像一群蜜蜂一样：这些无人机可以在飞行中3D打印结构

如果我们看到一个蜂巢，很多人就会退避三舍，我们心里会想：这些蜜蜂很危险，赶紧远离它们。但是蜜蜂的有一些行为非常令人着迷。蜂巢是一项了不起的工程壮举。从树芽到嚼碎的蜡，成群结队的蜜蜂在空中飞行时，将这些原料放入密密麻麻的蜂巢中，每个都是一个几何杰作。这个杰作几乎是蜜蜂在大自然的本能行为，没有任何外力的作用，都是上万年进化和自然选择的结果。

与此形成鲜明对比的是，人类的建设更多地是在陆地上进行。推土机、压实机和混凝土搅拌机非常有效，这些工程机械一直是建立我们基础设施的支柱。但它们也很笨重，不容易操作，需要在道路上经过或其他运输手段将这些笨重的工程机械运到作业场。这就削弱了它们对需要快速帮助的岛屿和其他偏远地区的自然灾害作出快速反应的能力，特别是在紧急情况发生后。

不幸的是，我们已经开始遭遇到越来越频繁的极端气候例子。汹涌的野火导致的剧烈的道路侵蚀。高速公路和桥梁在被洪水和飓风的水浸泡后崩塌。本月，即使加勒比海地区的波多黎各的部分地区仍在从飓风玛丽亚中恢复和重建，许多房屋再次被飓风菲奥娜淹没。

有没有一种方法可以在难以进入的地区快速建造庇护所甚至房屋，并更好地应对这些紧急情况？

上周，英国伦敦帝国理工学院的一个团队从蜜蜂那里获得灵感，设计了一批自主无人机，可以3D打印出任何设计的结构。类似于蜜蜂的蜂巢，每架无人机都独立行动，但它们是一个团队。整个机群被称为空中增材制造（Aerial-AM）。

像蜜蜂一样，无人机各自有不同的角色。有些是建造者，被称为BuilDrones它们在飞行时沉积材料。另一些是ScanDrones，它们充当管理者，持续扫描当前的构建并提供反馈。

在几次测试中，机群打印了多个结构，这些机群使用的材料从泡沫到类似水泥的胶体，它们的精确度达到了毫米级，只需最少的人工监督。这与精细的3D打印房屋相比仍有很大差距，更像是孩子们对陶器的首次尝试。一些结构类似于简陋的塔，另一些则是编织的柳条筐。

我们可能离3D打印桥梁以从即将到来的热带风暴中疏散人们还有一段距离。但这项研究表明，我们向这种可能性迈出了一步。作者说："Aerial-AM允许在飞行中制造，并为在无边界、高处或难以进入的地点进行建造提供了未来的可能性。"

机器人施工

使用机器人来帮助施工已经不是什么新鲜事了。但由于越来越复杂的算法，它们已经成为基础设施业务中的方便工具。另一个想法是帮助完成干墙等任务，极大地减少所需时间。另一个是与困扰我们所有人的住房短缺问题作斗争。在过去的几年里，3D打印的房屋从幻想变成了现实，这些打印的案例经历了从华丽的小房子到负担得起的多房间房屋。

但工程师一直缺乏的是该技术在农村地区的应用。我们想象一下农村充满坑洞的土路，在晴朗的日子里颠簸不平，在暴雨过后又是深及脚踝的泥泞噩梦。想象一下车轮陷在几英寸的泥浆中，除了铲子之外没有办法把自己挖出来。现在想想把巨大的3D打印机或其他建筑机器人运到那个紧急地点。

这个不太理想，对吗？与其与地球和重力作斗争，为什么不进行飞行作业呢？

经历风暴

受到蜜蜂的启发，由伦敦帝国理工学院的米尔科·科瓦奇博士领导的团队研究将机器人飞上天空。他们的想法是将3D打印与自组织无人机编织在一起，这些无人机可以无缝地建立一个预先编程的蓝图的 "蜂巢"。

主要的想法是依靠我们随意塑造某些材料的能力，就像挤压橡皮泥或堆叠乐高积木一样。这个过程让我们灵活地将材料塑造成不同的几何设计，并被称为 "自由连续增材制造"（这个专有工程技术名词很拗口，所以就叫 "AM"）。

