Flugroboter DroneHub an der Empa für autonome Roboter

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Flugroboter, die in der Lage sind, Gebäudehüllen zu inspizieren und zu reparieren, mit natürlichen Ökosystemen zu interagieren sowie den Klimawandel und die Artenvielfalt zu überwachen: Im neu eröffneten «DroneHub» im NEST der Empa werden künftig solche Drohnen und Roboter entwickelt und getestet.

Die Welt steht vor grossen ökologischen Herausforderungen, die komplexe Anforderungen an die Infrastruktur und an natürliche Ökosysteme stellen. Zur Bewältigung dieser Probleme werden praxisnahe Lösungen benötigt, die bereits validiert sind und regelmässig überprüft werden. Die Robotik kann hierbei eine entscheidende Rolle spielen. Der neue «DroneHub» im Forschungs- und Innovationsgebäude NEST der Empa bietet eine einzigartige Umgebung, in der Forschende neuartige Drohnen und Robotertechnologien testen und weiterentwickeln können. Diese sollen in der Lage sein, sich autonom in der freien Natur zu bewegen, vielfältige Daten zu sammeln und in der bebauten Umwelt allfällige Schäden zu erkennen und selbständig zu reparieren.

Die in Zusammenarbeit mit dem Imperial College London entwickelte NEST-Unit wird geleitet von Mirko Kovac, der die Imperial-Empa-Partnerschaft 2019 als Professor für «Aerial Robotics» am Imperial College und als Direktor des «Imperial Centre of Excellence in Infrastructure Robotics Ecosystems» ins Leben gerufen hat. In Zukunft wird der «DroneHub» die neue gemeinsame Professur von Kovac für «Sustainability Robotics» zwischen Empa und EPFL unterstützen und eine Schlüsseleinrichtung für die weitere Partnerschaft mit dem Imperial College London sein. «Die Eröffnung dieser neuen NEST-Unit ist nicht nur ein bedeutender Meilenstein in der Drohnenforschung, sondern auch ein Beweis für die Bedeutung von Forschungskooperationen, wie die Partnerschaft zwischen der Empa und dem Imperial College London, die wir im Rahmen der Eröffnungsfeier offiziell verlängern werden», sagt Empa-Direktorin Tanja Zimmermann. Der «DroneHub» wurde so konzipiert, dass er eine Vielzahl flexibler Testumgebungen bietet, welche die Validierung von lebensechten Robotern für die Reparatur von Infrastrukturen, die Umweltüberwachung und das autonome Ökosystemmanagement ermöglichen.

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Flugroboter heben ab – über Infrastruktur und Natur

«Diese nächste Generation von Drohnen könnte sowohl die Themen Wartungs-, Inspektions- und Reparaturarbeiten in der gebauten Umwelt völlig neu definieren als auch kritische Aufgaben beim Schutz der biologischen Vielfalt und bei der Abschwächung des Klimawandels übernehmen. Gleichzeitig können wir so das Risiko für den Menschen und die Betriebskosten senken», ist Mirko Kovac überzeugt. «Unsere Vision ist es, Drohnen zu befähigen, als eine Art Immunsystem für die Umwelt zu agieren, also eines, das in der Lage ist, hochpräzise Aufgaben wie die Reparatur von Schäden an Bauwerken oder in der Umweltsanierung autonom durchzuführen.»

Der «DroneHub» zeichnet sich durch drei innovative Elemente aus: einen vertikalen Bereich für die additive Fertigung aus der Luft, an der die Reparaturfähigkeiten von Drohnen an Infrastrukturen getestet werden; eine Biosphäre für die ökologische Langzeitforschung und eine Gebäudefassade, an der getestet wird, wie Drohnen in unsere Gebäude integriert werden können, um als dessen Immunsystem zu fungieren.

