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

在貪婪改造地球的同時(shí)，人類的火星夢也愈發(fā)強(qiáng)烈。
自 20 世紀(jì) 60 年代以來，人類已經(jīng)對(duì)火星實(shí)施了 40 余次探測任務(wù)，但至今也沒有將任何一個(gè)人送上火星。今年 3 月，被寄予厚望的馬斯克聲稱，希望在 2029 年將人類送上火星。（此前的計(jì)劃時(shí)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(shí)間活動(dòng)和作業(yè)，比如在火星極端條件下建造人類居住、活動(dòng)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(shí)驗(yàn)室（Empa）的研究團(tuán)隊(duì)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(jī)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(tuán)隊(duì)）

據(jù)介紹，這些 3D 打印無人機(jī)群由 BuilDrone（建造無人機(jī)）和 ScanDrone（掃描無人機(jī)）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(gè)施工建議。
最重要的是，這些無人機(jī)“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(duì)此，論文通訊作者、倫敦帝國理工學(xué)院空中機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室主任、Empa 機(jī)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(kuò)展的，未來可以幫助我們?cè)谌祟愲y以到達(dá)的地區(qū)（危險(xiǎn)地區(qū)、極高處或有自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)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?yàn)橄啾扔谌祟惤ㄖ藛T，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?cè)O(shè)計(jì)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(xiàn)場施工的大型自由形式增材制造方法主要使用地面機(jī)器人和門式起重機(jī)系統(tǒng)。然而，這些技術(shù)需要將機(jī)器人硬件的尺寸擴(kuò)大到比預(yù)期的制造圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(jī)器帶來危險(xiǎn)。
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(dá)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(yùn)輸或安裝大型基礎(chǔ)設(shè)施也是不可實(shí)現(xiàn)的。
圖｜北極。（來源：Pixabay）
作為大型單機(jī)器人系統(tǒng)的替代方法，小型移動(dòng)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)具備更大的靈活性和可擴(kuò)展性，可以構(gòu)建比單個(gè)機(jī)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(yīng)分布的潛力。
然而，使用機(jī)器人團(tuán)隊(duì)進(jìn)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(jī)器人增材制造方法主要使用移動(dòng)地面機(jī)器人車輛，操作高度有限。而且這些移動(dòng)系統(tǒng)同樣受平臺(tái)規(guī)模、最大建筑圍護(hù)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(jī)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(diǎn)之間往返 1200 次；而白蟻、黃蜂等群居昆蟲，則表現(xiàn)出了更強(qiáng)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(gè)建造過程中降低了對(duì)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(duì)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(tuán)隊(duì)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(jī)器人網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)多主體系統(tǒng)來運(yùn)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(dá)的地點(diǎn)以不受區(qū)域限制的方式進(jìn)行并行制造。
圖｜不同增材制造機(jī)器人平臺(tái)的比較，紅色向藍(lán)色的漸變表示建造規(guī)模、靈活性和可訪問性的改進(jìn)。（來源：該論文）
無人機(jī)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?cè)陲w行時(shí)是完全自主的，但受人類控制者監(jiān)控?？刂普吒鶕?jù)無人機(jī)提供的信息檢查建造進(jìn)度，并在必要時(shí)進(jìn)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(jī)在建造過程中適應(yīng)結(jié)構(gòu)的幾何變化。
無人機(jī)使用泡沫和水泥樣材料建造了概念驗(yàn)證的圓柱體，在整個(gè)建造過程中，實(shí)時(shí)評(píng)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(dá)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(gè) BuilDrone 來建造更大的結(jié)構(gòu)。
其中，概念驗(yàn)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(shè)計(jì)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(jī) ScanDrone（小）、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(jì)耗費(fèi) 29 分鐘。（來源：研究團(tuán)隊(duì)）
作為一種自主的、可擴(kuò)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(jī)器人數(shù)量的變化。
使用 BuilDrone 進(jìn)行材料沉積，使用 ScanDrone 對(duì)打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行環(huán)內(nèi)定性評(píng)估，對(duì) 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(yàn)證明，Aerial-AM 具有精度高（5 毫米位置誤差）、并行能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以有效地打印各種幾何結(jié)構(gòu)。
雖然這些實(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)證了 Aerial-AM 的可行性，但它們只是探索使用空中機(jī)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(xiàn)建筑幾何結(jié)構(gòu)的全面制造，需要機(jī)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(jī)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。（來源：研究團(tuán)隊(duì)）
同時(shí)，結(jié)構(gòu)有效的幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jìn)一步的研究。
為了使研究成果走出實(shí)驗(yàn)室，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在未來為 Aerial-AM 增加一個(gè)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(gè)高精度的戶外定位服務(wù)。
同時(shí)，建筑規(guī)模的增大需要材料和電池補(bǔ)給在未來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；也需要新的分析方法，來進(jìn)一步評(píng)估分布式制造相對(duì)于制造對(duì)象的規(guī)模和所使用的機(jī)器人平臺(tái)的效率。
盡管如此，該研究提出的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng) Aerial-AM 的概念驗(yàn)證，并可能會(huì)為使用集體多機(jī)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(jìn)一步驗(yàn)證這一解決方案，研究團(tuán)隊(duì)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(dòng)成果吧。

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