“In de toekomst kunnen we robots gebruiken om zware bouwwerkzaamheden uit te voeren”, vertelt de uit China afkomstige promovendus die zijn masterdiploma in civiele techniek aan de California State University in de Verenigde Staten haalde. De bouwindustrie zou enorm kunnen profiteren van bouwrobots die sneller, veiliger, goedkoper en duurzamer dan mensen werken, maar dit potentieel wordt nu nog te weinig benut. “Robots worden al veel ingezet in de prefabricage, maar op de bouwplaats kom je ze doorgaans nog nauwelijks tegen”, aldus Zhu.

Dynamische omgeving

“Er zijn verschillende factoren die de robotisering in de bouw belemmeren”, vervolgt hij. Zo is het feit dat de bouwindustrie als een van de oudste industrieën ter wereld vrij traditioneel en star is. “Terwijl andere industriële takken zich in razendsnel tempo ontwikkelen en de nieuwste technologieën inzetten, is de bouwindustrie nog steeds veelal afhankelijk van fysiek werk en worden de maakprocessen en het management nog maar weinig gedigitaliseerd en geautomatiseerd”, stelt hij. Dat vormt een obstakel bij de invoering van innovaties.

“Wat ook meespeelt is het budget, want robots zijn erg duur”, vervolgt hij. De aanschaf van robots vereist een grote investering die zich op korte termijn niet terugbetaalt. “Een andere reden waarom bouwrobots nog niet meedraaien op de bouwplaats, is dat de bouwomgeving erg ingewikkeld is, in tegenstelling tot een statische productiefabriek”, legt Zhu uit. “Je kunt geen lopende band bouwen voor bouwwerkzaamheden omdat het bouwproces erg dynamisch is.” Het integreren van robots in zo'n dynamische omgeving, het toewijzen van taken en het beheren van het hele proces is een grote uitdaging. “Mensen hebben taal en kunnen allerlei informatie verwerken, maar robots niet. Goede digitale planning en management is nodig om gerobotiseerde bouw in goede banen te leiden.”

Simulatieplatform

Om veel van de obstakels uit de weg te ruimen, is er een simulatieomgeving nodig, speciaal ontwikkeld voor de behoeften van de bouwindustrie, zo redeneerde Zhu vier jaar geleden toen hij zijn promotieonderzoek aan de TU/e startte. “Als een bedrijf of universiteit onderzoek wil doen naar gerobotiseerde bouw, kopen ze meestal bouwrobots en gaan ze daarmee experimenteren, wat erg duur is. Maar als we een goed simulatieplatform hebben, dan kun je zonder echte robots, enkel met gebruik van een computer gerobotiseerde bouw verder bestuderen en kijken wat wel en wat niet werkt. Zo kun je de robotisering verder optimaliseren en specifieke uitdagingen oplossen zonder dat het veel geld hoeft te kosten, en op die manier ook zorgen dat de integratie van echte robots op de bouwplaats eerder en sneller een succes wordt.”

Zhu ontwikkelde zo'n simulatieomgeving en maakte daarbij gebruik van BIM (Building Information Model, in het Nederlands ook wel ‘bouwwerkinformatiemodel’ genoemd). BIM is een digitaal model van een bestaand of gepland bouwwerk, opgebouwd uit objecten waaraan informatie is gekoppeld. Het is dus niet slechts een 3D-model van een bouwwerk, maar een uitgebreid datamodel dat gedetailleerde informatie over de bouwcomponenten bevat, zoals het materiaal, de dikte of de prijs. Hiermee is het een handige tool die architecten en ingenieurs in staat stelt om bouwprojecten efficiënt te beheren. Daarnaast is het volgens Zhu een belangrijke component van digitale transformatie in de bouw, omdat BIM geïntegreerd kan worden met andere systemen. Zo heeft BIM ook een cruciale rol gespeeld bij het ontwikkelen van het simulatieplatform.

“We kunnen alle informatie over het bouwwerk uit BIM halen en in de simulatieomgevingen zetten, net als de robots. Zo kunnen we de bouwomgeving exact nabootsen. We kunnen de robots dus eerst laten bouwen in de simulatieomgeving en de resultaten zien, zonder echte robots te kopen”, legt hij uit. Zhu klapt zijn laptop open en laat een simulatievideo zien waarin een robot een component oppikt en op de juiste plaats zet (zie de video hieronder). “Zoals je ziet, krijg je een echte visuele weergave van wat er gebeurt als je de robot een taak geeft.”

Betere robots ontwerpen

Door het gedrag van robots in specifieke omgevingen te simuleren, kun je efficiënter en goedkoper betere robots ontwerpen, stelt Zhu. Robotsimulatie wordt al veel gebruikt, merkt hij op, maar meestal wordt dan alleen gekeken naar de prestaties van de robot en niet naar de interactie met de omgeving. In de simulatieomgeving die Zhu ontwikkeld heeft worden twee cruciale dingen samengevoegd: de robots en de bouwomgeving.

Met simulatie-experimenten kan de interactiedynamiek tussen de robots en de omgeving onderzocht worden, nog voordat echte robots worden gemaakt. “Je kunt kijken naar de prestaties van de robots in verschillende scenario’s en op basis daarvan de robots verder redesignen en weer uittesten in de simulatieomgeving, totdat alles volgens de simulatie goed werkt. De volgende stap is om echte robots te gaan maken, met betere prestaties dan wanneer je deze simulatie-experimenten niet had gedaan”, legt hij uit.

Open source

De simulatieomgeving is niet alleen generiek en flexibel genoeg waardoor het goed te gebruiken is voor alle soorten componenten en robots; de software is ook opensource, zodat iedereen er gebruik van kan maken. “Voor gerobotiseerde bouw bestaan er al simulatieomgevingen, zoals RhinoRobot, maar daar heb je een licentie voor nodig. Daarnaast beperkt dat programma zich enkel tot bestaande robots, dus kun je ze niet redesignen en de aangepaste robots in de simulatieomgeving uittesten.” Er is recentelijk veel theoretisch onderzoek gedaan, maar het simulatieplatform is een goed toepasbare tool die robotisering in de bouw in een stroomversnelling zou kunnen brengen.

Zal je als bouwvakker dan binnenkort robots als ‘collega’s’ hebben? Zhu denkt van niet, omdat hij gelooft dat robots in de toekomst de mens volledig gaan vervangen op de bouwplaats. “De bouwomgeving is gevaarlijk en er is veel luchtvervuiling, dus ik denk dat het alleen maar winst is als er geen mensen aan te pas hoeven te komen.” Hij gaat nog even verder met dromen over de toekomst. “Als de mensheid in de toekomst op de maan of Mars gaat bouwen, dan zou je daar ook heel goed robots voor kunnen gebruiken, zodat je daar geen mensen naartoe hoeft te sturen.” Maar toch nog even terug naar de aarde. Als Zhu heel optimistisch is, dan zouden robots al over twintig of dertig jaar mensen kunnen vervangen. Maar eerst moet er nog meer onderzoek komen en dienen er experimenten uitgevoerd te worden, waar zijn platform uitstekend bij kan helpen.