顯而易見，建筑業是建設和維護繁榮社會不可或缺的行業，從世界各地的史前遺跡所揭示的遠古人類的活動可以看出，建造建筑物和道路基礎設施等的建筑業是深刻反映時代和社會的文化和文明的承載者，它所從事的制造業生動地反映了時代和社會。扮演著如此重要角色的建筑業正面臨著行業生存危機。在建筑工地上，有許多工作需要依靠人們的判斷力，需要根據實際情況靈活應對。然而，該行業中承擔這些任務的人數正在迅速減少。日本的建筑工人數量正以每年10萬人的速度減少。在此背景下，建筑公司為了確保行業的生存，越來越多地開發和引進建筑機器人，將以前由人工完成的任務自動化。人類和機器人共同建造大型建筑的局面已經成為現實。我們采訪了實際參與建筑機器人開發的清水公司生產技術本部生產技術開發中心負責人松本真一先生，請他談談建筑機器人開發的背景、在建筑工地引進建筑機器人時必須克服的障礙，以及使用建筑機器人將帶來的未來建筑業。
清水建設建筑機器人研發中心負責人松本真一
問：是什么讓你們決定開發建筑機器人？
松本：主要原因是建筑業面臨的挑戰：建筑工人，特別是熟練工人的數量長期下降。建筑、道路和其他結構的建造離不開大量人員的幫助。如果建筑工人數量減少，新建和維護建筑將變得更加困難。在努力保持和增加工人數量的同時，也有必要推進技術發展，以實現少人施工。
此外，建筑工地上還有很多 "苦活"（即所謂的3K工作：苦、臟、險）。例如，在建筑物的墻壁和天花板上噴涂防火材料的防火包層工作，就是在酷熱的環境下穿著厚厚的防護服進行的艱苦工作。長期以來，人們一直希望將工人從這種艱苦的工作中解放出來。
作為這些問題的解決方案，建筑機器人一直是人們關注的焦點。雖然使用機器人可以提高生產率，但我們更優先考慮的是工人短缺問題，以及將他們從艱苦的工作中解放出來。問：為什么不是等機器人廠家研發，而是自己去開發建筑機器人？
松本：事實上，挖掘機等大型建筑設備是由建筑設備制造商開發和提供的。然而，最初在建筑工地工作的人們所使用的小型工具和設備，即使不是內部開發的，也往往是通過與制造商討論可用性和功能需求而開發出來的。建筑機器人現在并不是世界上廣泛使用的機器。在開發時，需要對現場的工作進行評估，并適當考慮其應用的任務和使用方式。此外，在實施應對工人數量減少的措施時，需要有緊迫感，在某些情況下需要加快建筑機器人的開發，所以我們決定率先自行開發機器人。當然，建筑公司并不擅長設備開發，因此我們與擁有機器人開發所需基本技術的公司合作開發機器人。松本：我們已經開發了多種類型的機器人。我們對每種機器人都進行了不斷改進和測試，以使它們在工地上更加有效，我想介紹其中幾款。第一款是Robo-Carrier，這是一種自動水平運輸石膏板等重型材料的機器人。通過平板終端輸入要運輸的材料和目的地，機器人就會在無人操作的情況下自動將材料運輸到指定地點。如果機器人在運輸途中發現障礙物，它會重新規劃路線以避開障礙物；如果有人靠近，它會利用防碰撞功能停止運輸。此外，還可以同時操作兩個機器人，以高效率運輸材料，同時在移動過程中不會相互干擾。
自動搬運系統“Robo-Carrier”
接下來是鋼柱焊接機器人Robo-Welder，高質量的焊接需要根據條件對焊縫進行寬度、高度及形狀的微調，以確保焊縫盡可能一致。將焊縫拉直并確保一定的厚度需要高水平的技能，Robo-Welder使用激光傳感器確定焊縫形狀，并自主確定向焊縫填充焊接材料的程序，然后在移動六軸機器人手臂的同時自動執行高難度的焊接任務。 
自主焊接機器人“Robo-Welder”
六軸機械臂可以像人的手臂一樣移動，操作員可以在確認焊接部位（凹槽）的形狀的同時，自由操控機械臂末端的形狀識別激光傳感器和焊槍實現焊接。然后是Robo-Spray，這是一種均勻噴涂防火涂料的機器人。該機器人可以自由操控涂料噴嘴，即使在梁兩側、梁下等難以到達的區域也能噴涂防火涂料。使用6軸機械臂，在保持噴嘴角度、與鋼梁的相對位置和適當的運行速度的同時進行噴涂工作。
半干式防火涂料噴涂機器人“Robo-Spray”
