Древесина становится все более популярным строительным материалом, но древесину заготавливают в основном только из длинных прямых стволов деревьев. Стремясь сократить количество отходов, команда Массачусетского технологического института разработала метод использования несущих узлов деревьев.
Во главе с доцентом Кейтлин Мюллер, исследователи начали с сбора фрагментов древесных отходов с группы деревьев, которые уже были срублены в городе Сомервилл (штат Массачусетс, США). Ученых особенно интересовали Y-образные развилки, в которых ствол или большая ветвь делится надвое. Обычно, такие части просто измельчают в мульчу или сжигают.
«Вилки деревьев — это естественно спроектированные структурные соединения, которые работают как консольные балки в деревьях, а это означает, что у них есть потенциал для очень эффективной передачи силы благодаря своей внутренней структуре волокон», — сказала Мюллер. «Если вы возьмете вилку дерева и разрежете ее посередине, вы увидите невероятную сеть волокон, которые переплетаются, создавая эти часто трехмерные точки передачи нагрузки в дереве. Мы начинаем делать то же самое с помощью 3D-печати, но мы далеки от того, что делает природа».
Одна из вилок направляется роботом в процессе резки. Фото: Felix Amtsberg.
Когда у ученых появилась хорошая коллекция вилок, они приступили к 3D-сканированию каждой из них, а затем добавили ее цифровую модель в базу данных. Используя то, что известно как венгерский алгоритм, впоследствии стало возможным определить, какие вилки в этой базе данных лучше всего удовлетворят требованиям несущей способности конкретного узла Y-образной формы — где два прямых куска материала соединяются вместе, чтобы выдерживать нагрузку — в особой рукотворной конструкции.
Система также может работать в обратном порядке, показывая, как следует изменить другие аспекты структуры, чтобы использовать данную ветку дерева для определенного узла.
Скульптура команды для проверки концепции, которая в конечном итоге будет включать в себя больше узлов. Фото: Felix Amtsberg.
На следующем этапе процесса был использован другой алгоритм для направления роботизированной резки выбранных вилок, чтобы они смогли лучше всего вписаться и нести нагрузку в соответствующих местоположениях узлов. Наконец, компьютерная модель руководила командой в процессе сборки, показывая, какие вилки предназначены для каких узлов.
Отходы древесины от деревьев-доноров до процесса отбора. Фото: Felix Amtsberg.
Хотя может пройти некоторое время, прежде чем мы увидим реальное здание, построенное с использованием этой технологии, Мюллер и ее коллеги построили экспериментальную деревянную скульптуру, которая была выставлена в кампусе Массачусетского технологического института. Поскольку они были внуждены приостанавливать работу из-за пандемии, работа над этой частью все еще продолжается — в настоящее время она включает в себя 12 узлов-ветвей, но в конечном итоге должна включать около 40. Затем она будет установлена в Сомервилле, на месте, где когда-то росли деревья-доноры.
Источник: MIT.
