报道机器之心

编辑：泽南、陈萍

把大兴土木工程交给无人机，让他们表演 3D 打印可好？

我们经常看到蜜蜂、蚂蚁和其他动物忙着筑巢。经过自然选择，它们的工作效率令人惊叹。

这些动物的分工合作能力「传给」来自英国帝国理工学院的一项研究向我们展示了未来的方向：

无人机 3D 打灰：

这项研究成果于周三登上了自然封面。

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4

为了展示无人机的能力，研究人员使用泡沫和特殊的轻质水泥材料来建造高度 0.18 米到 2.05 米不等的结构。误差小于预期的原始蓝图 5 毫米

为了证明该系统可以处理更复杂的无人机编队，该团队利用无人机上的灯光创建了一个高圆顶结构的延迟序列。

英国帝国理工学院空中机器人实验室主任 Mirko Kovac 该方法可用于在北极甚至火星上建造建筑物，或帮助修复通常需要昂贵脚手架的高层建筑。

然而，由于无人机难以携带重物，需要定期充电，仍然需要人工监督，该技术仍然受到一些限制。然而，研究人员表示，他们希望在项目研究期间自动为无人机充电，以缓解一些问题。

无人机 3D 如何实现打印？在这方面，研究人员建立了一个精确的系统。

研究介绍

为了提高生产率和安全性，人们提出了基于机器人的建筑技术，用于建筑构件的组装和自由形式的连续添加剂制造 (AM，additive manufacturing)。与基于组装的方法相比，自由形式的连续性 AM 能灵活生产几何变量设计，具有效率高、成本低的特点。但这些大型系统需要与电源连接，检查、维护、维修不方便，在恶劣环境下难以制造。

小型移动机器人作为大型单机器人系统的替代品，可以提供更大的灵活性和可扩展性。然而，使用机器人编队进行建筑研究仍处于早期探索阶段。此外，目前多机器人的操作高度有限，超出一定范围。下图显示了建筑业 AM 开发的 SOTA 对比机器人平台。

与目前的机器人系统及其固有局限性相比，自然建造者在施工过程中表现出更强的适应性，许多人在飞行和增材施工方法的帮助下做到了这一点。例如，燕子可以在材料来源和建筑物之间进行 1200 第二次飞行以逐步完成巢穴。白蚁、黄蜂和其他群居昆虫表现出更大的适应性和可扩展性：社会黄蜂的空显示出高效、直接的路径优化，减少了整个施工过程中的导航需求。

这些自然系统激发了使用多智能体进行集体建设的方法，需要解决当前可用技术以外的多智能体协调问题。除了多机器人系统的集体交互方法外，还必须整合和共同开发材料设计、使用和环境控制机制，以实现合作建设。

帝国理工学院提出的系统被称为 Aerial-AM，它将生物合作机制与工程原理相结合，利用多台无人机实现。

无人机团队需要并行开发一些关键技术，包括：1）空气机器人可以进行高精度材料沉积和打印质量，实时定性评价；2）空气机器人团队可以广播自己的活动，无线共享数据，不相互干扰；3）独立导航和任务规划系统，结合打印路径策略确定和分配制造任务；4）设计或选择材料规划，特别是轻质和可打印的水泥混合物，适用于无模板或临时脚手架的空中添加剂制造方法。

Aerial-AM 使用两种类型的空中机器人平台，分别被称为 BuilDrone 和 ScanDrone，BuilDrone 堆放物理材料，ScanDrone 用于每层材料沉积后的增量空气扫描和验证观察。两个机器人平台通过分布式多代理方法协调各自的工作流。包括构建循环 BuilDrones 和 ScanDrone 在飞行中打印性能表征，BuilDrones 通过实时轨迹适应和材料打印， ScanDrone 验证人类监督员的打印效果。

图 2. 用于不受限制和无限制 AM 的 Aerial-AM 框架。

新研究提出的多智能体 Aerial-AM 框架由制造和进度观察两个循环组成，用于规划的慢时间尺度和实时操作的快时间尺度。在概念验证中，研究人员使用它 ScanDrone 机载视觉系统 3D 用膨胀泡沫材料扫描映射进度，形成大圆柱体。

图 3. Aerial-AM BuilDrone 打印了 2.05 m 高圆柱形几何图形包括 72 二次材料沉积行程由 ScanDrone 实时打印评估。

图 4. 两台 BuilDrones 使用误差补偿 delta 机械手将薄壁圆柱体移动 3D 用沉积胶结材料打印。

图 5. Aerial-AM 多机器人光轨虚拟打印圆顶旋转表面。a、c 是飞行轨迹，b、d 是顶视图和透视图。f 展示了使用 15 机器人打印放大版几何图形的模拟结果，其底径为 15 m。

通过 BuilDrone 材料沉积和 ScanDrone 实时定性评估打印结构，研究人员成功打印高达 2.05 米的圆柱体，证明了 Aerial-AM 制造大型几何物体的能力。水泥薄壁圆柱体的制造实验证明，自对准平行 delta 机械手与 BuilDrone 在横向和垂直方向上允许高精度耦合(最大精度 5 在英国建筑要求允许的范围内，毫米位置误差)沉积材料。

虚拟光轨 AM 和仿真结果表明，Aerial-AM 通过并行多机器人制造，框架可以有效地打印各种几何形状，解决拥堵问题，并在异常情况下完成自适应。

尽管这些实验得到了成功的验证 Aerial-AM 可行性，但它们只是探索使用空气机器人建造建筑潜力的第一步。研究人员表示，要实现无人机 3D 印刷建筑还需要在机器人技术和材料科学方面取得重大进展，特别是在支持材料沉积、活性材料固化和多机器人间任务共享等前沿领域。

对于无人机本身，为了使研究结果走出实验室，研究人员正计划实施差异化的全球定位系统（GPS）同时定位和制图多传感器（SLAM）为了提供足够的户外定位，系统。

实用化后，Aerial-AM 支持偏远地区住房和重要基础设施建设基础设施建设的替代方式。

参考链接：

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

https://www.technologyreview.com/2022/09/21/1059864/drones-3d-print-tower/