Η εφαρμογή ρομποτικών συστημάτων στις οικοδομικές κατασκευές

Τα τελευταία χρόνια τα ρομποτικά συστήματα έχουν διεισδύσει και στον κατασκευαστικό κλάδο, προσφέροντας σημαντικές λύσεις. Υπάρχουν κάποιες βασικές κατηγορίες ρομποτικών συστημάτων, καθεμιά απ’ τις οποίες έχει τα δικά της πλεονεκτήματα.

Τoυ δρ. Γεώργιου Καρρά*

Η βασική έρευνα για την εφαρμογή των ρομποτικών συστημάτων στον τομέα των οικοδομικών κατασκευών τοποθετείται χρονικά από το 1960 και μετέπειτα. Ωστόσο, την τελευταία δεκαετία παρατηρείται μια σημαντικά ανοδική αύξηση σε επενδύσεις, ερευνητική δραστηριότητα και εφαρμογή των συστημάτων αυτών σε πραγματικές –φυσικού μεγέθους– κατασκευές.

Σύμφωνα με τη Διεθνή Ομοσπονδία Ρομποτικής (International Federation of Robotics) και την Ένωση Βιομηχανιών Ρομποτικής των ΗΠΑ (Robotic Industries Association), η αγορά των ρομποτικών συστημάτων για οικοδομικές εφαρμογές θα παρουσιάσει σύνθετο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης της τάξης του 8,7% έως τα τέλη του 2022, ενώ υπάρχουν και προβλέψεις από διεθνείς ερευνητικές εταιρείες (π.χ. από την International Data Corporation [IDC]) σύμφωνα με τις οποίες ο ρυθμός αυτός θα αγγίξει το 20%.

Με βάση τη σύγχρονη τεχνολογία, τα ρομποτικά συστήματα που αφορούν την αυτοματοποίηση των οικοδομικών κατασκευών διακρίνονται στις ακόλουθες βασικές κατηγορίες:

• Ρομποτικά συστήματα εργοταξίου. Τα συστήματα αυτά κατασκευάζουν το οικοδόμημα απευθείας στο εργοτάξιο. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι το Hadrian X (ένα ρομπότ που επιτελεί εναπόθεση τούβλων [bricklaying]), το σύστημα Shmizu Corp’s Robo-Welder για διεργασίες συγκόλλησης, καθώς και ρομποτικά συστήματα που υιοθετούν την τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης (3D Printing, με χαρακτηριστικό παράδειγμα το French Social Housing Structure, που θεωρείται ίσως το πρώτο σπίτι που δημιουργήθηκε μέσω τρισδιάστατης εκτύπωσης).
• Ρομποτικά συστήματα συναρμολόγησης προκατασκευών. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν κυρίως ρομποτικοί βραχίονες που ενεργούν παρόμοια με τους βραχίονες στις γραμμές παραγωγής εργοστασίων. Χειρίζονται και συναρμολογούν προκατασκευασμένα τμήματα του οικοδομήματος και χρησιμοποιούνται κυρίως για τη συναρμολόγηση προκατασκευασμένων σπιτιών. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η αμερικάνικη εταιρεία Katerra, η οποία χρησιμοποιεί ρομποτικά συστήματα για το σκοπό αυτό.
• Αυτόνομα ρομποτικά οχήματα. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν αυτόνομοι εκσκαφείς ή μπουλντόζες που λειτουργούν χωρίς ανθρώπινο χειριστή. Τα οχήματα αυτά είναι εξοπλισμένα με πλήθος αισθητήρων (GPS, LiDAR, Stereo Cameras), με ενσωματωμένα υπολογιστικά συστήματα και με ευφυείς αλγορίθμους τεχνητής νοημοσύνης. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η εταιρεία Built Robotics, η οποία προσφέρει αυτόνομα οχήματα που μετακινούνται από και προς διάφορα σημεία του εργοταξίου, μεταφέρουν χώμα και μετακινούν γη, αποφεύγοντας ταυτόχρονα εμπόδια και συγκρούσεις. Ιδανικά, τέτοιου είδους συστήματα μπορούν να εργάζονται αδιάκοπα 24 ώρες την ημέρα και 7 ημέρες την εβδομάδα και να διακόπτουν τη λειτουργία τους μόνο για φόρτιση μπαταριών ή αναπλήρωση καυσίμων.
• Ρομπότ επιθεώρησης. Η επιθεώρηση μίας οικοδομής απαιτεί χρόνο, ενέργεια και έμφαση στη λεπτομέρεια. Η αποτίμηση της προόδου και η έγκαιρη πρόβλεψη και ανίχνευση τυχόν αστοχιών ή κατασκευαστικών λαθών είναι υψίστης σημασίας για την πορεία του έργου. Εναέρια drone και επίγεια τροχοφόρα ή ερπυστριοφόρα ρομπότ μπορούν να εξερευνήσουν το εργοτάξιο και να συγκεντρώσουν πολύτιμα και πλούσια σε όγκο δεδομένα, αξιοποιώντας τους αισθητήρες με τους οποίους είναι εξοπλισμένα (LiDAR, Cameras κλπ.). Τα δεδομένα υποβάλλονται σε επεξεργασία μέσω κατάλληλων αλγόριθμων βαθιάς μάθησης, οι οποίοι αναγνωρίζουν και αξιολογούν ακόμα και τις μικρότερες κατασκευαστικές λεπτομέρειες. Για παράδειγμα, ένα αντίστοιχο ρομποτικό σύστημα μπορεί να επισημάνει ότι κάποιος αγωγός εξαερισμού δεν έχει εγκατασταθεί σωστά, επιτρέποντας με τον τρόπο αυτό την έγκαιρη επιδιόρθωσή του και αποτρέποντας δαπανηρές ανακατασκευές.
• Εξωσκελετικοί μηχανισμοί. Συνήθως οι εργασίες που εκτελούνται στο εργοτάξιο απαιτούν φυσικό σθένος, και η καταπόνηση από την άρση μεγάλων βαρών είναι μια κοινή πάθηση των εργατών. Στην περίπτωση αυτή, μπορούν να βοηθήσουν σημαντικά οι εξωσκελετικές κατασκευές. Οι μηχανισμοί αυτοί φοριούνται από τους εργάτες και ενισχύουν τη φυσιολογία τους με “ρομποτικά” χαρακτηριστικά. Συγκεκριμένα μπορούν να τους βοηθήσουν να σηκώνουν μεγαλύτερα βάρη, ενώ παράλληλα μειώνουν την κούραση. Πρόσφατα, η εταιρεία Wilmott Dixon, κατά τη διάρκεια κατασκευαστικού έργου στην Ουαλία, δοκίμασε πιλοτικά έναν εξωσκελετικό μηχανισμό για το άνω μέρος του ανθρώπινου σώματος, ο οποίος υποβοηθούσε ενεργητικά τους εργαζόμενους ώστε να σηκώνουν μεγάλα βάρη. 

