Nature最新封面：無人機“建筑師”問世，半小時“蓋”2米，或成未來火星建造者？

在貪婪改造地球的同時，人類的火星夢也愈發(fā)強烈。
自 20 世紀(jì) 60 年代以來，人類已經(jīng)對火星實施了 40 余次探測任務(wù)，但至今也沒有將任何一個人送上火星。今年 3 月，被寄予厚望的馬斯克聲稱，希望在 2029 年將人類送上火星。（此前的計劃時間分別為 2025 年和 2026 年。）
然而，即使人類最終能夠登上火星，稀薄的大氣、寒冷的氣候和漫天的沙塵等惡劣環(huán)境，也使得人類很難在火星表面長時間活動和作業(yè)，比如在火星極端條件下建造人類居住、活動場所等。
今天，來自倫敦帝國理工學(xué)院（Imperial College London）、瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室（Empa）的研究團隊及其合作者，為未來的火星建造提供了一種新的可能——
他們受蜜蜂啟發(fā)提出了一種新型建造方法，即利用無人機在飛行中建造 3D 打印結(jié)構(gòu)，幫助人類在地球內(nèi)（外）的任何地方建造任意建筑。

圖｜火星建造概念圖。（來源：研究團隊）

據(jù)介紹，這些 3D 打印無人機群由 BuilDrone（建造無人機）和 ScanDrone（掃描無人機）組成，前者在飛行過程中將建筑材料放置在建筑物表面，后者則主要承擔(dān)質(zhì)量控制任務(wù)，在飛行中測量前者的施工情況，并給出下一個施工建議。
最重要的是，這些無人機“建筑師”可以在人類監(jiān)管下集群自行建造 3D 結(jié)構(gòu)。這一重磅成果，于今日以封面文章的形式發(fā)表在最新一期的 Nature 雜志上。
圖｜最新一期 Nature 封面。（來源：Nature）
對此，論文通訊作者、倫敦帝國理工學(xué)院空中機器人實驗室主任、Empa 機器人材料與技術(shù)中心負(fù)責(zé)人 Mirko Kovac 教授表示，“我們的解決方案是可擴展的，未來可以幫助我們在人類難以到達的地區(qū)（危險地區(qū)、極高處或有自然災(zāi)害風(fēng)險的偏遠(yuǎn)地區(qū)）建造和修復(fù)建筑物?！?/span>
建筑師，要無所不及
當(dāng)前，建筑構(gòu)件的組裝和自由形式的連續(xù)增材制造（additive manufacturing，AM），已被用于建筑的現(xiàn)場建造，因為相比于人類建筑人員，它們的安全問題更少，且生產(chǎn)力更高。
與基于組裝的方法相比，自由形式的連續(xù)增材制造能夠?qū)崿F(xiàn)幾何可變設(shè)計的靈活生產(chǎn)，從而進一步提高材料利用率并降低成本。
目前，用于現(xiàn)場施工的大型自由形式增材制造方法主要使用地面機器人和門式起重機系統(tǒng)。然而，這些技術(shù)需要將機器人硬件的尺寸擴大到比預(yù)期的制造圍護結(jié)構(gòu)更大的尺寸，這就使得并行操作變得困難，也會給建筑點的人和其他機器帶來危險。
此外，由于這些大型系統(tǒng)需要直接連接到電源，它們很難在偏遠(yuǎn)、難以到達的環(huán)境中完成檢查、維修或制造等工作，而且在這些環(huán)境中運輸或安裝大型基礎(chǔ)設(shè)施也是不可實現(xiàn)的。
圖｜北極。（來源：Pixabay）
作為大型單機器人系統(tǒng)的替代方法，小型移動機器人團隊具備更大的靈活性和可擴展性，可以構(gòu)建比單個機器人本身更大的幾何形狀，同時具有在多個建筑點高效、并行地自適應(yīng)分布的潛力。
然而，使用機器人團隊進行建筑的研究還處于發(fā)展的早期探索階段，當(dāng)前主要集中在建筑構(gòu)件的組裝上。
此外，目前的多機器人增材制造方法主要使用移動地面機器人車輛，操作高度有限。而且這些移動系統(tǒng)同樣受平臺規(guī)模、最大建筑圍護結(jié)構(gòu)、并行制造能力和可訪問性等諸多因素的限制。
但是，與目前的人工機器人系統(tǒng)相比，自然界中的“建筑師”（比如蜜蜂、白蟻和家燕等）卻可以在飛行中建造巢穴，表現(xiàn)得非常靈活。
（來源：Pixabay）
例如，一只燕子為搭建自己的巢穴，可以克服自身有限的載荷能力，在建筑材料來源處和未來巢穴點之間往返 1200 次；而白蟻、黃蜂等群居昆蟲，則表現(xiàn)出了更強的適應(yīng)性和靈活性。
特別是，由蜂群完成的空中建造展示了高效和直接的路徑優(yōu)化，在整個建造過程中降低了對先前建筑結(jié)構(gòu)的依賴和限制。