此外，還有雙臂多功能建造機器人“Robo-Buddy”，它有兩個6軸機械臂，可以建造天花板和地板。在使用各種傳感器識別用螺釘緊固天花板的格子狀基材的位置的同時，一只手臂抬起天花板并將其與安裝位置對齊，另一只手臂將板擰到基材上。同一個機器人還可用于在高架地板上安裝基座和面板等任務。
雙臂多功能機器人“Robo-Buddy”
此外，還有打大、長螺釘的機器人（木結構建筑）和無人叉車式運輸機器人。問：這么說你們已經開發出很多先進的建筑機器人了？目前數字控制技術在其他行業正在快速發展，例如汽車領域的自動駕駛技術、信息處理領域的人工智能（AI）、通信領域的5G等。其他行業的這些技術創新是否為建筑機器人的發展和迭代提供了助力？松本：我認為有這方面的作用，我們一直在關注其他行業創新的最新信息。每次如果我們收到的信息有可能可以用于我們的研發，我們都會考慮使用的可能性。例如，對于在云端運行的機器人和通過云端執行質量檢查的檢查系統來說，通信至關重要。近年來，隨著項目規模的不斷擴大，越來越多的地下深處或150米以上的超高層建筑中無法使用LTE和4G的環境。5G和Wi-Fi等通信技術創新將為開發和運營提供直接動力。此外，作為機器人眼睛的傳感器和圖像處理等技術的進步也將提供助力，但這些技術創新不僅限于機器人的發展，還包括對所使用的機器和工人的位置信息的利用，在這方面也有很大幫助。松本：是的，我們已經在現場使用了。例如，清水建設在東京港區建設的“虎之門麻布臺項目（虎之門麻布臺地區1型城市再開發項目）A座”中，采用了自動搬運機器人、焊接機器人、防火噴涂機器人、高架地板施工機器人等，根據現場的工期安排隨時導入機器人。對于需要質量保證的工種，機器人和工人共同完成工作，并不時通過主管的檢查。那里使用的自動運輸機器人、焊接機器人和防火涂裝機器人現在被轉移到了附近港區芝浦的建設項目，目前也在使用當中。松本：我認為首要任務是提高現有機器人的成本效益。就成本而言，人們做這項工作仍然要便宜得多。然而，如果勞動力短缺確實變得明顯，則需要采取某種對策來完成更多任務。考慮到建筑工人數量每年減少10萬人，未來很可能會出現因勞動力短缺而無法建造的建筑。我認為我們需要在類似的事情發生之前做好準備。另一方面，引進機器人并不是唯一的對策。通過高效管理人工作業提高生產效率還有很大的改進空間，平衡好機器人等新技術與工人管理方法等的改進之間的關系，合理考慮引入很重要。
松本：基本上都是由操作員操作的。目前為止我們沒有考慮過完全無人化。但是也不是說一定是1人1機，盡可能是開發可1人操控多臺的機器人，從而減少操作人員的數量。
如果工人數量進一步加速減少并且技術進步，則可能需要根據應用來研發完全無人操作的機器人和與人類合作的機器人。例如，運輸和提升材料等任務可以留給可以自主操作的機器人。另一方面，對于對建筑質量有重大影響的工作，人類和機器人有必要共同工作或分擔工作。一個典型的例子是噴涂防火涂料。當機器人進行噴涂過程時，工人緊隨其后，同時仔細檢查噴涂材料的厚度以確保質量。如果需要維修，工人將用機器人跟進。強迫機器人完成所有工作不僅會降低質量，還會降低工作效率。此外，無論機器人的工作表現如何，我們都不能依賴它們，因為我們負責高質量的施工工作，有必要為每種類型的機器人施工工作建立人類和機器人的最佳組合。問：在工業產品的制造中，有使用機器制造的質量比人制造的質量高得多的例子。為什么人類知識和技能對于確保建筑質量尤其重要？松本：我認為這是因為工廠制造和建筑工地的制造方法存在很大差異。制造工業產品的工廠擁有針對在設定條件和程序下制造產品而優化的生產線。而建筑工地并沒有可以事先明確工作內容和工況的產線化作業，時常需要根據施工的狀況及狀態，依靠人的判斷，邊進行一定的調整邊作業。在工地現場，需要邊對工廠生產的規格品與現場人工組裝的構筑物進行微調邊施工。我認為這就是一切都是標準化尺寸的制造業與當場制造的建筑業的主要區別。
