Blog

May 27, 2023

Innovation am Arbeitsplatz: Neue Wohnansätze könnten zu effizienteren Häusern führen • Nachrichtendienst • Iowa State University

Gepostet am 11. April 2023, 9:05 Uhr Shelby Doyle, außerordentlicher Professor für Architektur und Stan G. Thurston-Professor für Design Build, im Architectural Robotics Lab der ISU Student Innovation

Gepostet am 11. April 2023 um 9:05 Uhr

Shelby Doyle, außerordentlicher Professor für Architektur und Stan G. Thurston-Professor für Design Build, im Architectural Robotics Lab des ISU Student Innovation Center. Größeres Bild. (Christopher Gannon/Iowa State University)

Von Fred Love, Nachrichtendienst

AMES, Iowa – Shelby Doyle schaltet ein Licht in einem abgedunkelten Raum im glänzenden Student Innovation Center der Iowa State University ein, einer Kathedrale der Kreativität, in der Cyclones alles entwerfen und bauen kann, von originellen Videospielen bis hin zu Solarautos.

Das Licht zeigt ein Paar orangefarbener Roboterarme, die an einem riesigen Tisch im hinteren Teil des Architectural Robotics Laboratory angebracht sind. Die Roboter helfen Doyle, einem außerordentlichen Professor für Architektur und Stan G. Thurston-Professor für Design Build, bei der Erforschung, wie Automatisierung dazu beitragen kann, den Hausbau sicherer und effizienter zu machen. Sie bringen ISU-Studenten auch bei, wie sie mit modernster Technologie umgehen können, eine Fähigkeit, die ihnen im Laufe ihrer Karriere sicher von Nutzen sein wird.

„Digitale Technologien verändern sich sehr schnell“, sagte Doyle. „Ich kann den Schülern nicht alles beibringen, was sie im Laufe ihrer Karriere wissen müssen, weil sie auf Technologien stoßen, die es noch nicht gibt. Was ich in einem Labor wie diesem tun kann, ist, den Studierenden eine Einstellung und eine Reihe von Fähigkeiten zu vermitteln, wie sie als Designer an neue Technologien herangehen können.“

Die Roboterarme und die mit ihnen im ISU-Labor geleistete Arbeit könnten ein Licht auf eine Zukunft werfen, in der Roboter auf Baustellen eine wichtige Rolle spielen. Tatsächlich erfinden, erforschen und perfektionieren innovative Köpfe auf dem gesamten ISU-Campus neue Anwendungen für neue Technologien, die die Art und Weise, wie Häuser gebaut und gewartet werden, verändern könnten.

Doyle sagte, Roboter würden in naher Zukunft keine Häuser mehr alleine bauen. Aber sie können Unterstützung bei sich wiederholenden oder gefährlichen Arbeiten bieten, die traditionell intensive menschliche Arbeit erfordern. Sie könnten beispielsweise große Platten heben und bewegen oder Bewehrungsstäbe binden und Ziegel stapeln.

„Ich denke, dass die Zukunft von Robotern im Baugewerbe nicht darin besteht, menschliche Arbeitskraft zu ersetzen; Es geht darum, Dinge zu erweitern, die wir bereits tun“, sagte Doyle.

Das liegt daran, dass Baustellen oft so dynamische Umgebungen sind, dass es schwierig ist, viele Aufgaben zu automatisieren. Stellen Sie sich eine typische Fabrikhalle vor, in der Roboter so gebaut und programmiert werden können, dass sie auf einer ebenen Fläche bei kontrollierten Temperaturen Tausende und Abertausende Male dieselbe Aufgabe auf dieselbe Weise am selben Ort ausführen. Vergleichen Sie das nun mit einer Baustelle, auf der häufig auf unebenem Gelände und bei wechselnden Wetterbedingungen gearbeitet wird. All diese Variablen erschweren den Einsatz von Robotik. Doyle sagte, maschinelles Lernen könne dazu führen, dass Roboter sich besser an die sich ständig ändernden Bedingungen auf Baustellen anpassen könnten. Aber die Entwicklung und Integration einer solch hochentwickelten Technologie wird Zeit brauchen.

