Robotica e manifattura adattiva

Di seguito il Sesto Capitolo del libro "PROMPTED CONSTRUCTION- Protocolli per una nuova intelligenza architettonica" di Pierpaolo Ruttico e Carlo Beltracchi, edito da TAB Edizioni.

L’automazione dell’industria delle costruzioni

Negli ultimi vent’anni abbiamo assistito a una potente rinascita della robotica e della manifattura adattiva, che si fonda direttamente sugli esperimenti pionieristici condotti in Giappone negli anni ’70 e ’90.

All’epoca, aziende giapponesi come Sekisui Heim e Shimizu Corporation introdussero soluzioni di prefabbricazione su larga scala e robot edili monofunzionali come semplici risposte industriali, concentrandosi su rapidità, controllo di qualità e risparmio di manodopera, ma senza coinvolgere consapevolmente nuovi approcci estetici o di progettazione computazionale [2].

Al contrario, Negli ultimi vent’anni, diversi laboratori universitari europei – in particolare il laboratorio di fabbricazione robotica del Swiss Federal Institute of Technology Zurich (ETH Zürich), guidato da Fabio Gramazio e Matthias Kohler, seguiti da gruppi di ricerca presso il Technical University of Munich (TUM), la Delft University of Technology (TU Delft), l’INDEXLAB del Politecnico di Milano, e altre istituzioni – hanno ripreso e ampliato tali sperimentazioni, integrando direttamente nei flussi di lavoro robotici il form-finding algoritmico e il design parametrico.

Questa fusione tra progettazione computazionale e logica robotica trasforma la mera automazione in un motore creativo, consentendo un’architettura espressiva e personalizzata, che unisce nuove estetiche di progetto e qualità realizzativa [3].

Nel 1971 la giapponese Sekisui House introdusse il Metodo di Costruzione a Unità, che si concretizzò nel sistema M1: unità abitative prefabbricate in fabbrica da robot industriali Kawasaki e montate in cantiere nel giro di poche ore. Tale approccio garantiva sia il controllo di qualità sia la risposta alla carenza di manodopera, spostando gran parte del lavoro in un ambiente di assemblaggio robotico strutturato [2]. Contemporaneamente, la Shimizu Corporation istituì un gruppo di ricerca per sviluppare robot edili monofunzionali (STCR) capaci di eseguire in loco compiti ripetitivi - come l’applicazione a spruzzo del calcestruzzo o la posa dei mattoni - direttamente sul cantiere [2].

Sebbene questi primi sistemi offrissero elevata flessibilità, la loro mancanza di integrazione con i processi a monte e i tempi di set-up prolungati ne limitarono la diffusione.

Nel 1989 il Prof. Thomas Bock assunse la cattedra di Realizzazione delle Costruzioni e Robotica presso la TU di Monaco.

Nei decenni successivi, il suo laboratorio fece da apripista ai concetti di progetto orientato ai robot, realizzando robot multifunzionali per il sistema prefabbricato “x8 Haus” e in seguito promuovendo spin-off come CREDO Robotics e KEWAZO, specializzati in sistemi autonomi di movimentazione dei materiali. Nella sua rassegna del 2015 pubblicata su Automation in Construction, Bock sostiene l’“ubiquità della robotica”, prevedendo che fabbriche robotiche integrate in cantiere finiranno per superare i singoli STCR isolati [1].

Parallelamente al lavoro di Bock, nel 2000 Fabio Gramazio e Matthias Kohler fondarono il Robotic Fabrication Laboratory all’ETH di Zurigo, integrando il design computazionale con i robot industriali. La loro facciata “ExplicitBrick” (2006) - in cui un robot a sei assi ha disposto oltre 20.000 mattoni in un rilievo tridimensionale - dimostrò il potenziale della programmazione algoritmica e della personalizzazione di massa [3]. Nel 2016 il loro toolkit COMPAS FAB mise a disposizione un framework basato su Python per collegare modelli parametrici e controllo robotico, rendendo realizzabile una fabbricazione architettonica su larga scala e robusta.

Nel 2012 Sigrid Brell-Çokcan e Johannes Braumann fondarono l’Association for Robots in Architecture e lanciarono la conferenza biennale Rob|Arch. Attraverso workshop aperti e pubblicazioni - come il volume Robotic Fabrication in Architecture, Art and Design edito da Springer - diffusero l’accesso ai robot industriali tra architetti e designer, favorendo flussi di lavoro collaborativi uomo-macchina e introducendo strumenti specifici per l’esplorazione progettuale e fabbricativa, come taglierine a filo caldo per il taglio del polistirene e pinze per la manipolazione di travi, pannelli ed elementi architettonici [4].

Tra il 2007 e il 2012 un’ondata di istituzioni entrò in questo ambito di ricerca avanzata.

L’Institute for Computational Design and Construction (ICD) dell’Università di Stoccarda esplorò metodi di fabbricazione in legno e compositi; il gruppo Hyperbody alla TU Delft sviluppò prototipi di “robotic building” in cui venivano assemblati moduli discreti; il Mediated Matter group del MIT, guidato da Neri Oxman, sperimentò materiali bio-based prodotti e depositati con l’aiuto dei robot; la Bartlett School dell’UCL indagò intaglio robotico adattivo nel legno; INDEXLAB del Politecnico di Milano realizzò prototipi di applicazioni subtractive e additive avanzate; il Future Robotics Lab della TU Vienna testò l’assemblaggio in loco con droni; le iniziative Hyperbody e 3TU della TU Eindhoven integrarono la robotica con l’ottimizzazione strutturale; e i lavori di ricerca dell’Università di Tokyo sotto Uchida posero le basi asiatiche per la costruzione orientata al robot basandosi sulla tesi di dottorato di Bock.

