Langs ontwikkelde rivieroevers, fysieke barrières kunnen helpen overstromingen in te dammen en erosie tegen te gaan. In droge gebieden, check dammen kunnen helpen de grond vast te houden na regenval en beschadigde landschappen te herstellen. Bij bouwprojecten is metalen platen kunnen ondersteuning bieden bij opgravingen, steunmuren op hellingen, of permanente funderingen. Al deze toepassingen kunnen worden aangepakt met het gebruik van damwanden, elementen gevouwen uit plat materiaal en verticaal in de grond gedreven om muren te vormen en de grond te stabiliseren. Een goede bodemstabilisatie is de sleutel tot duurzaam landbeheer in industrieën zoals de bouw, mijnbouw, en landbouw; en landdegradatie, het verlies van ecosysteemdiensten van een bepaald terrein, is een aanjager van klimaatverandering en kost naar schatting tot $ 10 biljoen per jaar.

Met deze motivatie een team van robotici van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard heeft een robot ontwikkeld die autonoom in elkaar grijpende stalen damwanden in de grond kan rijden. De constructies die het bouwt, kunnen fungeren als keermuren of dammen controleren op erosiebestrijding. De studie zal worden gepresenteerd op de komende IEEE International Conference on Robotics and Automation in 2019.

Conventionele damwandprocessen zijn extreem energie-intensief. Slechts een fractie van het gewicht van typische zware machines wordt gebruikt voor het uitoefenen van neerwaartse kracht. De "Romu"-robot van het Wyss-team, anderzijds, kan zijn eigen gewicht gebruiken om damwanden in de grond te heien. Dit wordt mogelijk gemaakt doordat elk van de vier wielen is gekoppeld aan een afzonderlijke lineaire actuator, waardoor het zich ook kan aanpassen aan oneffen terrein en ervoor zorgt dat palen verticaal worden geheid. Vanuit een verhoogde positie, Romu grijpt een damwand en laat dan het chassis zakken, met behulp van een ingebouwde trilhamer de paal in de grond drukken. Door de stapel op een hogere positie weer vast te pakken en dit proces te herhalen, de robot kan een stapel rijden die veel groter is dan zijn eigen verticale bewegingsbereik. Nadat een paal voldoende diep is geheid, Romu gaat vooruit en installeert de volgende stapel zodat deze in de vorige grijpt, waardoor een doorlopende wand wordt gevormd. Zodra het alle stapels heeft gebruikt die het draagt, het kan terugkeren naar een voorraadcache om de voorraad aan te vullen.

Het onderzoek is voortgekomen uit eerder werk aan het Wyss Institute aan teams of zwermen robots voor bouwtoepassingen. In werk geïnspireerd door termieten die terpen bouwen, Kernfaculteitslid Radhika Nagpal en Senior Research Scientist Justin Werfel ontwierpen een autonome robotconstructieploeg genaamd TERMES, waarvan de leden samenwerkten om complexe structuren te bouwen van gespecialiseerde bakstenen. Verder werk van Werfel en onderzoeker Nathan Melenbrink onderzocht stut-klimrobots die in staat zijn vrijdragende truss-constructies te bouwen, toepassingen zoals bruggen aan te pakken. Echter, geen van deze studies ging in op de uitdaging om constructies aan de grond te verankeren. Het Romu-project begon als een verkenning van methoden voor geautomatiseerde bouwvoorbereiding en installatie van funderingen voor de eerdere systemen om op voort te bouwen; zoals het zich ontwikkelde, het team stelde vast dat dergelijke interventies ook direct van toepassing kunnen zijn op landhersteltaken in afgelegen omgevingen.

"Naast testen in het lab, we demonstreerden Romu op een nabijgelegen strand, " aldus Melenbrink. "Zo'n demonstratie kan een ijsbreker zijn voor een breder gesprek over mogelijkheden voor automatisering in de bouw en het grondbeheer. We zijn geïnteresseerd om in contact te komen met experts op gerelateerde gebieden die mogelijk voordelen zien voor het soort geautomatiseerde interventies dat we ontwikkelen."

De onderzoekers stellen zich een groot aantal Romu-robots voor die als collectief of zwerm samenwerken. Ze demonstreerden in computersimulaties dat teams van Romu-robots gebruik konden maken van omgevingsfactoren zoals de steilheid van hellingen om muren te bouwen op effectieve locaties, efficiënt gebruik maken van beperkte middelen. "De zwermbenadering geeft voordelen zoals versnelling door parallellisme, robuustheid tegen het verlies van individuele robots, en schaalbaarheid voor grote teams, ", zei Werfel. "Door in realtime te reageren op de omstandigheden die ze daadwerkelijk tegenkomen tijdens hun werk, de robots kunnen zich aanpassen aan onverwachte of veranderende situaties, zonder dat u op veel ondersteunende infrastructuur hoeft te vertrouwen voor mogelijkheden zoals site-survey, communicatie, of lokalisatie."

"De naam Terramanus ferromurus (Romu) is een knipoog naar het concept van 'machine-ecologie' waarin autonome systemen als nieuwe deelnemers in natuurlijke omgevingen kunnen worden geïntroduceerd, het nemen van specifieke maatregelen ter aanvulling en bevordering van menselijk milieubeheer, " zei Melenbrink. In de toekomst, het "genus" van Terramanus zou kunnen worden uitgebreid met extra robots die verschillende taken uitvoeren om ecosysteemdiensten te beschermen of te herstellen. Op basis van hun bevindingen, het team is nu geïnteresseerd in het onderzoeken van interventies variërend van grondwaterretentiestructuren voor ondersteuning van landbouw in droge gebieden, tot responsieve constructie van stormvloedkeringen voor orkaanparaatheid. Toekomstige versies van de robot zouden andere ingrepen kunnen doen, zoals het sproeien van grondbindende middelen of het plaatsen van slibschermen, zodat een familie van deze robots zou kunnen werken om de bodem in een breed scala van situaties te stabiliseren.

In veel scenario's voor milieubescherming of herstel, de mogelijkheid tot actie wordt beperkt door de beschikbaarheid van menselijke arbeid en door de toegang tot de locatie voor zware machines. Kleiner, meer veelzijdige bouwmachines zouden een oplossing kunnen bieden. "Duidelijk, the needs of many degraded landscapes are not being met with the currently available tools and techniques, " said Melenbrink. "Now, 100 years after the dawn of the heavy equipment age, we're asking whether there might be more resilient and responsive ways to approach land management and restoration."

"This sheet pile driving robot with its demonstrated ability to perform in a natural setting signals a path on which the Wyss Institute's robotics and swarm robotics capabilities can be brought to bear on both natural and man-made environments where conventional machinery, man power limitations, or cost is inadequate to prevent often disastrous consequences. This robot also could address disaster situations where walling off dangerous chemical spills or released radioactive fluids makes it difficult or impossible for humans to intervene, " said Wyss Institute Founding Director Donald Ingber, M.D., doctoraat, who is also the Judah Folkman Professor of Vascular Biology at HMS and the Vascular Biology Program at Boston Children's Hospital, as well as Professor of Bioengineering at SEAS.