Πρόσφατες μελέτες υποδεικνύουν πως οι πωλήσεις ρομποτικών συστημάτων στη βιομηχανία των οικοδομικών κατασκευών πρόκειται να υπερβούν τα 225 εκατομμύρια δολάρια έως το 2025. Ωστόσο, η υιοθέτηση της ρομποτικής στον οικοδομικό κλάδο είναι σημαντικά χαμηλότερη από ό,τι σε άλλους τομείς, όπου παλαιότερα υπήρχε έντονη χειρωνακτική εργασία (π.χ. σε αυτοκινητοβιομηχανίες), και υπάρχουν σημαντικοί λόγοι για αυτή την καθυστέρηση:

1. Η πολυπλοκότητα των εργοταξίων. Τα ρομπότ έχουν υιοθετηθεί με μεγαλύτερη επιτυχία σε γραμμές μαζικής παραγωγής, όπου το περιβάλλον είναι δομημένο και συνήθως στατικό, με τα ρομπότ να εκτελούν επαναλαμβανόμενες κινήσεις. Οι συνθήκες όμως σε ένα υπαίθριο εργοτάξιο είναι σημαντικά διαφορετικές, με απρόβλεπτες καιρικές συνθήκες και ένα τελικό προϊόν (δρόμος, κτίριο, γέφυρα κτλ.) που είναι μοναδικό. Η πολυπλοκότητα της κατασκευής και η συνεχής ανάγκη για ανθρώπινη αξιολόγηση καθιστούν το εργοτάξιο ιδιαίτερα δύσκολο περιβάλλον για να λειτουργήσει ένα ρομπότ αυτόνομα. Τo Building Information Modeling (BIM) είναι πιθανό να διαδραματίσει μεγάλο ρόλο προς αυτή τη μετάβαση, δημιουργώντας και ψηφιοποιώντας ακριβέστερα κατασκευαστικά σχέδια και με τρόπο που θα επιτρέπει την αποδοτική διάχυση πληροφοριών, για το βέλτιστο σχεδιασμό της ρομποτικής λειτουργίας. Η χρήση και η επέκταση πλαισίων όπως το BIM θα μπορούσε να οδηγήσει στην εισαγωγή αυτοματισμών σε όλο το μήκος του εργοταξίου και σε οποιοδήποτε κατασκευαστικό έργο μεγάλης κλίμακας.
2. Υψηλό κόστος. Η επένδυση στη ρομποτική συνεπάγεται υψηλό αρχικό κόστος, συμπεριλαμβανομένων της έρευνας και της ανάπτυξης. Με πολλές κατασκευαστικές εταιρείες να λειτουργούν με μικρά περιθώρια κέρδους, μια τέτοια επένδυση εξακολουθεί να κρίνεται πολύ υψηλή από τους περισσότερους κατασκευαστικούς οργανισμούς. Προς το παρόν, τουλάχιστον, κρίνεται από τις εταιρείες οικονομικότερο να προσλαμβάνουν και να εκπαιδεύουν ανθρώπινο δυναμικό, παρά να επενδύουν σε καινοτόμα ρομποτικά συστήματα.