In der Zwischenzeit, so Doyle, seien Roboter vielversprechend, da sie in der Lage seien, 3D-Drucker zu bedienen, die Beton nach präzisen Spezifikationen formen könnten. Doyles Forschung zielt darauf ab, eine der größten Herausforderungen anzugehen, die derzeit den Einsatz des 3D-Drucks im Bauwesen behindern: die Kombination des Druckens mit anderen Bausystemen und die Reduzierung des CO2-Fußabdrucks von Baumaterialien wie Beton.

Doyle arbeitet zusammen mit Pete Evans, einem Assistenzprofessor für Industriedesign, und anderen Dozenten und Mitarbeitern der ISU am 3D Affordable Innovative Technologies Housing Project. Das Projekt beinhaltet eine Zusammenarbeit zwischen Iowa State, dem Iowa Central Community College und dem privaten Bauunternehmen Brunow Contracting, um dem Mangel an bezahlbarem Wohnraum in ländlichen Gemeinden zu begegnen. Das Projekt begann im Jahr 2022 und erhielt einen Zuschuss von 2,1 Millionen US-Dollar von der Iowa Economic Development Authority.

Das Projekt wird ein Ausbildungsgelände für Studenten und Fachleute der Baubranche schaffen, um am Iowa Central Community College in Fort Dodge Erfahrungen mit neuen Technologien zu sammeln. Dazu gehört auch die Möglichkeit, auf einer nahegelegenen Baustelle zu experimentieren und Best Practices zu etablieren. Evans beschreibt die Einrichtungen in Fort Dodge als „Heimatbasis“, wo Studenten, Lehrkräfte und Baufachleute unterrichten, trainieren und neue Ideen testen können.

Diese Arbeit sei aufgrund der vielen unbeantworteten Fragen rund um den Einsatz von Robotik und 3D-Druck im Bauwesen dringend notwendig, sagte Evans. Beim 3D-Druck beispielsweise handelt es sich um eine Praxis, bei der computergesteuerte Maschinen Materialien Schicht für Schicht formen, um genauen Spezifikationen zu entsprechen. Evans und seine Kollegen untersuchen, ob industrietaugliche 3D-Drucker Betonstrukturen formen können, die mit anderen fortschrittlichen Baumaterialien und -methoden kombiniert werden könnten, um Häuser effizienter zu bauen. In diesem Frühjahr bauen Evans und seine Kollegen einen 3D-Konstruktionsdrucker zusammen, der digitale modellbasierte Betonstrukturen aufbringen kann. Der riesige Drucker wird 41 Fuß mal 40 Fuß groß sein, aber sein modularer Aufbau ermöglicht es, ihn zusammenzupacken und von einer Baustelle zur anderen zu transportieren.

Die Hoffnung besteht darin, dass Robotik und 3D-Druck zu einer höheren Effizienz im Hausbau führen können, so wie es die Robotik in der Fertigung und anderen Branchen getan hat. Aber es ist noch nicht da.

„Neue Technologie ist kein Allheilmittel“, sagte Evans. „Es muss durch viele iterative Implementierungen reifen, um bestehende Prozesse weiterentwickeln zu können.“

Zu den größten Herausforderungen, mit denen diese Technologien konfrontiert werden, wenn sie ausgereift sind, gehört die Aktualisierung der Bauvorschriften, um ihre Verwendung zu ermöglichen, sagte Evans. Aktuelle Bauvorschriften berücksichtigen nicht den Einsatz von Robotern und die experimentellen Materialien, die Evans und Doyle untersuchen.

Eine weitere große Frage, mit der sich Evans‘ Gruppe beschäftigt, ist, wie die Art des Betons für die Verwendung mit 3D-Druckern optimiert werden kann. Da der Beton durch die Düse der Maschine gepumpt wird, unterscheidet sich die Mischung von herkömmlichem Beton, der normalerweise aus Zement, Sand und Wasser besteht, gemischt mit einem Zuschlagstoff wie Kies, um ihn fester zu machen. Evans und seine Kollegen untersuchen Problemumgehungen wie recycelte Materialien, Kunststoffe und Biomaterialien für eine nachhaltigere Mischung.

