AirTied： truss 结构的自动个人化制造

文献标题

AirTied: Automatic Personal Fabrication of Truss Structures

文献信息

• 主题领域: 人机交互，个人制造技术，充气式结构设计
• 关键词: 充气结构, 个人制造, 桁架结构, 自动化, 人机交互, 轻量设计, 软机器人, 自动化装配, 结构设计, 可重复使用材料

研究背景与问题

• 发现的问题或挑战:

  • 桁架结构被广泛用于建造大型、坚固且具材料效率的建筑，但传统方法通常需要复杂的资源和高昂的人工成本。
  • 当前的自动化桁架制造方法依赖预制建筑组件或支架，这使得制造过程变得更复杂。
  • 从个人制造的角度，现有解决方案仍需大量手动装配或结构预制组件。

• 研究的重要性:

  • 桁架结构具有广泛应用前景（如桥梁、塔楼、卫星等）。
  • 提供一种无需依赖预制组件、支架或复杂设备的个人制造设备，将降低制造成本，提升灵活性，极大地推动建筑自动化领域的发展。

• 研究动机与相关工作:

  • 作者基于早期研究（如TrussFab等）探索了将连续的充气材料运用于桁架自动化制造的可能性。
  • 针对自动化制造的局限性，提出了一种全新方法，使自动化桁架设计更为简便、轻量并高效。

解决方案

• 方法或解决方案:

  • 提出了AirTied设备，这是一种能完全自动化地制造桁架结构的装置。
  • AirTied通过展开20厘米宽的充气塑料管，并在其上创建节点，从而制造完整的桁架结构。

• 创新之处:

  1. 无需依赖预制组件或支架:
     • 通过“从零开始”制造桁架结构，杜绝架设支架和使用预制组件的需求。
  2. 高材料效率:
     • 结构本身中空且可重复使用，减少了材料浪费。
  3. 便携性:
     • 设备尺寸小，重量轻，便于个人操作使用。
  4. 支持复杂结构生成:
     • 通过自主算法，可以生成多种桁架拓扑和边长度设计。

• 实施步骤与关键技术:

  1. 编解码过程:
     • 用户通过专属编辑软件设计结构，软件将设计导出为设备执行指令。
  2. 制造过程:
     • AirTied展开材料管、对每段材料进行标记（bookmarking），并通过叠加管段和绑扎（wire-tying）产生节点。
     • 通过逐步制造和释放节点的方式完成桁架建造。
  3. 充气:
     • 制造完毕后用户通过连接空气压缩机将桁架结构充气。
  4. 算法支持:
     • 设计了使用弗勒里算法优化的路径生成算法，支持多种结构的无缠绕节点制造。

研究成果

• 具体成果:

  • 开发了AirTied设备及其配套的编辑器和算法，可完全自动化完成桁架制造。
  • 验证了设备的性能，通过制造多种结构（如6米高的塔楼）展示其能力。

• 与现有解决方案的比较:

  • 不依赖复杂资源（如预制组件和支架），使用简便。
  • 支持重复利用材料，节约成本且环保。
  • 可制造比例和尺寸更大的结构，突破现有充气式制造方法的局限。

• 实验和评估结果:

  • 制造了多种复杂桁架模型，包括双四面体、八面体、1米高的水球门、1.2米长的水上椅子以及60米长的塔楼。
  • 平均制造时间15-33分钟，结构充气时间为1-7分钟。
  • 制程可靠性达97%的成功率。
  • 结构测试结果表明桁架可承受0.34kN的临界压缩载荷以及7.20kN的拉伸载荷。

• 局限性与未来方向:

  • 局限性:
    1. 需要用户手动安装空气导入口。
    2. 当前设备无法制造长度小于50厘米的边。
    3. 每次操作最多处理5个节点。
    4. 对于连接大于8条边的节点，可靠性仍需提升。
  • 未来方向:
    • 提高结构的承重能力。
    • 优化节点连接的复杂度与制造效率。
    • 探索更广泛的个人制造应用场景。