機械が壁の建設を手伝うことがなぜそんなに難しいのでしょうか?これは人類の100年にわたる闘争の歴史である

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建築の問題を研究すると、ほぼすべての「新しい」アイデアが、おそらく何十年も前に何度も試みられていることがわかります。機械に壁の建設を手伝わせるのもその一つです。

言うまでもなく、石造建築は機械化に非常に適しているため、このアイデアは非常に魅力的でした。これは反復的な作業です。石造建築物を建てるには、何千ものレンガを積む必要があり、それぞれのレンガはほぼ同じで、同じように組み合わされます。この工程は、それほど体力を必要としないようです。各レンガにモルタルの層を塗り、次に次のレンガの隣に置きます。すべてのレンガとモルタルの継ぎ目は同じサイズなので、レンガの配置はほぼ確実です。

それに加えて、壁の建設は最も骨の折れる建設作業の一つであり、作業員は重い物を絶えず動かしながら何時間も働く必要があります。

これらの観点から見ると、このタスクは機械に自然に適合しているように見えます。そして人々は100年以上もこのことに取り組んできました。

初期の試み

機械で壁を建設する最初の試みは、19 世紀後半から 20 世紀初頭にまで遡ります。関連する特許は 1899 年、1904 年、1924 年に見つかりますが、申請者は同一人物ではありません。機械は壁に沿って移動し、移動しながらモルタルを塗布し、レンガを積み上げていくことになっている。しかし、周囲の環境を感知したり、レンガを配置する位置を測ったりすることはできず、代わりに機械的にモルタルの層を押し出し、一定の距離を置いて機械的にレンガを配置します。

ジョン・トンプソンの 1904 年製レンガ積み機械。

これらの発明のうち実際にどれだけが作られたかは分かりませんが、ジョン・ナイトという名の発明家は機械を作っただけでなく、現在も残っている壁も作りました。

その後数十年にわたって、同じ概念が何度も登場しました。その中には、1960 年代や 1970 年代の発明の特許もまだ残っています。下の 2 枚の写真は、1960 年代のモーター メイソンのレンガ職人ですが、見た目は 20 世紀初頭のものとほとんど変わりません。これらのマシンは基本的にまだデモ段階にあり、商用利用には至っていません。

1980年代と1990年代

1980 年代後半から 1990 年代前半にかけて、壁の建設を機械化する試みはロボットアームに変わりました。これまでの壁建設機械は純粋に機械的なものでしたが、これらのロボットアームには情報処理コンポーネントが搭載されています。そこで、1 つの動作を何度も繰り返すのではなく、自由度の高いロボット アームとセンサーおよび制御システムを組み合わせて、レンガを「見て」配置場所を決定し、持ち上げて配置します。

しばらくの間、この方向は学界で完全なサブフィールドになりました。その結果として、1988 年の Slocum、1989 年の Lehiten、1996 年の Rihani、1993 年の Altobelli、1996 年の Pritschow、および SMAS や ROCCO などのシステムがあります。

ROCCO システムの概略図。

しかし、それだけの努力を払ったにもかかわらず、結果はあまり成功しませんでした。ほとんどのマシンは紙に書かれたレベルに達しておらず、プロトタイプのレベルに達したのはほんのわずかでした。ある研究者は、汎用建設ロボットは近い将来には不可能だとさえ断言した。しかし、生産現場で活用できる例もあります。Multistone 8000 というシステムは、工場のような環境で壁を建設できますが、人間の助けも必要です。

現在の試み

近年、先進国では建築技術としての石積みの重要性が低下し、自動化への関心が高まっています。ここでは 3D プリントについてではなく、他のさまざまな技術的探求についてお話します。

これらの中で最も先進的なのは、Fastbrick Robotics 社が構築した Hadrian システムです。ハドリアンは、トラックに取り付けられた中空のブーム（コンクリートポンプ車のようなもの）を介してブロックを輸送します。レンガがブームの端に触れると、従来のモルタルではなく工業用接着剤が吹き付けられます。ロボットアームがそれをつかみ、正しい位置に配置します。

このブームがカバーするエリアは非常に広く、ベースには動きを制御するための車両も配置されています。このように、Hadrian は、以前のバージョンよりも制限が少なくなっています。狭い廊下や複雑な角にレンガを配置したり、数回の移動で小さな建物の壁をすべて構築したりできます。ハドリアンは現在、1時間あたり200個のレンガを積むことができるが、FBRの目標は1,000個以上だ。

