Nature最新封面：無(wú)人機“建筑師”問(wèn)世，半小時(shí)“蓋”2米，或成未來(lái)火星建造者？

在貪婪改造地球的同時(shí)，人類(lèi)的火星夢(mèng)也愈發(fā)強烈。
自 20 世紀 60 年代以來(lái)，人類(lèi)已經(jīng)對火星實(shí)施了 40 余次探測任務(wù)，但至今也沒(méi)有將任何一個(gè)人送上火星。今年 3 月，被寄予厚望的馬斯克聲稱(chēng)，希望在 2029 年將人類(lèi)送上火星。（此前的計劃時(shí)間分別為 2025 年和 2026 年。）
然而，即使人類(lèi)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(lèi)很難在火星表面長(cháng)時(shí)間活動(dòng)和作業(yè)，比如在火星極端條件下建造人類(lèi)居住、活動(dòng)場(chǎng)所等。
今天，來(lái)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(shí)驗室（Empa）的研究團隊及其合作者，為未來(lái)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(wú)人機在飛行中建造 3D 打印結構，幫助人類(lèi)在地球內（外）的任何地方建造任意建筑。

圖｜火星建造概念圖。（來(lái)源：研究團隊）

據介紹，這些 3D 打印無(wú)人機群由 BuilDrone（建造無(wú)人機）和 ScanDrone（掃描無(wú)人機）組成，前者在飛行過(guò)程中將建筑材料放置在建筑物表面，后者則主要承擔質(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(gè)施工建議。
最重要的是，這些無(wú)人機“建筑師”可以在人類(lèi)監管下集群自行建造 3D 結構。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(lái)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(shí)驗室主任、Empa 機器人材料與技術(shù)中心負責人 Mirko Kovac 教授表示，“我們的解決方案是可擴展的，未來(lái)可以幫助我們在人類(lèi)難以到達的地區（危險地區、極高處或有自然災害風(fēng)險的偏遠地區）建造和修復建筑物?！?/span>
建筑師，要無(wú)所不及
當前，建筑構件的組裝和自由形式的連續增材制造（additive manufacturing，AM），已被用于建筑的現場(chǎng)建造，因為相比于人類(lèi)建筑人員，它們的安全問(wèn)題更少，且生產(chǎn)力更高。
與基于組裝的方法相比，自由形式的連續增材制造能夠實(shí)現幾何可變設計的靈活生產(chǎn)，從而進(jìn)一步提高材料利用率并降低成本。
目前，用于現場(chǎng)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(mén)式起重機系統。然而，這些技術(shù)需要將機器人硬件的尺寸擴大到比預期的制造圍護結構更大的尺寸，這就使得并行操作變得困難，也會(huì )給建筑點(diǎn)的人和其他機器帶來(lái)危險。
此外，由于這些大型系統需要直接連接到電源，它們很難在偏遠、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設施也是不可實(shí)現的。
圖｜北極。（來(lái)源：Pixabay）
作為大型單機器人系統的替代方法，小型移動(dòng)機器人團隊具備更大的靈活性和可擴展性，可以構建比單個(gè)機器人本身更大的幾何形狀，同時(shí)具有在多個(gè)建筑點(diǎn)高效、并行地自適應分布的潛力。
然而，使用機器人團隊進(jìn)行建筑的研究還處于發(fā)展的早期探索階段，當前主要集中在建筑構件的組裝上。
此外，目前的多機器人增材制造方法主要使用移動(dòng)地面機器人車(chē)輛，操作高度有限。而且這些移動(dòng)系統同樣受平臺規模、最大建筑圍護結構、并行制造能力和可訪(fǎng)問(wèn)性等諸多因素的限制。
但是，與目前的人工機器人系統相比，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，表現得非常靈活。
（來(lái)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(lái)源處和未來(lái)巢穴點(diǎn)之間往返 1200 次；而白蟻、黃蜂等群居昆蟲(chóng)，則表現出了更強的適應性和靈活性。
