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文 | 學術頭條

在貪婪改造地球的同時，人類的火星夢也愈發強烈。

自 20 世紀 60 年代以來，人類已經對火星實施了 40 餘次探測任務，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境，也使得人類很難在火星表面長時間活動和作業，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院（Imperial College London）、瑞士聯邦材料科學與技術實驗室（Empa）的研究團隊及其合作者，為未來的火星建造提供了一種新的可能——

他們受

蜜蜂

啟發提出了一種新型建造方法，即

利用無人機在飛行中建造 3D 列印結構，幫助人類在地球內（外）的任何地方建造任意建築。

圖｜火星建造概念圖。（來源：研究團隊）

據介紹，這些 3D 列印無人機群由 BuilDrone（建造無人機）和 ScanDrone（掃描無人機）組成，前者在飛行過程中將建築材料放置在建築物表面，後者則主要承擔質量控制任務，在飛行中測量前者的施工情況，並給出下一個施工建議。

最重要的是，這些無人機“建築師”可以在人類監管下叢集自行建造 3D 結構。這一重磅成果，於今日以封面文章的形式發表在最新一期的 Nature 雜誌上。

圖｜最新一期 Nature 封面。（來源：Nature）

對此，論文通訊作者、倫敦帝國理工學院空中機器人實驗室主任、Empa 機器人材料與技術中心負責人 Mirko Kovac 教授表示，“我們的解決方案是可擴充套件的，未來可以幫助我們在人類難以到達的地區（危險地區、極高處或有自然災害風險的偏遠地區）建造和修復建築物。”

建築師，要無所不及

當前，建築構件的組裝和自由形式的連續增材製造（additive manufacturing，AM），已被用於建築的現場建造，因為相比於人類建築人員，它們的安全問題更少，且生產力更高。

與基於組裝的方法相比，

建築師，要無所不及

從而進一步提高材料利用率並降低成本。

目前，用於現場施工的大型自由形式增材製造方法主要使用地面機器人和門式起重機系統。然而，這些技術需要將機器人硬體的尺寸擴大到比預期的製造圍護結構更大的尺寸，這就使得並行操作變得困難，也會給建築點的人和其他機器帶來危險。

此外，由於這些大型系統需要直接連線到電源，它們很難在偏遠、難以到達的環境中完成檢查、維修或製造等工作，而且在這些環境中運輸或安裝大型基礎設施也是不可實現的。

作為大型單機器人系統的替代方法，小型移動機器人團隊具備更大的靈活性和可擴充套件性，可以構建比單個機器人本身更大的幾何形狀，同時具有在多個建築點高效、並行地自適應分佈的潛力。

然而，使用機器人團隊進行建築的研究還處於發展的早期探索階段，當前主要集中在建築構件的組裝上。

此外，目前的多機器人增材製造方法主要使用移動地面機器人車輛，操作高度有限。而且這些移動系統同樣受平臺規模、最大建築圍護結構、並行製造能力和可訪問性等諸多因素的限制。

但是，

自由形式的連續增材製造能夠實現幾何可變設計的靈活生產，

例如，一隻燕子為搭建自己的巢穴，可以克服自身有限的載荷能力，在建築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，則表現出了更強的適應性和靈活性。

特別是，由蜂群完成的空中建造展示了高效和直接的路徑最佳化，在整個建造過程中降低了對先前建築結構的依賴和限制。

特別是，由蜂群完成的空中建造展示了高效和直接的路徑最佳化，在建造過程中降低了對先前建築結構的依賴和限制。

受這些自然系統的啟發，Kovac 團隊及其合作者提出了一種名為“空中增材製造（Aerial-AM）”的集體建造新方法，使用不受束縛的移動機器人網路作為一個多主體系統來執行。

相比於傳統方法，Aerial-AM（下圖虛線框內）可以在人類難以到達的地點以不受區域限制的方式進行並行製造。

圖｜不同增材製造機器人平臺的比較，紅色向藍色的漸變表示建造規模、靈活性和可訪問性的改進。（來源：該論文）

無人機群根據預設程式系統工作，在飛行中完成建造任務。它們在飛行時是完全自主的，但受人類控制者監控。控制者根據無人機提供的資訊檢查建造進度，並在必要時進行干預。

與目前的人工機器人系統相比，自然界中的“建築師”（比如蜜蜂、白蟻和家燕等）卻可以在飛行中建造巢穴，表現得非常靈活。

據論文描述，Aerial-AM 使用 3D 列印技術和路徑規劃框架來幫助無人機在建造過程中適應結構的幾何變化。

無人機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，實時評估列印的幾何圖形，並調整其行為，以確保符合製造規格，建造精度達到了 5 毫米（在英國建築要求中是可接受的）。

圖｜利用 Aerial-AM 方法的增量製造原理，可以透過部署多個 BuilDrone 來建造更大的結構。

其中，

29分鐘，2.05米高

圖｜無人機 ScanDrone（小）、BuilDrone（大）和 3D 列印的泡沫結構，BuilDrone 列印 1 層需要 24 秒，列印 72 層共計耗費 29 分鐘。（來源：研究團隊）

作為一種自主的、可擴充套件的、靈活的增材製造方法，Aerial-AM 可適應幾何型別、規模和機器人數量的變化。

使用 BuilDrone 進行材料沉積，使用 ScanDrone 對列印結構進行環內定性評估，對 2。05 米高的高圓筒進行列印，

29分鐘，2.05米高

。

此外，其他製造試驗證明，Aerial-AM 具有精度高（5 毫米位置誤差）、並行能力強等特點，可以有效地列印各種幾何結構。

雖然這些實驗成功驗證了 Aerial-AM 的可行性，但它們

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），以及一個使用定製設計的結構膠凝材料建造的 18 釐米高圓柱體（28 層）。

。

要想使用此次研究提出的方法實現建築幾何結構的全面製造，需要機器人技術和材料科學方面取得重大進展。特別是，

證明了 Aerial-AM 方法制造大尺寸幾何圖形的能力

。

圖｜森林建造概念圖。（來源：研究團隊）

同時，結構有效的幾何結構的設計和工程，以及列印幾何結構行為的系統分析，仍然需要進一步的研究。

為了使研究成果走出實驗室，研究團隊計劃在未來為 Aerial-AM

只是探索使用空中機器人進行建築的潛力的第一步

，從而提供一個高精度的戶外定位服務。

同時，建築規模的增大需要材料和電池補給在未來實現自動化；也需要新的分析方法，來進一步評估分散式製造相對於製造物件的規模和所使用的機器人平臺的效率。

儘管如此，

支撐材料的沉積、活性材料的固化以及多機器人之間的任務共享，有待進一步取得突破

未來，Aerial-AM 或將成為支撐偏遠地區住房和重要基礎設施建設的替代手段。在這些地區，全球變暖、自然災害和惡劣氣候頻發，使得現有建築方法遭遇了前所未有的挑戰。

在接下來的工作中，為進一步驗證這一解決方案，

增加一個多感測器同步定位和測繪（SLAM）系統與差分全球定位系統（GPS）

。

最後，一起欣賞下這些“建築師”們的勞動成果吧。

論文連結：

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