Oggi oltre cento laboratori accademici nel mondo - dalla Tsinghua University all’University of Bath - conducono esperimenti di fabbricazione digitale, a testimonianza che la ricerca sulla costruzione mediante l’uso di robot è diventata un’attività globale. Questo consolidato background accademico costituisce il fondamento di una nuova fase industriale.

Alla fiera Bauma 2025 di Monaco, aziende di robotica e produttori di macchinari dell’edilizia hanno dimostrato che il cantiere è finalmente pronto ad abbracciare l’automazione. Doka ha presentato il “DokaxBot”, un sistema autonomo di casseforme arrampicanti che assembla autonomamente pannelli guidato da sensori, riducendo drasticamente il lavoro e aumentando la sicurezza [6]. Hitachi Construction Machinery ha mostrato in anteprima lo ZE135, un escavatore elettrico autonomo in grado di caricare, trasportare e scaricare materiali sfusi senza intervento umano [7]. Anche il mondo ad alta precisione della topografia e del rilievo vede robot all’opera: Spot di Boston Dynamics si muove su terreni accidentati acquisendo scansioni a 360° che alimentano il digital twin per il monitoraggio in tempo reale dell’avanzamento dei lavori (vedi Capitolo 2).

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In parallelo ai grandi protagonisti, startup agili stanno facendo della produzione adattiva il loro DNA. Aziende come COBOD e XtreeE impiegano stampanti multiassiali capaci di estrudere pareti in calcestruzzo direttamente in cantiere, realizzando geometrie curve continue altrimenti proibitive con la cassaforma tradizionale. Il robot Hadrian X di Fastbrick Robotics posa fino a 1.000 mattoni all’ora. La stampa 3D di Branch Technology genera infill reticolari leggeri per facciate ad alte prestazioni, mentre i bracci robotici di MX3D saldano sculture in acciaio e nodi strutturali.

Queste iniziative sottolineano un’intuizione fondamentale: quando i robot collaborano con il design computazionale, il risultato - ossia il tutto - è più della somma delle singole parti, la “mass-customization” - la personalizzazione di massa - diventa economicamente sostenibile e nascono nuovi linguaggi estetici, dalla logica stessa degli algoritmi [8].

Un altro esempio radicale è Superframe, un sistema di costruzione sviluppato da INDEXLAB. Superframe reinterpreta i componenti edilizi come telai leggeri e a forma libera, fabbricati tramite stampa 3D robotica, riducendo significativamente l’uso di materiale e al contempo consentendo di realizzare in modo efficace geometrie complesse. Invece di stampare pannelli solidi, il processo materializza strategicamente solo i percorsi strutturali necessari alle prestazioni, dando vita a un’architettura efficiente ed espressiva. Presentato a Formnext 2024 a Francoforte, Superframe dimostra come la fabbricazione digitale possa andare oltre l’ottimizzazione per inventare nuove logiche tettoniche [9].

La chiave del successo risiede nell’unire l’hardware robotico a un design algoritmico ed espressivo. Invece di considerare i robot come semplici strumenti, i pionieri del settore li vedono come partner creativi. Il controllo algoritmico - sia tramite script Python, definizioni Grasshopper o le emergenti sintesi di codice guidate da LLM - consente agli architetti di codificare l’intento progettuale, il comportamento dei materiali e i vincoli di fabbricazione in modelli parametrici eseguiti dai robot con precisione millimetrica. Questa sinergia amplifica il potenziale espressivo dell’architetto: un singolo robot può intagliare pannelli in legno complessi, ottimizzati strutturalmente; un altro può spruzzare casseforme 4D la cui geometria si adatta alle condizioni di carico, come dimostrato nello studio di Jami et al. presentato all’IASS 2023 sulle applicazioni a spruzzo del calcestruzzo [5].

In definitiva, l’automazione delle costruzioni non è un fine a sé stante, ma uno strumento per realizzare un’architettura più ricca e sostenibile. I robot liberano la manodopera umana da compiti ripetitivi e pericolosi e sbloccano nuove geometrie e sistemi di materiali. Consentono la produzione di componenti personalizzati ad alte prestazioni su scala industriale, favorendo strategie di economia circolare attraverso la fabbricazione e lo smontaggio on-demand. E, integrando sensori e digital twin nei flussi di lavoro robotici, chiudono il ciclo tra progettazione, costruzione e gestione - trasformando gli edifici in sistemi viventi che si adattano ai bisogni in evoluzione.

In quest’era di convergenza digitale e fisica, architetti, ingegneri e costruttori devono ripensare i propri ruoli. L’architetto diventa un coreografo di processi guidati dai robot; l’ingegnere un curatore di feedback ricchi di dati; l’appaltatore un orchestratore di fabbriche modulari in loco.

Abbracciando la robotica e la produzione adattiva, l’industria delle costruzioni non si limita a fronteggiare sfide croniche – dalla carenza di competenze alla stagnazione della produttività, fino all’impatto ambientale – ma si apre a un nuovo paradigma industriale, in cui creatività, efficienza e sostenibilità diventano aspetti inscindibili.

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