это шасси на колёсах с манипулятором, конвейером и бетономешалкой.

Одна британская система автоматической укладки кирпичей использует установленную на колёсах систему двухосевого движения, позволяющую заворачивать за углы и решающую проблему переноса робота с этажа на этаж (вместо этого требуется потратить время на первоначальную сборку системы).

Компания ROB использует коммерчески доступный манипулятор для укладки разнообразных панелей (хотя со смесью, судя по всему, не работает). Иногда встречаются различные научные работы на эту тему. В целом список проектов довольно короткий.

Одна из областей, где был достигнут определённый коммерческий успех – это кирпичные дороги. Различные компании предлагают машины для «печати» участков дорог из кирпича. Укладку дорог немного проще автоматизировать, чем строительство стен.

Roadprinter

Ассистенты каменщиков

Есть и немного другая категория машин, предназначенных для увеличения продуктивности работы каменщика – я называю их «ассистенты каменщиков». Эти машины помогают физически поднимать блоки (чаще встречаются машины, работающие именно с блоками, а не с кирпичами), уменьшая физическую нагрузку на каменщика, который занят тем, что размещает блоки на нужных местах.

Такие ассистенты существуют, по меньшей мере, с 1994 года, с военных экспериментов с MAMA – «мехатронным ассистентом каменщика» [Mechatronically Assisted Mason’s Aid]. Это была машина с захватом, расположенным на стреле, стоящей на грузовике. Каменщик использовал захват для перемещения блока на нужное место без необходимости поднимать его руками. С тех пор варианты идеи со стрелой и захватом разрабатывали несколько компаний: мне удалось найти информацию о Layher Balance, Rimatem и Assistance System Steinherr. На сегодня мне известна только одна система, которую можно купить – это MULE от Construction Robotics (судя по всему, она пользуется гораздо большим успехом, чем их SAM).

Layher Balancer

Однако наиболее интересным ассистентом каменщика я считаю экзоскелет, разработанный компанией FRACO, и выпущенный в прошлом году. Это адаптация военной технологии, содержащая различные пассивные и активные механизмы, помогающие поднимать тяжести и уменьшающие нагрузки на мускулы каменщика.

Экзоскелет FRACO

Конечно, машину, помогающую поднимать тяжести, сложно назвать революционной технологией. Вероятно, самой важной технологией с точки зрения увеличения продуктивности работы каменщика, стал телескопический погрузчик, устранивший необходимость ручного перемещения поддонов с кирпичами на место кладки.

Так почему у нас до сих пор нет механических каменщиков?

Работа каменщика кажется идеальным кандидатом на механизацию, однако сто лет скромного прогресса намекают на наличие в этой области какого-то аспекта, препятствующего созданию такой машины. Получается интересная тема для исследования, помогающая определить, в каких именно случаях механизация работы становится слишком трудной. Чем кладка кирпичей, почти полностью ручная работа, отличается от, например, забивания гвоздей – процесса, который уже почти полностью механизирован?

Судя по всему, тут работают несколько факторов. Во-первых, кирпич не кладётся на что-то ровное и твёрдое – он располагается на тонком слое строительной смеси из воды, песка и цемента. У смеси довольно сложные физические свойства – это неньютоновская жидкость, вязкость которой увеличивается при движении. Из-за этого механический, детерминистский способ кладки не проходит (вероятно, поэтому каменщикам сложно объяснять тонкости своего дела – при укладке кирпича они проделывают множество небольших движений, а смесь ведёт себя и не как жидкость, и не как твёрдое тело). А поскольку смесь изготавливают на месте, в её свойствах периодически появляются некоторые различия.

Автоукладчики кирпича постоянно сталкивались с трудностями, связанными со строительной смесью – многие просто игнорировали эту проблему. Научные исследования конца 80-х и начала 90-х часто занимались вопросами создания стен без строительной смеси, например, блоков с зацеплением друг за друга, или же альтернатив смесям, ведущих себя более предсказуемо (на чём остановился Hadrian). В работе 1996 года Притшоу просто написал, что решить проблему смеси оказалось слишком сложно. У изобретателей, которым удалось решить задачу надёжного нанесения смеси, пока не получается выдавать надёжное соединение кирпичей – они просто нашлёпывают смесь на кирпич, после чего рабочим приходится убирать излишки. В каком-то смысле такие роботы, как SAM, недалеко ушли от моторизованного каменщика 50-х годов.

