飞行机器人在飞行中自行建造3D打印结构

UNIVERSITY COLLEGE LONDON

一项新的研究发现，以黄蜂和鸟类为模型的飞行3D打印机器人有一天可能会在标准施工队无法到达的偏远地点用于修复和建造建筑物。

有一天，能够在现场打印3D结构的建筑机器人可能会比人类团队更快、更安全、更高效。然而，建筑机器人目前主要集中于地面机器人。这种方法受到机器人所能达到的高度的限制，并且需要连接电源的大型系统在可部署的位置上受到限制。

在这项新的研究中，研究人员从飞行动物身上获得了灵感，这些飞行动物非常擅长建筑。例如，为了筑巢，燕子可以克服一次飞行所能携带的有限载荷，通常会在获取建筑材料的地方和建筑工地之间飞行1200次。

研究人员开发的新型机器人群组，他们称之为航空添加剂制造系统，可以在飞行中集体自主地打印3D结构。该机器人队伍由两种无约束四轮无人机BuilDrones和ScanDrones组成，前者从喷嘴分层沉积材料，后者使用标准光学相机连续绘制3D结构图并监控其质量。

该研究的资深作者Mirko Kovač是伦敦帝国理工学院和瑞士杜本多夫瑞士材料科学与技术联邦实验室的机器人学家，他说：“这种制造和扫描与飞行机器人的结合是非常创新的。”

无人机从单一蓝图协同工作，随着施工进度实时适应几何结构的变化。机器人在飞行时是完全自主的，但人类监督员可以监控无人机的数据，并在必要时进行干预。

关于这种方法，经常被问到的一个问题是“当一架无人机的运载能力相对较低时，你能用一架无飞机建造一些东西吗？”Kovač说，“这一策略的关键不只是使用一架无人机，而是使用许多无人机协同工作，这在动物王国中也是常见的。当动物想要建造大型建筑时，它们会成群结队或集体合作。”

研究人员开发了四种不同的混合物，用于机器人3D打印。Kovač说，机器人、它们的软件、它们所用的材料以及它们最终构建的架构都需要一起设计，研究人员称之为“物理人工智能”。

Kovač说：“我们不仅仅是把一些材料放在机器人上，材料本身的演变可能非常复杂，并且可以根据机器人的负载相对较低进行调整。”

在实验中，无人机可以在29分钟内用聚氨酯绝缘泡沫制造出大约2米高、30厘米宽、72层的圆柱体。他们还可以在133分钟内用水泥状材料制成一个18厘米高、33厘米宽、28层的圆柱体。总之，他们达到了5毫米的制造精度，符合英国建筑要求。

科学家们指出，他们的方法可能适用于大量机器人团队工作。Kovač说，“潜在的应用可能包括高空作业，或在无法进入的区域进行作业，例如建筑物的正面，或需要快速修复的偏远结构，如管道等。”研究人员表示，其他潜在用途可能包括在敌对地点或自然灾害后进行搭建。

Kovač说：“我们现在正在与工业伙伴进行案例研究，以将我们的方法应用于工业问题。我们可以根据一种或另一种使用情况定制无人机，这可能包括更大的无人机，或略有不同的无人机设计。”

Kovač与伦敦大学学院和费城宾夕法尼亚大学的建筑师Robert Stuart-Smith及其同事一起，于9月21日在《自然》杂志上在线详述了他们的发现。