Hadrian の開発作業は 2006 年に始まりましたが、商用サイトで使用され始めたのはごく最近のことです。これまでにオーストラリアで3～4棟の建物を建設した。

しかし、同社は2020年に大規模な人員削減を実施し、ここ数カ月で同システムを使用して建設された建物の数も減少するなど、（15年以上開発されてきたハードウェアシステムとしては驚くことではないが）困難な状況に直面しているようだ。

対照的に、Construction Robotics社が開発したSAM半自動レンガ積み機は商業化に成功し、2015年から商業プロジェクトで使用されています。 SAM は、ロボット アーム、迫撃砲ディスペンサーとコンベア ベルト、および車輪付きシャーシで構成されています。

SAM が機能すると、ロボット アームがレンガをつかみ、その上にモルタルの層を塗布し、システムに組み込まれた図面に基づいて壁の特定の場所に配置します。レンガが所定の位置に置かれると、壁を建てながら前後に動きながらこのプロセスを繰り返します (壁の両端の作業を完了するには石工が必要です)。 SAM には、プラットフォームの動きに適応し、レンガを配置するときにプラットフォームが水平であることを確認するための一連のセンサーがあります。さらに、さまざまなサイズのレンガを収容できます。壁とともに上昇する可動式足場上に設置されます。

SAM と Hadrian に加えて、さまざまな開発段階にある他の「ロボット メイソン」がいくつかあります。しかし、壁を作ることに焦点を当てたこれらの機械と比較すると、舗装機械の方が成功する可能性が高いようで、多くの企業がレンガの道路を「印刷」するサービスを提供し始めています。

メイソンのアシスタント

上で述べたさまざまなレンガ積み機械に加えて、レンガ積み職人の負担を軽減するために特別に使用される、レンガ積み職人のアシスタントと呼ばれるタイプの機械が実際に存在します。彼らの役割は通常、人々がレンガを持ち上げるのを手伝うことであり、レンガをどこにどのように配置するかを決めるのは人間の石工次第です。

このタイプの石工補助装置は、少なくとも 1994 年に米軍が実験に使用した MAMA (機械工学支援石工補助装置) システムにまで遡ることができます。トラック上のブームアームに取り付けられたグリッパーで構成されています。石工は、自分でレンガを運ぶ代わりに、グリッパーを使ってレンガを所定の位置に移動させることができます。

それ以来、Layher Balance、Rimatem、Assistance System Steinherr などの他の企業も同様のデバイスを開発してきました。上で述べたMULEもその1つです。

レイヤーバランサー。

Construction Robotics 社が開発した MULE が人的資源の解放に及ぼす効果。

おそらく、これらの石工支援システムの中で最も興味深いのは、昨年発表されたばかりの FRACO 社が開発中の外骨格です。これは軍用に開発されたモデルから派生したもので、レンガ積み作業時に石工にかかる筋肉の負担を軽減するように設計された、さまざまな受動的および能動的な持ち上げ機構を備えています。

FRACO 外骨格。

もちろん、重い物を運ぶのに役立つ機械は、それほど革命的というわけではありません。農業生産性に関する記事のコメント投稿者の 1 人は、レンガ積みの生産性における最も重要な進歩の 1 つは、レンガ積みのパレットを手動で移動する必要性をなくす伸縮式ハンドラーであると述べています。

なぜ「機械レンガ職人」はまだ大規模に実現されていないのでしょうか?

壁の建設は機械化の第一選択肢であるべきだったが、1世紀にわたる限られた成功は、特定の分野でまだいくつかの障害があることを示している。これは、機械化の難しい点を正確に定義するのに役立つため、興味深いケーススタディになります。壁を建てることと釘を打つことはなぜそんなに違うのでしょうか?後者はほぼ完全に機械化されていますが、前者はほぼ完全に手動ですか?