• Νομικά θέματα και ζητήματα υγείας και ασφάλειας. Τα εργοτάξια είναι αναμφισβήτητα χώροι εργασίας με αυξημένους κινδύνους για τη σωματική ασφάλεια των εργαζομένων. Κατά συνέπεια, σε πολλές χώρες η νομοθεσία για την υγεία και την ασφάλεια στο χώρο εργασίας θέτει περιορισμούς στην άμεση χρήση της ρομποτικής στις κατασκευές. Όπως είναι λογικό, οι συμβουλευτικές (νομικές και ασφαλιστικές) εταιρείες είναι επιφυλακτικές αναφορικά με τους κινδύνους που εγκυμονεί η λειτουργία ενός αυτόνομου ρομπότ, συνήθως μεγάλων διαστάσεων, σε ένα εργοτάξιο με έντονη ανθρώπινη παρουσία.

Σε κάθε περίπτωση, τα πιλοτικά και πρωτότυπα ρομποτικά συστήματα θα πρέπει να εισάγονται σταδιακά και υπό την ανθρώπινη επίβλεψη στα οικοδομικά εργοτάξια. Με τον τρόπο αυτό, θα αξιολογείται μεθοδικά και με ασφάλεια η αξιόπιστη λειτουργία τους παράλληλα με τη συνεχόμενη βελτίωσή τους. Υπάρχουσες, αξιόπιστες και μη παρεμβατικές τεχνολογίες, όπως η τρισδιάστατη σάρωση με νέφη σημείων και η διασύνδεση με το BIM, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως ενδιάμεσο σκαλοπάτι για την εισαγωγή των ρομπότ στο εργοτάξιο.

Αν και σίγουρα υπάρχουν ζητήματα που καθυστερούν την άμεση χρήση και εδραίωση της ρομποτικής τεχνολογίας στις οικοδομικές κατασκευές, τα μελλοντικά οφέλη αυτής της δράσης είναι ιδιαίτερα σημαντικά. Συνοπτικά αναφέρονται:

• Η σημαντική μείωση αποβλήτων. Μέθοδοι όπως η τρισδιάστατη εκτύπωση και η συναρμολόγηση προκατασκευασμένων τεμαχίων κάνουν χρήση της ακριβούς ποσότητας υλικού που απαιτείται για το έργο, με αποτέλεσμα να μειώνονται σημαντικά τα απόβλητα, ενώ παράλληλα εξοικονομούνται χρήματα και ενισχύεται η προστασία του περιβάλλοντος.
• Η αντιμετώπιση της έλλειψης εργατικού δυναμικού. Η έλλειψη ειδικευμένου εργατικού δυναμικού είναι ιδιαίτερα έντονη στη σημερινή εποχή. Συγκεκριμένα, στις αρχές του 2020 το Ηνωμένο Βασίλειο σημείωσε ελλείψεις της τάξης των 200.000 εργατών για τις οικοδομικές κατασκευές. Η χρήση ρομποτικών συστημάτων θα μπορούσε να βοηθήσει σημαντικά στην κάλυψη αυτού του κενού.
• Η μείωση τραυματισμών. Τα εργοτάξια, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, είναι ιδιαίτερα επικίνδυνοι εργασιακοί χώροι. Επομένως, εργαλεία όπως οι εξωσκελετικοί μηχανισμοί, ή τα αυτόνομα ρομπότ επιθεώρησης, θα μπορούσαν να βοηθήσουν πολύπλευρα στη μείωση των κινδύνων για το ανθρώπινο εργατικό δυναμικό.
• Η ταχύτερη εργασία και το χαμηλότερο κόστος. Ένα από τα μεγάλα πλεονεκτήματα των αυτοματισμών και της χρήσης ρομποτικών συστημάτων, είναι η δυνατότητα εξοικονόμησης κόστους και χρόνου στις κατασκευές. Τα ρομπότ μπορούν να εργάζονται 24 ώρες το 24ωρο χωρίς να μειώνεται η απόδοσή τους. Αυτό σημαίνει ότι ορισμένα στάδια έργων θα μπορούσαν να ολοκληρωθούν σημαντικά πιο γρήγορα και με πολύ χαμηλότερο κόστος από το συνηθισμένο.

 

*Ο κ. Γεώργιος Χ. Καρράς είναι επίκουρος καθηγητής στο Τμήμα Πληροφορικής & Τηλεπικοινωνιών του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας.