发布时间：2024-02-26 12:20:51   来源：安博电竞

  受蜜蜂建造大型巢穴方式的启发，由英国团队在自然杂志发表了这一技术。该过程由多架无人机协同工作，根据单一蓝图进行建造，一些无人机充当工头角色，检查其他无人机的工作情况，另一些无人机以建筑工人身份浇筑建筑材料，“工头”则在旁边验证“工人”3D打印出的建筑质量。

  无人机在人类监控下进行自主飞行，建造过程中可以实时评估建筑物的形状以及无人机的行为轨迹，如果出现问题，技术人员可以及时进行调整。

  考虑到不一样的材料沉积过程中的膨胀或下沉等不确定性，该团队引进了基于三维图像扫描和重建技术对打印结构的测量评估方法，有效控制了打印过程中已打印建筑机构与设计模型之间的误差积累，并实时调整后续打印过程中无人机的飞行轨迹。为了证明该项技术能建造复杂结构，研究小组根据路径规划算法创建了一个光迹延时序列，模拟制作一个大型圆顶结构。上图中蓝色线条表示建造轨迹，红色线条表示离开建造区域补充材料的轨迹。为了展示无人机的能力，研究人员让它们使用泡沫和一种特殊的轻质水泥建造了一个由72层聚氨酯硬质泡沫组成的2米高圆柱体，以及一个由28层轻质水泥组成的 18厘米圆柱体。无人机的建造高度与原始蓝图相比，误差不到5毫米。

  该项研究以《多自主机器人航空增材制造》（Aerial additive manufacturing with multiple autonomous robots）为题，登上了《自然》杂志封面。该团队表示，他们的灵感来自于蜜蜂建筑蜂巢，学习了蜜蜂分工合作的模式，将无人机像蜜蜂一样进行分工。这种无人机群类似于蜜蜂的蜂巢，每架无人机独立行动，无人机之间互相沟通，也就是将自由灵活的无人机群作为一个多主体系统来完成建造任务。

  该项目团队将这种制造方法称之为空中增材制造（Aerial-AM）。还研发了一套自主导航和任务分配系统，无人机群的各无人机能够相互通讯，还能对无人机的数量、时间分配进行优化。

  为了验证基于该框架的自主空中增材制造技术，团队开发了用于在飞行过程中沉积材料的建造无机人（BuilDrones）和用于测量打印质量的扫描无人机（ScanDrones），并将自主导航和任务分配系统与无人机进行结合。研究负责人米尔科·科瓦奇（Mirko Kovac）表示：“截至目前，我们已证实无人机可以在实验室自主地协同工作来建造和修复建筑物。”

  在这个过程中，还有一各不得不面对的工程之外的难题：建筑材料重量以及无人机的承重问题。因为无人机称重能力有限，建筑材料“轻“是无人机“盖房子”的首要需求。目前使用的地面3D打印建筑原材料一般是水泥或者混凝土。但总不至于让无人机搬着这么重的建材飞到天上“盖房子”吧。

  因此研究团队与瑞士联邦材料实验室合作开发出了四种类似水泥聚合物的材料，这样一种材料在打印时是柔软的，过段时间后就会变硬，最重要的一点是：它的重量很轻。这为无人机在未来各种高度和难度的环境中进行建造建造提供了可能性。

  那么如何把无人机制造建筑的误差控制在5毫米呢？该团队于是研制了可供无人机负载建筑材料的3D 打印装置，一种可自动对准的动态机械手以及高精度材料沉积系统，将自由灵活的无人机和具有高精度、高刚度的并联机器人结合，成功解决了无人机在空中飞行时的不稳定性。

  《自然》杂志审稿人对该研究评价道：“该研究所提出的方法具有开创性意义, 特别是在相对较为保守、需要更多自动化生产来提高效率的建筑工业。”

  另一位审稿人则评价称：“作者在该研究中的重大技术突破，将为论文中提出的无人机群自主协作 3D 打印建筑结构的方法在建筑工业的成功应用提供有力保障。”

  实际上团队从想法到优化、全方位验证用了近10年时间。2014年，该团队就提出了无人机3D打印建筑的构想，从理论上攻克核心技术并推进相关实验的设计，例如高精度建筑材料沉积，以及多无人机协同打印控制算法的攻关都花了相当长的时间，基础问题才得以解决。

  团队中一名中国人张克涛中途于2016年加入，提出给无人机加装了一个灵巧的微型 Delta 并联机械手，成功解决了该研究的技术瓶颈之一，即建筑无人机的高精度 3D 打印。

  未来展望：有望最快应用于高层建筑修复，已开始技术成果转化。张克涛认为该技术最快落地的应用场景可能在高层建筑或基础设施的修复工作。不过这并不意味要和建筑工人抢饭碗，相反，这些无人机可以在高危、严寒、酷热的复杂气象及环境下，能帮助建筑工人完善最难攻克的任务，这在未来将有效减少人员伤亡的情况。

  该团队的领导米尔科·科瓦博士表示，该技术未来可拿来在北极甚至火星上建造建筑物。现在的试验表明3D打印无人机潜力巨大，能完成高难度的任务，在灾后建设，高层建筑维修上有很重要的作用。

  不过该技术仍有一些难点需要攻克。例如无人机储能不足，需要频繁充电。张克涛表示，“若想满足持续为无人机供电，对电池材料和充电方法都提出了更高要求。“

  这表明，这些技术的发展，还需要在新能源储能方面有了突破技术上的支持。又或者学习航空业的空中加油模式，以另一架无人机携带电池，在空中为工作的无人机充电。

  与传统建筑相比，无人机的应用灵活性更好，可用在多种不同的环境，如空间狭小或地形崎岖的地方，大型机械很难在这些环境开展工作。与传统3D打印机相比，3D打印无人机无占用的空间更小，因为一般来说要打印多大的建筑就需要比这更大的打印装置，或分部件打印再组装。

  对于这项研究，团队表示目前只验证了无人机群在实验室环境下的建筑能力。未来还将增加户外测绘系统和GPS，以及开发无人机自动充电功能，进一步减少人类干预的必要。

  最后值得一提的是，该项研究得到了瑞典一家名为Skanska承包商的支持。不知中国的承包商看到，有何感想。如果中国的承包商真有这份觉悟，相信未来这种研究会更多出现在国内院校和机构里。

  我们热切期待着您的关注，与您一同见证建筑与科技的融合之美。如果您身边有对本文内容感兴趣的朋友，推荐您把今天的内容分享给他！