IMAGO EX-MACHINA. Quando useremo i robot per progettare?

La robotizzazione - ovvero l’implementazione di nuovi componenti hardware per automatizzare determinati processi- avrà la forza di replicare quel rinnovamento apportato alla progettazione architettonica e ingegneristica negli ultimi 20 anni dall’uso e dal potenziamento di componenti software.

Le applicazioni sono enormi e ancora tutte da esplorare, nel segno di una più fluida e completa ibridazione dei rapporti tra professionista, tecnologie virtuali e tecnologie fisiche.

Come immaginiamo si evolverà l’attività di progettazione tra 10 anni, e in che modo?

BIM, computational design e banche dati sono oggi strumenti necessari e in rapidissima diffusione, e anzi istituiscono un nuovo standard per la necessità da parte di architetti e ingegneri di accedere a informazioni da remoto, e di collaborare con professionisti diversi sugli stessi progetti.

Automatizzare ulteriormente questo processo permetterebbe di interpolare non soltanto i diversi livelli di progetto, ma anche e direttamente il progetto stesso con i dati raccolti dai siti e cantieri.

In particolare, l’introduzione di sistemi robotici, già ampiamente diffusi e utilizzati soprattutto in ambito industriale-manifatturiero, sta avanzando anche nelle aziende del settore progettazione-costruzione che puntano a integrare sistemi tecnologici avanzati nelle attività pratiche e quotidiane.

Le applicazioni potenziali sono enormi: CyBe Construction propone un sistema di stampa 3D robotizzata per materiali cementizi, Construction Robotics ha ottimizzato un metodo per il posizionamento dei mattoni, FullStack Modular ha realizzato metodi di prefabbricazione modulare altamente efficienti.

Sistemi di questo tipo costruiscono nuove relazioni tra progetto e costruzione, tra ambienti virtuali e reali, tra spazio digitale e fisico. Ma soprattutto aprono a prospettive e scenari solo in parte disvelati.

Così come successo con la diffusione capillare dei computer, l’automazione e quindi l'introduzione della robotica muteranno in modo radicale tempi, metodi e procedure della progettazione.

Alcuni robot sono più adeguati di altri per le caratteristiche intrinseche con cui sono progettati: i robot antropomorfi, e in generale quelli progettati seguendo fattezze umane o animali, consentono movimenti fluidi e sono capaci di dialogare tra loro o con sistemi esterni. Questa tipologia è generalmente riconosciuta con l’appellativo robot agile, ad indicarne l’impiego in una serie gamma di attività all’interno di spazi fisici, dove possono muoversi liberamente e in modo “consapevole”.

Robot agili nel settore progettazione-costruzione: dove possiamo aspettarci di vederli in futuro?

I robot agili sono capaci di affiancare o sostituire l’uomo nello svolgimento di attività che impongono certi gradi di rischio o un grande dispendio di tempo.

Prendiamo in considerazione il modello quadrupede “Spot”, prodotto dall’azienda americana Boston Dynamics: si tratta di un robot dotato di movimento su quattro arti robotici e con un corpo compatto e orizzontale (spesso chiamato in modo informale “robot cane”). Oltre a esibire ottime capacità di movimento, “Spot” è strutturato per essere un sistema aperto, ovvero in grado di dialogare con sistemi esterni e di essere messo in connessione con numerosi strumenti: bracci robotici, scanner 3D, sensori.

Se guardiamo all’intero complesso di ‘robot+strumenti’, l’automazione è utile a ottimizzare il rapporto tra progetto/esecuzione/gestione, e allo stesso tempo ridurre i fattori di rischio legati a specifiche condizioni contingenti (scala, matericità, geologia, etc.).

Uno scenario plausibile vede proprio il robot agile “Spot” (coordinato da un operatore) effettuare ispezioni e controlli in ambienti di dimensione medio-piccola utile per raccolta dati, rilievo fotografico di ambienti chiusi dove le superfici non distino più di 4 m dal robot agile; prima ispezione e rilievo fotografico di aree pericolose, ad esempio quelle post-sisma. Una dotazione avanzata permetterebbe poi di effettuare operazioni anche su larga scala, e raccogliere quindi dati in caso di ispezione e rilievo di spazi ampi, sia al chiuso che all’aperto, fino a un massimo di 100 m dal robot, scansione e rilievo periodico di ambienti; elaborazione di modelli digitali 3D navigabili, digital twin, comparazione tra modello 3D e situazione reale; controllo delle operazioni svolte in cantiere, monitoraggio degli avanzamenti di cantiere.