Innovationen aus der Luft beflügeln den Bausektor

Der vertikale, offene Bereich des neuen «DroneHub» ermöglicht einen faszinierenden Einblick in die Zukunft der additiven Fertigung aus der Luft. Im Zentrum steht eine Wand mit austauschbaren Oberflächenelementen, an denen Drohnen Reparaturarbeiten mit modernster 3D-Drucktechnologie direkt aus der Luft ausführen können. Gleichzeitig erlaubt der Aufbau eine präzise Analyse und Optimierung der eingesetzten Druckverfahren. Ein besonderes Merkmal: Dieser Bereich befindet sich im Freien innerhalb einer Gebäudestruktur. Diese einzigartige Konstellation erlaubt es, die Leistungsfähigkeit der Drohnensysteme unter realen Bedingungen wie Wind, Wetter und den daraus entstehenden Turbulenzen zu testen. Die Drohnen können dabei in verschiedenen Höhen und Abständen zur Oberfläche arbeiten – ein entscheidender Schritt, um ihre Funktionalität und Zuverlässigkeit in realitätsnahen Szenarien zu validieren.

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Von der Natur – für die Natur

Die Biosphäre im «DroneHub» – ebenfalls im Freien – ermöglicht es den Robotern, selbständig mit der Natur zu interagieren und gleichzeitig neue biologisch abbaubare Materialien zu testen. Die neuartigen, von der Natur inspirierten Roboter können Hindernissen ausweichen, auf Bäume klettern oder am Stamm andocken, um mit Hilfe fortschrittlicher Sensoren wichtige Daten aus der Natur zu sammeln. Was die Biosphäre im NEST wirklich innovativ macht, ist ihr Fokus auf Roboter aus biologisch abbaubaren Materialien, die daraufhin getestet werden, wie sie sich im Laufe der Zeit zersetzen. So wird sichergestellt, dass diese Roboter nach Erfüllung ihrer Aufgaben die Umwelt nicht belasten. Darüber hinaus wird ein Teil der Biosphäre als Gewächshaus genutzt, um Bio-Hybrid-Roboter zu züchten – Roboter, die lebende Pflanzen oder andere organische Materialien mit Robotertechnik kombinieren, um neue Synergien zwischen Technologie und Natur zu erforschen.

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Ein Immunsystem für die gebaute und natürliche Umwelt

Die Fassade des «DroneHub» zeigt, wie die Roboter in Gebäude integriert werden können und dabei als eine Art Immunsystem agieren. Sie erfassen autonom Daten, interagieren mit der Gebäudestruktur und den Menschen und tragen so zur Sicherheit und Effizienz zukünftiger Bauwerke bei. Die modular aufgebaute Fassade erlaubt den Austausch von Komponenten und schafft Raum für neue Innovationen, die das Zusammenspiel von Robotern, Gebäuden und deren Bewohnern optimieren.

Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Gefahrenabwehr, bei der Drohnen, wie etwa Feuerdrohnen, bei einem Brand, kritische Aufgaben übernehmen können, die für Menschen zu riskant sind. So entwickeln die Forscher Technologien, die Drohnen und Roboter befähigen, eng mit Menschen zusammenzuarbeiten und das tägliche Leben sicherer, effizienter und nachhaltiger zu gestalten. Ziel ist es, nicht nur funktionale, sondern auch anpassungsfähige Roboter zu entwickeln, die unsere Lebensweise verbessern und eine engere Verbindung zwischen Technologie und Alltag schaffen.

Der «DroneHub» spielt eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung nachhaltiger Robotik-Systeme, die im Einklang mit der Natur arbeiten. Durch Tests in dynamischen Umgebungen, die reale Ökosysteme und Infrastrukturen simulieren, revolutioniert der «DroneHub» das Verständnis für autonome, umweltfreundliche Technologien. Diese neuen Technologien können einen direkten Beitrag zur Erreichung der globalen Nachhaltigkeitsziele leisten und bieten innovative Lösungen für drängende ökologische Herausforderungen.

Beteiligte Forschungs- und Umsetzungspartner sind Empa, Imperial College London, EPFL, ROK und Geobrugg.

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