它始于对野外自由飞翔的建造者对工程建筑的拍摄欣赏。以黄蜂为例。虽然不是最友好的生物（这要从人们痛苦的蜇伤说起），但它们相当了不起，因为它们在分配建筑材料的路径上有很高的效率。这就像一个飞行的木匠与同伙无缝地建造一个柜子。这是一个令人难以置信的壮举，科学家们仍在努力理解这个难以执行的壮举。

在这里，该团队询问是否有可能用一群较小的机器人实现同样的工程能力。这是一个棘手的问题，因为以前的大多数方法都只处于 "早期探索阶段"，该团队说，"操作高度有限"。

他们的解决方案是一个软件，即Aerial-AM框架，它利用了以前的工程理念和自然先例，所以每架无人机可以作为一个蜂群并行工作。无人机在飞行时还必须充当忠实的3D打印机，向它们的无人机邻居广播它们的位置和活动（因此不会在结构上有额外的 "空隙"）。然后，在有限的人为干扰下，每架无人机都被装备成能够在空气空间中导航，而不会相互碰撞。最后，根据给定的结构，他们根据指示小心翼翼地挤出一种轻质的、类似泡沫的材料或可打印的水泥混合物。

操作背后的大脑是Aerial-AM，它将工程物理学与人工智能相结合，为两种不同类型的空中机器人平台编程。一个是BuilDrone，它根据编程自主地沉积任何材料。另一个是ScanDrone，质量控制机器人，用计算机视觉扫描正在进行的施工。就像建筑工地上的经理一样，每沉积一层，它就向建筑无人机提供反馈。

这个过程并不完全由机器人运行。人类监督员可以进入制造策略阶段，即打印材料的最佳方式以及制造阶段。在打印之前，该团队运行了一个模拟，使用三个或更多的无人机生成一个 "虚拟打印"。

作为一个概念验证，该团队用几种形状和材料对他们的3D打印平台Aerial-AM进行了挑战。其中一个是一个超过6.5英尺高的圆柱体，用超过72层的聚氨酯泡沫材料打印而成。另一种BuilDrone对类似水泥的混合物进行了优化，它建造了一个近4英尺高的薄圆柱体。

在最后的测试中，六架无人机帮助建造了一个抛物线表面（图片为顶针）。基于这些数据，该研究随后进行了几次模拟，询问结构的规模和机器人的数量如何改变最终的建造。

总的来说，建筑群具有很强的适应性，不仅对规模和结构，而且对机器人的数量也有很大的适应性。即使潜在的机器人数量增加，它们也会优化它们的路径，以避免碰撞，就像晚餐高峰期热闹的餐厅的厨师一样。

无人机小队还没有准备好进入黄金时间。目前，它们只被证明可以建造小规模的结构。但该团队充满希望。Aerial-AM框架可以在多机器人的舞蹈中打印不同类型的结构，而不会出现拥堵。该团队说，它展示了 "适应性和单个机器人的冗余性"。

虽然只是第一步，但这项工作巩固了无人机作为空中建筑工人的可行性--那些有朝一日可以通过飞入危险地区来拯救生命的人。"科瓦克说："我们相信，与传统的人工方法相比，我们的无人机舰队可以帮助降低未来的建筑成本和风险。

另外建筑增材制造（ABM）正在通过建筑和建筑部件的3D打印改变建筑业。一些国家现在已经证明ABM可以大幅减少施工时间、材料和运输成本，提高工人的安全标准，缓解建筑业对城市交通拥堵和环境的影响。ABM还能在不增加成本的情况下提供几何上的多样性。与大多数制造业相比，建筑业中的多样性是必要的，以满足不同客户的要求，并适应独特的地形、边界和每个物理站点的法律。

然而，目前的ABM系统很难在建筑工地上部署，因为它们的体积大，固定的3D打印建造量不够灵活，无法处理大多数建筑场景的复杂性，也无法为人类安全提供足够的措施。这些ABM技术无法承担维护和修理工作，也无法在许多城市或高处建造建筑物。它们也不能被用于灾后重建活动，而在这种情况下，它们的制造速度会有很大的帮助。
为了解决这一局限性，本研究提案旨在开发世界上第一个空中增材制造（Aerial ABM）系统，该系统由一群空中机器人（无人机系统（UAS））组成，可以自主评估和制造建筑结构。与现有的ABM和标准建筑施工技术相比，空中ABM在人类安全、速度、灵活性和制造效率方面有重大改进。我们已经开发并展示了使用无人机系统的试验结果，该系统可以在飞行过程中挤出3D打印材料，我们已经开发了模拟环境，允许自主规划和执行与无人机系统群协作的制造。