Una ulteriore dotazione aggiuntiva prevedrebbe l’integrazione di elementi non direttamente forniti da Boston Dynamics, e utili ad esempio per migliorare la raccolta dati, ampliare le opportunità di movimento o garantire maggiore affidabilità. Ma soprattutto per rendere più autonomo il robot, dando la possibilità di effettuare ricariche in autonomia, di favorire lo scambio di dati real time attraverso sensoristica e l’infrastruttura internet, mentre il cloud computing velocizzerebbe le operazioni di elaborazione dei dati raccolti.

L’automazione evidenzia i limiti della raccolta dati “manuale”: al massimo delle sue capacità, “Spot” può di fatto raccogliere informazioni da scansione e rilievo 3D, dati termici, individuazione di perdite, individuazione di anomalie acustiche, individuazione di radiazioni, individuazione di lesioni, individuazione di gas, individuazione di instabilità strutturali.

Il risultato è una minore probabilità di errori, di valutazioni soggettive, o di attività dispendiosa e lente.

Metodi di applicazione del robot agile “Spot” a partire da due casi reali

Il campo esplorativo è vastissimo e, certo, ogni sito/cantiere/edificio presenta variabili differenti. Eppure non è difficile immaginare metodi di applicazione del robot agile “Spot” a partire da due casi reali – attualmente in corso di lavorazione all’interno di ArchLivIng srl – con l’obiettivo generale di garantire la sicurezza delle attività on-site e tracciare in modo più efficace costi del lavoro, dei materiali, delle strumentazioni, dei tempi.

Applicazione dei robot per le ispezioni in edifici a rischio crollo

La località Gabbiano è un piccolo insediamento di radice medievale, fortemente danneggiato dal sisma del 2016. La messa a nudo del valore documentale di questi luoghi restituisce i caratteri ornamentali propri di un’architettura affidata alle maestranze locali, e soggetti ad una pesante ristrutturazione dei fabbricati nel 1997 che hanno determinato trasformazioni tanto all’apparato decorativo quanto a quello strutturale. In particolare, l’uso estensivo di elementi in malte cementizie e calcestruzzo armato a vista hanno modificato determinati dettagli architettonici, operando anche sugli aspetti chimico-fisici dei materiali tradizionali come la naturale deperibilità e la traspirabilità.

Indagare Gabbiano ha significato attivare una campagna continuativa di sopralluoghi per delineare con la minor approssimazione possibile le caratteristiche del costruito e selezionarne – per ciascun fabbricato – gli aspetti maggiormente significativi. Attraverso i sopralluoghi sono acquisiti rilievi video e fotografici, la conformazione dei singoli edifici e il rilievo di dettaglio.

In questo caso, una squadra di tecnici è accompagnata sul sito di progetto, insieme con l’attrezzatura, per poi procedere con la raccolta dati e note, che saranno poi scaricate e restituite in una seconda fase. I danni strutturali mettono a rischio di infortunio chi effettua i sopralluoghi, ma sono un passaggio obbligato per definire modalità di intervento e di messa in sicurezza delle strutture interessate.

In questo caso, il robot agile “Spot” potrebbe essere usato sia per limitare il rischio sicurezza, sia per ottimizzare i tempi di raccolta e restituzione: con l’ausilio di una fotocamera a 360° e con zoom ottico 30x (Spot CAM+) e di un sistema per la creazione real time di mappe digitali accurate fino ad una distanza di 100 metri dal robot (Spot EAP), sarà possibile visualizzare sul tablet immagini, foto, video, e il modello tridimensionale di rilievo geolocalizzato e archiviato in tempo reale tramite piattaforme cloud. L’operatore, singolo o in coppia, ha il compito di navigare il robot nelle aree da rilevare, controllare la qualità delle immagini raccolte, abbinare eventuali note testuali legate.