Typischerweise wird Beton auch mit Stahl und anderen Materialien verstärkt, um die Zugfestigkeit zu erhöhen. Auf einer modernen Baustelle bauen Arbeiter Stahl in Schalungen und gießen dann Beton in die Schalung. Beim 3D-Druck funktioniert dieser Ansatz jedoch nicht. Um eine Lösung zu finden, testet Doyle verschiedene Methoden, beispielsweise den gemeinsamen Einsatz zweier Drucker, um Beton und Bewehrung zu kombinieren.

Zu Beginn dieses Semesters verbrachten Doyle und eine Gruppe von Studenten zwei Wochen in Boston im Autodesk Technology Center, einem High-Tech-Fertigungsunternehmen. Sie untersuchten die additive Fertigung von Bewehrungen zur Reduzierung von Wärmebrücken und zur Verstärkung von Betonwänden, die mit 3D-Druckern hergestellt wurden. Doyle sagte, dass diese Art von Gelegenheit und die Möglichkeit, praktische Erfahrungen im Architectural Robotics Laboratory zu sammeln, die Studenten darauf vorbereiten, sich an die sich ständig ändernde Technologie in der Architekturwelt anzupassen.

Technologie könnte auch für Gemeinden, die Feedback von Bürgern einholen oder sich für eine stärkere Einbindung der Gemeinschaft einsetzen, von entscheidender Bedeutung sein. Alenka Poplin, eine außerordentliche Professorin, die Geoinformationswissenschaft in der Abteilung für Gemeinde- und Regionalplanung lehrt, räumt ein, dass es schwierig sein kann, vielbeschäftigte Menschen davon zu überzeugen, ihre Zeit der Verbesserung von Radwegen oder der Energieeffizienz in ihren Gemeinden zu widmen. Aber was wäre, wenn Sie einen Weg finden könnten, diesen Prozess unterhaltsam zu gestalten?

Poplin leitet einen Kurs für intelligente und nachhaltige Städte, in dem Studierende den Nutzen von Videospielen, Online-Plattformen und sogar gemeinschaftlichen Kunst- und Handwerksprojekten erkunden, um öffentliche Beiträge zu fördern. Die Studenten arbeiten auch direkt mit der Stadt Ames zusammen, um spielerische Engagement-Strategien umzusetzen und Stadtbeamten dabei zu helfen, wertvolle Erkenntnisse von den Bewohnern zu gewinnen, die als Grundlage für wichtige Entscheidungen bei der Gemeindeplanung dienen können.

Das Einladen öffentlicher Kommentare bei Stadtratssitzungen ist eine bewährte Methode zum Sammeln dieser Art von Informationen, aber Poplin sagte, dass diese traditionellen Methoden möglicherweise einige Teile der Gemeinschaft, insbesondere Randgruppen, außer Acht lassen.

Aber was wäre, wenn Sie das Projekt spielerisch gestalten könnten? Was wäre, wenn die Stadt den Bewohnern eine Online-Plattform anbieten würde, auf der sie Gebäude per Drag-and-Drop in eine virtuelle Landschaft ziehen können, um den Stadtbeamten zu zeigen, was sie auf einem geplanten Marktplatz sehen möchten? Und was wäre, wenn die Bewohner sehen könnten, was andere Community-Mitglieder sich einfallen lassen, und Kommentare dazu hinterlassen könnten, was ihnen gefällt oder nicht gefällt?

Der Geogames-Ansatz kann eine neue Art von Beziehung zwischen Bewohnern und Stadtplanern aufbauen und neue Perspektiven bieten, wenn Städte über Bau, Radwege, Gehfähigkeit, Internetzugang und eine ganze Reihe anderer Themen nachdenken.