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(gè)建造過(guò)程中降低了對先前建筑結構的依賴(lài)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(guò)程中降低了對先前建筑結構的依賴(lài)和限制。
受這些自然系統的啟發(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(dòng)機器人網(wǎng)絡(luò )作為一個(gè)多主體系統來(lái)運行。
相比于傳統方法，Aerial-AM（下圖虛線(xiàn)框內）可以在人類(lèi)難以到達的地點(diǎn)以不受區域限制的方式進(jìn)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模、靈活性和可訪(fǎng)問(wèn)性的改進(jìn)。（來(lái)源：該論文）
無(wú)人機群根據預設程序系統工作，在飛行中完成建造任務(wù)。它們在飛行時(shí)是完全自主的，但受人類(lèi)控制者監控?？刂普吒鶕o(wú)人機提供的信息檢查建造進(jìn)度，并在必要時(shí)進(jìn)行干預。
29分鐘，2.05米高
據論文描述，Aerial-AM 使用 3D 打印技術(shù)和路徑規劃框架來(lái)幫助無(wú)人機在建造過(guò)程中適應結構的幾何變化。
無(wú)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(gè)建造過(guò)程中，實(shí)時(shí)評估打印的幾何圖形，并調整其行為，以確保符合制造規格，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(guò)部署多個(gè) BuilDrone 來(lái)建造更大的結構。
其中，概念驗證圓柱體包括一個(gè)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(gè)使用定制設計的結構膠凝材料建造的 18 厘米高圓柱體（28 層）。
圖｜無(wú)人機 ScanDrone（?。?、BuilDrone（大）和 3D 打印的泡沫結構，BuilDrone 打印 1 層需要 24 秒，打印 72 層共計耗費 29 分鐘。（來(lái)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 可適應幾何類(lèi)型、規模和機器人數量的變化。
使用 BuilDrone 進(jìn)行材料沉積，使用 ScanDrone 對打印結構進(jìn)行環(huán)內定性評估，對 2.05 米高的高圓筒進(jìn)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(diǎn)，可以有效地打印各種幾何結構。
雖然這些實(shí)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(jìn)行建筑的潛力的第一步。
要想使用此次研究提出的方法實(shí)現建筑幾何結構的全面制造，需要機器人技術(shù)和材料科學(xué)方面取得重大進(jìn)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(jìn)一步取得突破。
圖｜森林建造概念圖。（來(lái)源：研究團隊）
同時(shí)，結構有效的幾何結構的設計和工程，以及打印幾何結構行為的系統分析，仍然需要進(jìn)一步的研究。
為了使研究成果走出實(shí)驗室，研究團隊計劃在未來(lái)為 Aerial-AM 增加一個(gè)多傳感器同步定位和測繪（SLAM）系統與差分全球定位系統（GPS），從而提供一個(gè)高精度的戶(hù)外定位服務(wù)。
同時(shí)，建筑規模的增大需要材料和電池補給在未來(lái)實(shí)現自動(dòng)化；也需要新的分析方法，來(lái)進(jìn)一步評估分布式制造相對于制造對象的規模和所使用的機器人平臺的效率。
盡管如此，該研究提出的系統實(shí)現了自動(dòng) Aerial-AM 的概念驗證，并可能會(huì )為使用集體多機器人增材制造系統完成建造提供基礎。
未來(lái)，Aerial-AM 或將成為支撐偏遠地區住房和重要基礎設施建設的替代手段。在這些地區，全球變暖、自然災害和惡劣氣候頻發(fā)，使得現有建筑方法遭遇了前所未有的挑戰。
在接下來(lái)的工作中，為進(jìn)一步驗證這一解決方案，研究團隊將與建筑公司合作，繼續探索這一方案的建造和修復能力。
最后，一起欣賞下這些“建筑師”們的勞動(dòng)成果吧。

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