問：原來如此，建筑工地的質量控制意識很強，需要人做出高層次的質量控制決策。在這種情況已經成為常態的建筑行業，由機器人而不是人來完成工作，這真是改變價值觀的劃時代事件。松本：我們事先預料到，在現場實際引進機器人時會遇到一些障礙。這是因為在焊接等與耐久性和安全性相關的任務中引入機器人時，我們必須獲得對質量要求較高的客戶和設計部門的理解。首先，有的施工計劃是以人進行施工為前提的，但沒有設想機器人介入施工過程的計劃。因此，在引進該系統時，我們制定了包括機器人施工在內的施工計劃，并反復開展活動，通過演示試驗等方式，讓客戶和設計單位了解機器人施工可以確保與人工施工相同或更好的質量。通過這些努力，我們逐漸得到了設計單位和其他各方的理解。問：如果在建筑行業內廣泛認識到即使使用機器人進行施工也可以確保足夠的質量，那么機器人活動領域似乎將會擴大。松本：沒錯。建筑工人數量的減少是建筑行業企業面臨的共同問題。因此，除清水公司外，其他建筑公司也在各自開發建筑機器人。2021年9月，為了進一步提高建筑行業的生產效率和吸引力，進一步節省人力，共同開展建筑機器人和物聯網領域的研究和開發，成立了建造機器人轉型聯盟。由于每家建筑公司都擁有用于不同目標任務的機器人，因此將它們集中在一起進行聯合評估，以有效改進和升級功能。松本：我有機會實際觀察了美國等國家的發展趨勢，我想說我們的焊接機器人處于最先進的技術水平。然而，中國等國家的技術水平已經顯著提高，有些領域我們也無法趕上。看看國外的發展，我發現各國對于建筑機器人的關注點存在很大差異。日本傾向于優先考慮提高質量和投資先進技術。另一方面，以中國制造的工程機械為例，它們價格低廉、品種齊全、功能多樣。
問：您認為建筑機器人的日益普及將如何改變建筑行業的工作方式，或者換句話說，改變建筑物的建造方式？松本： 如果使用機器人進行施工變得普遍，那么以機器人為設計理念的建筑就有可能出現。清水建設正在開發使用3D打印機建造混凝土建筑的技術，我認為這不僅適用于建筑物，也適用于小型工業產品。通過使用3D打印機，可以創造出使用傳統建筑方法無法實現的形狀和尺寸的物體。對于建筑物來說，柱子和其他材料的可運輸尺寸會影響建筑物的形狀和施工方法的選擇。通過使用3D打印機，這些限制可能會被消除。使用機器人也是如此，人類不可能建造的建筑的設計和結構，如果使用機器人來建造，就可能成為可能。松本：機器人和3D打印機都是如此，機器直接接收設計數據并自動建造建筑的時代有可能到來。目前，我們正在利用BIM（建筑信息模型）創建一個系統，實現從設計到施工和維護的高效工作。從設計到施工，建筑物的所有構件都被轉換成數據，利用這些數據的數字制造技術制造出建筑物的構件，并利用XR技術、各種圖像數據處理技術和傳感器等數字工具進行施工管理，從而實現人與機器人最佳組合施工的數字化制造。這正是我們的建造愿景 "清水智慧工地 "的精髓所在。建筑投入使用后，我們將利用城市和建筑數字孿生（將從設計階段到施工階段創建的 BIM 數據與建筑投入使用后的真實數據相結合），不僅為客戶提供數字服務，也為使用設施的人們提供數字服務，并開發提供舒適空間和所需信息的數字服務。提供舒適空間和信息的數字化服務將不斷發展。未來，包括建筑物在內的所有物體都將具備物聯網功能，不斷與互聯網連接，以前相互獨立的物體也將相互連接，通過傳感和成像技術以及人工智能，個人行為將被越來越多地學習。城市和建筑將為每個用戶提供個性化服務。隨著城市景觀的變化，我們的生活本身也將加速改變。
清水建設智慧建造概念圖
問：如果建筑物不以人造為前提的話，那么建筑物似乎可以在人類難以建造大型結構的環境中建造，例如太空或深海。松本： 如果使用機器人進行全自動施工成為現實，那么這項技術將用于在此類環境中進行施工。人們需要在人無法進入的地方建造某種建筑，更不用說在太空、深海以及核電站充滿輻射的環境等危險場所了。事實上，美國一家新成立的公司就有利用3D打印機在月球和火星上建造建筑物的設想，并正在進行示范測試。機器人的使用也可以在類似的背景下加以考慮。
清水建設深海未來城市概念“海洋螺旋”
問：看來，如果人類到達火星時已經有了居住的地方，那么遷徙就會順利很多。這項技術很可能擴大人類活動的范圍。松本：建筑機器人的發展是幫助我們解決未來勞動力短缺的技術之一，建筑機器人的進化可能會成為一種為我們人類帶來新的可能性的技術，這是一項非常夢幻的技術。然而，有些事情我們需要牢記，制造業是基于人與人之間真實交流的事實，不能忘記制造即是情感體驗過程這個根本。
