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在自然界中，有許多的群居昆蟲是優(yōu)秀的自然建筑家，黃蜂作為一個(gè)典型的例子，能夠空中協(xié)作進(jìn)行高效筑巢，相信看過電影《變形金剛》的讀者們都對影片中的大黃蜂等機(jī)器人印象深刻，他們也能完成高效自主運(yùn)動及團(tuán)隊(duì)協(xié)作。在現(xiàn)實(shí)生活中，為了提高生產(chǎn)率和安全性，目前基于仿生機(jī)器人的建筑活動技術(shù)也逐步被開發(fā)用于建筑構(gòu)件的組裝和連續(xù)添加制造。

受黃蜂筑巢的啟發(fā)，來自英國帝國理工學(xué)院的Mirko Kovac團(tuán)隊(duì)通過將3D打印機(jī)安裝到無人機(jī)上，設(shè)計(jì)構(gòu)建了一批能夠在空中進(jìn)行有序協(xié)作、完成連續(xù)建造任務(wù)的機(jī)器人隊(duì)伍（Airial-AM），半小時(shí)蓋2米,太厲害了!。這不禁讓筆者感嘆，未來有可能實(shí)現(xiàn)全機(jī)器建筑房屋，以及修復(fù)受損建筑。該團(tuán)隊(duì)的這一創(chuàng)新工作近日以封面論文形式發(fā)表在《 Nature》期刊，并被 Nature Video進(jìn)行亮點(diǎn)報(bào)道,第一作者為Zhang Ketao。

這項(xiàng)研究構(gòu)建的Airial-AM將3D打印和路徑規(guī)劃框架進(jìn)行整合，可以在建造過程中適應(yīng)建筑幾何形狀的變化調(diào)整工作形式。整個(gè)Airial-AM隊(duì)伍主要包括兩種個(gè)體：BuilDrones和ScanDrones，其中，BuilDrone主要是為了實(shí)現(xiàn)物理材料的自動沉積，其制造精度取決于環(huán)境；而ScanDrone則是用于在每層材料沉積后進(jìn)行增量空中掃描和驗(yàn)證觀察。該群落在空中飛行時(shí)完全自主，但可以按照指定策略回路進(jìn)行空中協(xié)同作業(yè)，并做出實(shí)時(shí)軌跡調(diào)整，這個(gè)過程也受控制器監(jiān)控，可在特殊情況下進(jìn)行干預(yù)。研究結(jié)果證實(shí)，這些無人機(jī)隊(duì)伍可以在實(shí)驗(yàn)室中自主但協(xié)同的進(jìn)行空中作業(yè)來建造和修復(fù)建筑物。

Aerial AM建造高的圓柱形幾何建筑

Aerial AM建造圓柱形幾何建筑的軌跡路徑和追蹤評估

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)建筑時(shí)，層寬和打印精度之間的比率是研究者在打印幾何設(shè)計(jì)和路徑生成中考慮的主要因素，因此研究者設(shè)計(jì)了三種可縮放的路徑來構(gòu)建幾何建筑：多個(gè)相鄰的同心圓構(gòu)筑實(shí)心墻；一條圓形的皮亞諾曲線，交替層圍繞圓圈交錯(cuò)排列，偏移量為半個(gè)單位；三個(gè)不相鄰?fù)膱A與圓形皮亞諾曲線交替的混合設(shè)計(jì)。在進(jìn)行空中實(shí)際作業(yè)的過程中，控制基礎(chǔ)材料流變性和固化性質(zhì)對于Airial-AM打印擠出非常重要，研究者使用了兩種典型材料：一種是低密度聚氨酯泡沫塑料（干燥時(shí)可膨脹25倍）；另一種是更堅(jiān)固、更精確，是由水泥制成的混合物，半小時(shí)分別建造得到了高2.05米的72層圓柱體和高0.18 m的28層圓柱體。

Aerial AM隊(duì)伍光軌跡虛擬打印圓頂狀旋轉(zhuǎn)表面

比較有意思的是，當(dāng)Airial-AM與幾何體發(fā)生碰撞時(shí)，可以展現(xiàn)出適應(yīng)行為并對構(gòu)筑回路做出及時(shí)的調(diào)整，表現(xiàn)出了強(qiáng)大的靈活性和應(yīng)用潛力。為了提高建造幾何體的細(xì)節(jié)分辨率，研究者通過集成一個(gè)靈巧的Delta操縱器設(shè)計(jì)了另一種Aerial AM BuildDrone，并將材料噴嘴與操縱器末端執(zhí)行器一起移動來提高打印精度。建造過程中，BuilDrones和ScanDrones分工明確，交替有序的逐層進(jìn)行打印和調(diào)整。Aerial AM對所構(gòu)筑幾何的形狀進(jìn)行不斷實(shí)時(shí)評估及調(diào)整的特點(diǎn)，也保障了建造過程的精度和規(guī)范性，最終建造精度是5 mm。

Aerial AM——“一種可大規(guī)模應(yīng)用的結(jié)構(gòu)建造方法”

總而言之，在這項(xiàng)研究中，研究者們開發(fā)了一種全新的自主、靈活、可團(tuán)隊(duì)協(xié)作的無人機(jī)機(jī)器人群，為在偏遠(yuǎn)地區(qū)和自然條件極為惡劣的地區(qū)進(jìn)行住房和重要基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)提供了潛在手段，這將大幅降低該類建造過程的成本和風(fēng)險(xiǎn)。研究者們提到，接下來將嘗試走出實(shí)驗(yàn)室的作業(yè)范圍，引入差分全球定位系統(tǒng)（GPS）實(shí)現(xiàn)多傳感器同步定位和制圖（SLAM）系統(tǒng)提供足夠的室外定位，從而探索更廣闊的的實(shí)際用途。讓我們都拭目以待吧！

參考資料：
Zhang, K., Chermprayong, P., Xiao, F. et al. Aerial additive manufacturing with multiple autonomous robots. Nature609, 709–717 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04988-4.

來源： 高分子科學(xué)前沿
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