Nella fase di ispezione ai singoli edifici a rischio crollo e perdipiù in aree ad alta pericolosità sismica, una squadra di 3 persone ha condotto una attività perlustrativa in fabbricati di cui spesso non si conosce né la distribuzione, né le caratteristiche strutturali. Anche in questo caso, automatizzare questa attività consentirebbe di avere un unico operatore in situ, che governa il robot da remoto osservando in tempo reale ciò che viene registrato dalle fotocamere per inquadrare eventuali specifici dettagli e identificare, ad esempio, un rischio di cedimento di alcune strutture. Anche in una fase successiva di messa in sicurezza, il robot potrà aiutare il team di progetto a segnalare punti specifici d’interesse su cui effettuare ulteriori controlli.

Inoltre, una volta programmata una “routine”, il robot sarebbe in grado di attivarsi autonomamente per spostarsi all’interno della struttura ed effettuare ripetute raccolte dati e, allo stesso tempo, inviarle a sistemi computerizzati in grado di rielaborarle. In questo modo, il lavoro de team è svolto da remoto, dove potrà valutare le azioni progettuali in totale sicurezza e in modo più efficiente.

Applicazione dei robot nelle infrastrutture

Nel caso di opere infrastrutturali, l’efficacia del robot agile risulta ancora più immediata. Il tratto ferroviario Novellara - San Giacomo è stato danneggiato a seguito degli eventi sismici del maggio 2012: un primo rilievo ha identificato numerosi cedimenti dell’infrastruttura ferroviaria (spostamento dei binari sia in verticale che in orizzontale) e importanti disassamenti e deformazioni della singola rotaia (rischioso per la sicurezza dei treni in transito).

Gli interventi di ripristino prevedono quindi la realizzazione di una fondazione rigida –assente in precedenza – mediante un pacchetto stratigrafico comprensivo di strati di terreno ricompattato in loco e di strati stabilizzati a calce, intervallati da geotessuti drenanti rinforzati.

Nei casi di grandi infrastrutture, la raccolta dati e il controllo delle operazioni richiedono intere giornate di lavoro, dove le attività di perlustrazione e ispezione risultano lunghe, ripetitive e onerose, ma tuttavia necessarie per verifica la congruità tra i disegni e lo stato effettivo dell’infrastruttura e dell’area ad essa limitrofa. Sono attività costose sia in termini di tempo che di risorse umane: un intero team di tecnici è sottoposto ad un costante rischio di infortunio, lavorando in condizioni non confortevoli, su lunghe distanze o terreni sconnessi. Perdipiù, è impossibile avere sotto controllo i lavori svolti sull’intera infrastruttura in tempo reale.

Il rilievo tramite laser scanner, necessario per la comparazione tra il contesto reale e il Digital Twin, è in questa caso specifico una delle attività di controllo più dispendiose, ma anche quella che può essere maggiormente automatizzata.

Nel caso specifico della Novellara-San Giacomo, il tratto di ferrovia interessato da progetto è di lunghezza 8 Km: qui il robot agile potrebbe essere programmato per fare una raccolta dati ad esempio ogni 100 m, così da inviare sufficienti informazioni per una corretta comparazione di elementi come pendenze e disassamenti non previsti. Allo stesso modo potrebbero essere prese in considerazione le operazioni richieste nell’esecuzione di un rilievo fotografico.

Si consideri che in una normale attività di ispezione e rilievo, un team di 3-4 persone deve spostarsi a piedi lungo l’intera infrastruttura e rielaborare (e verificare) i dati raccolti solo a campagna conclusa, costrin- gendo il team a effettuare successivi sopralluoghi di correzione. Al contrario, l’introduzione del robot agile consentirebbe ad un operatore umano di poter guidare da remoto il robot per svolgere i rilievi necessari. Ma soprattutto, aprirebbe ad uno scenario di reale automazione dell’intero processo progettuale, in cui il robot è di fatto “istruito” a compiere il lavoro di rilievo senza il supporto umano: utilizzando nuovamente il robot “Spot”, con Spot CAM+ e Spot EAP e un sistema di sensori distribuiti su tutta l’area, potrebbe svolgere le operazioni di controllo a distanza. Il robot sarà in grado di operare autonomamente, aumentare la frequenza dei controlli e verificare dati in tempo reale, spostandosi nei vari punti d’interesse per effettuare rilievi fotografici o laser, raccogliere informazioni da sensori, inviare dati in cloud e ricaricarsi.

...CONTINUA.

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