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        Nature:無人機(jī)建筑師問世,半小時蓋2米,或成未來火星建造者?

        在貪婪改造地球的同時,人類的火星夢也愈發(fā)強烈。

        自 20 世紀(jì) 60 年代以來,人類已經(jīng)對火星實施了 40 余次探測任務(wù),但至今也沒有將任何一個人送上火星。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。(此前的計劃時間分別為 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間活動和作業(yè),比如在火星極端條件下建造人類居住、活動場所等。

        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)實驗室(Empa)的研究團(tuán)隊及其合作者,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)

        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)

        對此,論文通訊作者、倫敦帝國理工學(xué)院空中機(jī)器人實驗室主任、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,未來可以幫助我們在人類難以到達(dá)的地區(qū)(危險地區(qū)、極高處或有自然災(zāi)害風(fēng)險的偏遠(yuǎn)地區(qū))建造和修復(fù)建筑物?!?/p>

        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,因為相比于人類建筑人員,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)幾何可變設(shè)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(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,也會給建筑點的人和其他機(jī)器帶來危險。

        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)境中運輸或安裝大型基礎(chǔ)設(shè)施也是不可實現(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,小型移動機(jī)器人團(tuán)隊具備更大的靈活性和可擴(kuò)展性,可以構(gòu)建比單個機(jī)器人本身更大的幾何形狀,同時具有在多個建筑點高效、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地面機(jī)器人車輛,操作高度有限。而且這些移動系統(tǒng)同樣受平臺規(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之間往返 1200 次;而白蟻、黃蜂等群居昆蟲,則表現(xiàn)出了更強的適應(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,在整個建造過程中降低了對先前建筑結(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機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)作為一個多主體系統(tǒng)來運行。

        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: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)。它們在飛行時是完全自主的,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證的圓柱體,在整個建造過程中,實時評估打印的幾何圖形,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 BuilDrone 來建造更大的結(jié)構(gòu)。

        其中,概念驗證圓柱體包括一個使用聚氨酯泡沫材料 3D 打印出的 2.05 米高圓柱體(72 層),以及一個使用定制設(shè)計的結(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、BuilDrone 和 3D 打印的泡沫結(jié)構(gòu),BuilDrone 打印 1 層需要 24 秒,打印 72 層共計耗費 29 分鐘

        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 對打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行環(huán)內(nèi)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,可以有效地打印各種幾何結(jié)構(gòu)。

        雖然這些實驗成功驗證了 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)

        同時,結(jié)構(gòu)有效的幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計和工程,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驗室,研究團(tuán)隊計劃在未來為 Aerial-AM 增加一個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),從而提供一個高精度的戶外定位服務(wù)。

        同時,建筑規(guī)模的增大需要材料和電池補給在未來實現(xiàn)自動化;也需要新的分析方法,來進(jìn)一步評估分布式制造相對于制造對象的規(guī)模和所使用的機(jī)器人平臺的效率。

        盡管如此,該研究提出的系統(tǒng)實現(xiàn)了自動 Aerial-AM 的概念驗證,并可能會為使用集體多機(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)一步驗證這一解決方案,研究團(tuán)隊將與建筑公司合作,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”們的勞動成果吧。

        論文鏈接:

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

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