影響する要因はいくつか考えられます。まず、レンガは単に固体の表面に置かれるのではなく、薄いモルタルの層の上に置かれます。モルタルは水、砂、セメント材料の混合物です。非ニュートン流体には複雑な物理的特性があります。動いたり揺れたりすると、粘度が増します。このため、純粋に機械的で決定論的な方法で使用することは困難であり、モルタルは新しく混合された材料であるため、特性はバッチごとに異なります。

レンガ積み機械は常にモルタルに苦労してきました。 1980 年代後半から 1990 年代前半にかけての学術研究は、モルタルの目地を必要としないタイプの壁である乾式壁、またはより予測可能な挙動を示すモルタルの代替品に基づいていることが多かった。プリッショウは 1996 年の論文で率直にこう述べています。「モルタルの問題は解決が難しすぎる。」機械を使って良質のモルタルを塗る方法を編み出した人々でさえ、きれいなモルタル目地を作ることはまだできず、ただ塗るだけであり、作業員が後からついて行ってきれいにしなければならない。ある意味、SAM の取り組みは 50 年の歴史を持つ Motor Mason の取り組みと似ています。

モルタルのジョイントによりレンガの設置はより複雑になりますが、ネイルガンを使用すると釘に力を加えることができ、毎回かなり均一な結果を得ることができます。凸凹していても問題ありません。釘が少し曲がっていても、役割を果たします。非ニュートン流体の層の上にレンガを積み重ねるのはそれほど簡単ではなく、環境からの他のフィードバックなしに壁が水平に構築されているかどうかを判断することは困難です。人間の石工は、ロープや現場レベルの試験装置を常に使用して壁がまっすぐになっていることを確認し、必要に応じて微調整を行っていました。機械工も何らかの方法で同じ作業を行う必要があり、SAM によってこの問題はほぼ解決されたようですが、それでも時々、後ろで作業員が手伝う必要があります。

環境からのフィードバックに基づいて調整する必要があることは、釘を打つこととレンガを積むことの違いです。釘打ち機、丸鋸、その他の電動工具は、情報処理と精密作業をすべて人間に任せながら、純粋に物理的な作業を実行するという意味で、レンガ積みのアシスタントに似ています。釘打ち機は、釘をどこに打ち込むかを決定する役割を担っておらず、単に所定の位置に自ら移動し、釘を打ち込むという物理的な作業を完了するだけです。

ルーターとフライス盤の歴史は、教訓的な類似点を示しています。前者は 19 世紀後半から 20 世紀初頭にかけて開発され、プログラム制御機能は 40 年代後半から 50 年代初頭にかけて開発されました。しかし、最近になってようやくリアルタイムのフィードバックを統合できるようになり、人間の動きを自動的に補正するハンドヘルド ルーター Shaper Origin のような製品が実現しました。たとえ機械が物理的にその能力を持っていたとしても、機械が周囲の状況に堅牢に反応するようにすることは、依然として複雑な問題です。

世界初のハンドヘルド CNC マシン、Shaper Origin。

レンガ積み機械を難しくする他の問題もあります。

• レンガは大きくて重いため、それを操作するにはより大きくて高価な機械が必要になります (特に、力は加速度に比例するため、レンガを素早く操作したい場合)。
• 米国では、石積みの壁は大量の鉄筋で構築されており、単純なレンガベースの機械では処理が困難です（Hadrian のプロジェクトでは、鉄筋は手作業で設置されました）。
• リスク回避のため、請負業者にこの技術を受け入れてもらうことは困難です。

「ロボットレンガ職人」は期待する価値があるか？

これは答えるのが難しい質問です。基本的には、ロボット工学、ソフトウェア、コンピューター ビジョン、およびその他の技術 (総称して「自動化」) の進歩に依存しているようです。

困難にもかかわらず、レンガ積みは他の建設システムよりも自動化が進んでおり、市販のロボットが市場で広く入手可能な数少ないシステムの 1 つです。したがって、自動化技術の進歩は、石造建築物に最も適用できる可能性があります。自動化された石積みシステムが小型化、高速化され、コーナー処理やジョイント仕上げがより容易に行えるようになれば、非常に魅力的なシステムになり得る。

これは簡単に大きな騒動を引き起こす可能性があります。高度な自動化技術は、他の建築システム（木材、鉄鋼など）にも簡単に適用できます。

レンガは非常に重いため、レンガを扱う機械は、より軽い建築システムを扱う機械よりも常に高価になります。大きなブロックであっても、建物全体のほんの一部を構成するだけです。したがって、自動化されたレンガ積みシステムは、他の建築タイプよりも高価で生産性が低くなる可能性があります。自動化されたレンガ積みが短期間で競争力を持つようになるものの、その技術が他の建築システムにも適用できるようになるとすぐにその競争力は失われるというシナリオも考えられます。