Соединение кирпичей смесью усложняет работу каменщика. Если пневматический молоток просто прилагает силу к гвоздю, получая примерно один и тот же результат раз за разом (а если получается немного криво, то это не страшно – гвоздь всё равно выполняет свою функцию), то укладка кирпича на полученную на месте неньютоновскую смесь ошибок не прощает. Не получая обратной связи (не измеряя, насколько ровно лёг кирпич), сложно быть уверенным, что стена получится ровной. Каменщики постоянно проверяют горизонтальность кирпичей нитками или уровнями, и при необходимости принимают меры. Механическому каменщику нужен способ делать то же самое. SAM почти решил эту проблему, но всё равно иногда требует вмешательства рабочих, которые ударами ставят кирпичи на место.

Это одно из главных отличий забивания гвоздей от кладки кирпича – необходимость внесения поправок в зависимости от окружения. Пневматические молотки, циркулярные пилы и другие электроинструменты больше похожи на ассистентов каменщика – они выполняют чисто физическую работу, оставляя обработку информации и расположение деталей на совести людей. Пневматический молоток не должен понимать, куда нужно забить гвоздь, и не должен сам перемещаться в нужное место – он просто выполняет физическую работу по забиванию гвоздя.

Можно провести параллели с эволюцией фрезерных и сверлильных машин. Первые подобные механизмы придумали в конце XIX – начале XX веков, а возможность программного управления добавили в 40-50-х годах прошлого века. Однако только недавно у нас появилась возможность встроить в них обработку обратной связи в реальном времени, чтобы получить такие продукты, как Shaper Origin (ручной фрезер, поправляющий движения человека). Надёжная реализация реакций машины в ответ на окружение – задача, решать которую сложно и сегодня, даже если физических ограничений на это нет.

Shaper Origin от ShaperTools

Осложняют механизацию работы каменщика и ещё несколько дополнительных проблем:

• Кирпичи и блоки большие и тяжёлые, поэтому для работы с ними требуются крупные и дорогие машины (особенно, если вы хотите работать с ними быстро – ведь усилия возрастают с ускорением).
• В США стены возводятся с использованием арматуры, что сложно реализовать в простой машине, кладущей блоки. На проектах, где использовали Hadrian, арматуру ставили вручную.
• Сложно договориться с подрядчиками на использование подобных машин, поскольку те стараются избегать рисков. В удивительно откровенном видео от Construction Robotics подробно рассказывают о том, насколько сложно было убедить клиента использовать систему компании. В книге, описывающей развитие компании, встречается очень много примеров сложных продаж.

Будет ли расти популярность механических каменщиков?

Сложно сказать. В принципе, все зависит от прогресса в робототехнике, программах, компьютерном зрении и других технологиях (назовём всё это «автоматизацией»).

При всех сложностях, укладка кирпичей остаётся одной из наиболее успешно автоматизированных областей строительства. Это одна из немногих областей, в которой реально можно купить промышленного робота. Поэтому разумно предположить, что прогресс автоматизации окажется полезнее всего для процесса укладки кирпичей, поскольку он и так продвинулся дальше остальных. Если автоматизированные каменщики будут становиться меньше, быстрее, научатся работать с углами и доводить до ума соединения кирпичей, они станут весьма привлекательными.

Однако вполне может оказаться, что развитие автоматизации положительно скажется на всех строительных технологиях.

Блоки весят много, и машины, работающие с ними, вероятно, всегда будут дороже машин, работающих с менее тяжёлыми строительными системами. При этом даже большие блоки остаются небольшой частью строительного процесса в целом. Поэтому возможно, что автоматические каменщики всегда будут отставать по скорости и стоимости от других типов машин. Возможно, будет промежуток времени, в который автоматические каменщики окажутся очень популярными, после чего их вытеснят другие строительные системы.