„Das geht über die Daten und den technischen Gesichtspunkt hinaus“, sagte Poplin. „Diese Arbeit soll den menschlichen Standpunkt, die Erfahrungen der Bewohner und die Erfahrungen, die sie gerne hätten, vermitteln.“

Geospiele können den Bewohnern auch dabei helfen, komplexe Themen und Kompromisse wie Energieeffizienz besser zu verstehen, sagte Poplin. Sie hat an einem Prototypenspiel gearbeitet, das es Spielern ermöglicht, verschiedene Bautechniken anzuwenden, um zu sehen, wie sie sich auf die Energieeffizienz eines Gebäudes auswirken. Könnte eine Geogames-App, die simuliert, wie Sie Ihre Stromrechnung optimieren können, zum nächsten Candy Crush werden? Das ist nur eine der Fragen, die Poplin in ihrer Forschung stellt.

„Wenn Sie mit Bus oder Bahn fahren, können Sie sehen, wie Menschen auf ihren Handheld-Geräten in Spiele vertieft sind“, sagte sie. „Können wir dieses Spielerlebnis nutzen, daraus lernen und es im Community-Engagement-Prozess anwenden, damit die Leute Spaß daran haben, sich mit diesen Themen auseinanderzusetzen?“

Ulrike Passe, Professorin für Architektur, entdeckt die Vorteile von Designmethoden aus der Zeit vor der Elektrizitätswirtschaft wieder, die in den USA im 20. Jahrhundert fast verschwunden waren – und nutzt die neuesten Technologien, um diese Prinzipien weiterzuentwickeln als je zuvor.

„Vor der Elektrifizierung und bevor mechanische Systeme Teil von Häusern waren, gab es nur eine Möglichkeit, ein Gebäude zu kühlen, nämlich die räumliche Zusammensetzung und Kühlboxen“, sagte Passe. „Diese Strategien sind in den letzten 80 Jahren verloren gegangen.“

Unter räumlicher Komposition versteht man, wie ein Gebäude angelegt ist und wie es mit seiner Umgebung interagiert. Beispielsweise können Landschaft, Vegetation und Wetterbedingungen eine Rolle dabei spielen, wie Schatten und natürliche Luftzirkulation ein Bauwerk kühlen und belüften können. Diese Elemente verloren an Bedeutung, als überall verfügbarer billiger Strom die Klimaanlage zu einem festen Bestandteil der Gebäudeplanung und -konstruktion machte.

„In der Neuzeit entwerfen wir Gebäude jeder Form ohne Verbindung zur Umgebung des Gebäudes“, sagte Passe. „Aber in den letzten 20 Jahren hat die natürliche Belüftung als Mittel zur Reduzierung des Energieverbrauchs im Wohnungsbau und den meisten anderen Gebäudetypen wieder an Bedeutung gewonnen.“

Dieses Wiederaufleben des Interesses sei größtenteils auf den Klimawandel zurückzuführen, sagte sie. Immer mehr Hausbesitzer legen Wert auf Energieeffizienz, um Geld zu sparen und ihren CO2-Fußabdruck zu verringern. Sie suchen auch nach Möglichkeiten, sich an die immer häufiger auftretenden Störungen des Stromnetzes aufgrund von Naturkatastrophen anzupassen. Häuser, die nach Prinzipien der räumlichen Zusammensetzung entworfen wurden, wären in Notfällen, wie dem Derecho im Jahr 2020, der viele Iowaner tagelang ohne Strom zurückließ, komfortabler zum Leben.

Passe sagte, dass die Platzierung von Balkonen, Veranden und Innenfluren Einfluss darauf haben kann, wie die Luft auf natürliche Weise durch ein Gebäude strömt. Auch die Wahl der Baumaterialien ist von entscheidender Bedeutung.