特別是，由蜂群完成的空中建造展示了高效和直接的路徑優(yōu)化，在建造過程中降低了對先前建筑結(jié)構(gòu)的依賴和限制。
受這些自然系統(tǒng)的啟發(fā)，Kovac 團隊及其合作者提出了一種名為“空中增材制造（Aerial-AM）”的集體建造新方法，使用不受束縛的移動機器人網(wǎng)絡(luò)作為一個多主體系統(tǒng)來運行。
相比于傳統(tǒng)方法，Aerial-AM（下圖虛線框內(nèi)）可以在人類難以到達的地點以不受區(qū)域限制的方式進行并行制造。
圖｜不同增材制造機器人平臺的比較，紅色向藍色的漸變表示建造規(guī)模、靈活性和可訪問性的改進。（來源：該論文）
無人機群根據(jù)預(yù)設(shè)程序系統(tǒng)工作，在飛行中完成建造任務(wù)。它們在飛行時是完全自主的，但受人類控制者監(jiān)控?？刂普吒鶕?jù)無人機提供的信息檢查建造進度，并在必要時進行干預(yù)。
29分鐘，2.05米高
據(jù)論文描述，Aerial-AM 使用 3D 打印技術(shù)和路徑規(guī)劃框架來幫助無人機在建造過程中適應(yīng)結(jié)構(gòu)的幾何變化。
無人機使用泡沫和水泥樣材料建造了概念驗證的圓柱體，在整個建造過程中，實時評估打印的幾何圖形，并調(diào)整其行為，以確保符合制造規(guī)格，建造精度達到了 5 毫米（在英國建筑要求中是可接受的）。
圖｜利用 Aerial-AM 方法的增量制造原理，可以通過部署多個 BuilDrone 來建造更大的結(jié)構(gòu)。
其中，概念驗證圓柱體包括一個使用聚氨酯泡沫材料 3D 打印出的 2.05 米高圓柱體（72 層），以及一個使用定制設(shè)計的結(jié)構(gòu)膠凝材料建造的 18 厘米高圓柱體（28 層）。
圖｜無人機 ScanDrone（?。?、BuilDrone（大）和 3D 打印的泡沫結(jié)構(gòu)，BuilDrone 打印 1 層需要 24 秒，打印 72 層共計耗費 29 分鐘。（來源：研究團隊）
作為一種自主的、可擴展的、靈活的增材制造方法，Aerial-AM 可適應(yīng)幾何類型、規(guī)模和機器人數(shù)量的變化。
使用 BuilDrone 進行材料沉積，使用 ScanDrone 對打印結(jié)構(gòu)進行環(huán)內(nèi)定性評估，對 2.05 米高的高圓筒進行打印，證明了 Aerial-AM 方法制造大尺寸幾何圖形的能力。
此外，其他制造試驗證明，Aerial-AM 具有精度高（5 毫米位置誤差）、并行能力強等特點，可以有效地打印各種幾何結(jié)構(gòu)。
雖然這些實驗成功驗證了 Aerial-AM 的可行性，但它們只是探索使用空中機器人進行建筑的潛力的第一步。
要想使用此次研究提出的方法實現(xiàn)建筑幾何結(jié)構(gòu)的全面制造，需要機器人技術(shù)和材料科學(xué)方面取得重大進展。特別是，支撐材料的沉積、活性材料的固化以及多機器人之間的任務(wù)共享，有待進一步取得突破。
圖｜森林建造概念圖。（來源：研究團隊）
同時，結(jié)構(gòu)有效的幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計和工程，以及打印幾何結(jié)構(gòu)行為的系統(tǒng)分析，仍然需要進一步的研究。
為了使研究成果走出實驗室，研究團隊計劃在未來為 Aerial-AM 增加一個多傳感器同步定位和測繪（SLAM）系統(tǒng)與差分全球定位系統(tǒng)（GPS），從而提供一個高精度的戶外定位服務(wù)。
同時，建筑規(guī)模的增大需要材料和電池補給在未來實現(xiàn)自動化；也需要新的分析方法，來進一步評估分布式制造相對于制造對象的規(guī)模和所使用的機器人平臺的效率。
盡管如此，該研究提出的系統(tǒng)實現(xiàn)了自動 Aerial-AM 的概念驗證，并可能會為使用集體多機器人增材制造系統(tǒng)完成建造提供基礎(chǔ)。
未來，Aerial-AM 或?qū)⒊蔀橹纹h(yuǎn)地區(qū)住房和重要基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的替代手段。在這些地區(qū)，全球變暖、自然災(zāi)害和惡劣氣候頻發(fā)，使得現(xiàn)有建筑方法遭遇了前所未有的挑戰(zhàn)。
在接下來的工作中，為進一步驗證這一解決方案，研究團隊將與建筑公司合作，繼續(xù)探索這一方案的建造和修復(fù)能力。
最后，一起欣賞下這些“建筑師”們的勞動成果吧。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4