Um diese Prinzipien zu maximieren, führen Passe und ihre Mitarbeiter Experimente durch und entwickeln neue Technologien zur Unterstützung von Architekten. Zum Forschungsteam gehören Baskar Ganapathysubramanian, Professor für Maschinenbau; Alberto Passalacqua, außerordentlicher Professor für Maschinenbau; Janette Thompson, Morrill-Professorin für Ökologie und Management natürlicher Ressourcen; Yuyu Zhou, außerordentlicher Professor für Geologie und Atmosphärenwissenschaften; und Michael Dorneich, Professor für Industrie- und Fertigungssystemtechnik.

Im Jahr 2009 nahm das Team am Solar Decathlon des US-Energieministeriums teil, einem Hochschulwettbewerb zum Entwurf und Bau leistungsstarker, kohlenstoffarmer Gebäude, die den Klimawandel eindämmen. Die ISU-Forscher schufen das Interlock House im Honey Creek Resort State Park in Moravia, Iowa. Die mit einem schrägen, mit Solarpaneelen bedeckten Dach errichtete Struktur nutzt ein passives Solardesign und eine natürliche Belüftung, um die Temperatur zu regulieren und gleichzeitig weniger Strom für die Kühlung zu benötigen. Es arbeitet nahezu bei Netto-Null, was bedeutet, dass es fast so viel saubere Energie produziert, wie es verbraucht.

Das Forschungsteam sammelte fast ein Jahrzehnt lang Daten zum Energieverbrauch des Gebäudes. Dazu gehört eine Reihe von Sensoren, die kartierten, wie Luft und Sonnenlicht durch die Struktur strömen, und Passe mit einer Fülle von Informationen versorgten, die sie bei ihrer zukünftigen Arbeit leiten sollte.

In jüngerer Zeit leitet Passe ein multiinstitutionelles Forschungsteam, das eine App entwickelt, um vor extremen Hitzekatastrophen im Voraus zu warnen. Die Forscher erhielten Anfang des Jahres von der National Science Foundation einen Zuschuss in Höhe von 1,2 Millionen US-Dollar, um Daten zu sammeln und das automatisierte Hitzewarnsystem für anfällige Stadtteile von Des Moines zu entwickeln.

Die Studienteilnehmer werden im heißesten Teil ihres Hauses einen Sensor installieren, der Temperatur und Luftstrom überwacht. Algorithmen des maschinellen Lernens werden die während des Projekts gesammelten Daten sichten und die Physik von Temperaturunterschieden und Luftströmungen berücksichtigen. Als nächstes werden die Forscher eine App entwerfen, die es den Bewohnern ermöglicht, spezifische Daten für ihre Wohnumgebung einzugeben und dann personalisierte Warnungen vor möglicher gefährlicher Hitze zu erhalten.

Die Kombination von vorelektrischen Bauprinzipien mit der neuesten Technologie und den neuesten Materialien könnte die Art und Weise, wie Häuser gebaut werden, für die kommenden Jahrzehnte verändern.

„Es ist nur eine Denkweise, die sich ein wenig ändern muss“, sagte Passe. „Wenn man sechs Monate lang aktiv Luft durch ein Gebäude drückt, werden viele CO2-Emissionen eingespart.“

Innovation at Work ist eine Reihe von Geschichten, Fotos und Videos, die die gemeinsamen Bemühungen von Forschern des Staates Iowa zur Entwicklung innovativer Lösungen, Produkte und Technologien hervorheben. Besuchen Sie die Story-Galerie von Innovation At Work und lesen Sie die anderen Einträge der Serie 2023:

Innovative Köpfe auf dem Campus der Iowa State University erfinden, erforschen und perfektionieren neue Anwendungen für neue Technologien, die die Art und Weise, wie Häuser gebaut und gewartet werden, verändern könnten. 3D-Konstruktionsdrucker, Robotik und Geospiele sind nur einige der High-Tech-Möglichkeiten, die derzeit entwickelt werden, um Wohnen und Bauen zu verbessern.

Pete Evans, Assistenzprofessor für Industriedesign, baut in Fort Dodge einen riesigen 3D-Konstruktionsdrucker zusammen. Größeres Bild. (Christopher Gannon/Iowa State University)