来源@视觉中国

文|学术头条

在贪婪改造地球的同时，人类对火星的梦想也越来越强烈。

自20世纪60年代以来，人类已经对火星进行了40多次探测任务，但迄今为止还没有人被送上火星。今年3月，被寄予厚望的马斯克声称希望在2029年将人类送上火星。(之前的计划分别是2025年和2026年。)

然而，即使人类最终能够登陆火星，稀薄的大气、寒冷的气候、尘土飞扬的天空等恶劣环境也使得人类很难在火星表面长期活动和工作，比如在火星极端条件下建造人类居住和活动场所。

今天，来自伦敦帝国理工学院(Imperial College London)和瑞士联邦材料科学与技术实验室(Empa)的研究团队及其合作者为未来建造火星提供了一种新的可能性——

受蜜蜂的启发，他们提出了一种新的建造方法，即使用无人机在飞行中建造3D打印结构，帮助人类在地球上任何地方(外部)建造任意建筑。

图|火星建造概念图。(来源:研究团队)

据报道，这几组3D打印无人机由BuilDrone(建筑无人机)和ScanDrone(扫描无人机)组成。前者在飞行中把建筑材料放在建筑物表面，后者主要承担质量控制任务。前者的建造进行了飞行测量，给出了下一步的建造建议。

最重要的是，这些无人机“建筑师”可以在人类的监督下聚集起来建造3D结构。这一重磅成果今天以封面文章的形式发表在最新一期《自然》杂志上。

图|最新一期《自然》封面。(来源:自然)

对此，论文作者、伦敦帝国理工学院空机器人实验室主任、Empa机器人材料和技术中心负责人米尔科·科瓦奇教授表示，“我们的解决方案是可扩展的，可以帮助我们在未来人类难以到达的地区(危险地区、极高的地方或有自然灾害风险的偏远地区)建造和修复建筑物。”

建筑师，做一切

目前，建筑构件的组装和自由形式连续增材制造(AM)已经用于建筑的现场建造，因为它们与人类建造者相比具有更少的安全问题和更高的生产率。

与基于装配的方法相比，自由形态连续增材制造可以实现几何可变设计的柔性生产，从而进一步提高材料利用率，降低成本。

目前现场施工使用的大型自由曲面增材制造方式主要采用地面机器人和龙门吊系统。然而，这些技术需要将机器人硬件的尺寸扩展到比预期的制造包络更大的尺寸，这使得并行操作变得困难，并且也给施工现场的人和其他机器带来危险。

此外，由于这些大型系统需要直接连接到电源，因此它们很难在偏远和难以到达的环境中完成检查、维护或制造，也无法在这些环境中运输或安装大型基础设施。

作为大型单个机器人系统的替代方案，小型移动机器人团队具有更大的灵活性和可扩展性，可以构建比单个机器人本身更大的几何形状。同时，它还具有在多个施工现场高效并行自适应分布的潜力。

然而，使用机器人团队的建筑研究仍处于发展的早期阶段，目前主要集中在建筑构件的组装上。

另外，目前的多机器人增材制造方式主要采用移动地面机器人车，作业高度有限。此外，这些移动系统还受到许多因素的限制，例如平台规模、最大建筑外壳、并行制造能力和可达性。

然而，与目前的人工机器人系统相比，自然界中的“建筑师”(如蜜蜂、白蚁和家燕等。)能在飞行中筑巢，表现出极大的灵活性。

比如，一只燕子为了自己筑巢，可以克服自身有限的载重能力，在建材源头和未来的筑巢地点之间往返1200次；而白蚁、黄蜂等群居昆虫则表现出更强的适应性和灵活性。

特别是蜂群完成的空的构建，表现出高效直接的路径优化，减少了整个构建过程中对前期建筑结构的依赖和限制。

尤其是蜂群完成的空的构建，表现出高效直接的路径优化，减少了构建过程中对前期建筑结构的依赖和限制。

受这些自然系统的启发，科瓦奇团队及其合作者提出了一种新的集体构建方法，称为“空介质增材制造(Aerial-AM)”，它使用一个不受约束的移动机器人网络作为多智能体系统来运行。

与传统方法相比，Aerial-AM(下图虚线框内)可以在人类难以到达的地方，以无区域的方式并行制造。

图|不同增材制造机器人平台对比。由红到蓝的渐变，预示着建设规模、灵活性、可达性的提升。(来源:本报)

无人机群按照预设的程序系统工作，在飞行中完成施工任务。它们在飞行中完全自主，但由人类控制员监控。控制者根据无人机提供的信息检查施工进度，并在必要时进行干预。

29分钟，2.05米高

根据论文描述，Aerial-AM使用3D打印技术和路径规划框架来帮助无人机适应建造过程中结构的几何变化。

无人机使用泡沫和类似水泥的材料建造了一个概念验证的圆柱体。在整个构建过程中，实时评估打印的几何图形，并调整其行为，以确保符合制造规范。施工精度达到5mm(英国建筑要求可接受)。

图|利用Aerial-AM方法的增量制造原理，可以通过部署多个BuilDrone来建造更大的结构。

其中，概念验证圆筒包括一个用聚氨酯泡沫3D打印的2.05米高的圆筒(72层)，和一个用定制设计的结构胶结材料建造的18厘米高的圆筒(28层)。

图|无人机ScanDrone(小)、BuilDrone(大)和3D打印泡沫结构。BuilDrone打印1层需要24秒，72层需要29分钟。(来源:研究团队)

作为一种独立的、可扩展的、柔性的增材制造方法，Aerial-AM能够适应机器人几何类型、规模和数量的变化。

BuilDrone用于沉积材料，ScanDrone用于定性评价环中的打印结构，打印出2.05米高的圆柱体。证明了Aerial-AM法制造大尺寸几何图形的能力。

此外，其他制造试验证明，Aerial-AM具有精度高(5mm位置误差)、平行能力强的特点，能有效打印各种几何结构。

虽然这些实验成功验证了Aerial-AM的可行性，但它们只是探索空中使用机器人进行建筑的潜力的第一步。

如果要用本研究提出的方法实现建筑几何结构的整体制造，需要在机器人技术和材料科学方面取得长足的进步。尤其是支撑材料的沉积、活性材料的固化以及多机器人之间的任务分担都需要进一步突破。

图|森林建设概念图。(来源:研究团队)

同时，具有有效结构的几何结构的设计和工程化以及印刷几何结构行为的系统化分析仍需进一步研究。

为了让研究成果走出实验室，研究团队计划在未来为Aerial-AM增加多传感器同步定位与绘图(SLAM)系统和差分全球定位系统(GPS)，从而提供高精度的室外定位服务。

同时，建筑规模的增加要求未来材料和电池供应的自动化；还需要新的分析方法来进一步评估相对于制造对象的分布式制造的规模以及所使用的机器人平台的效率。

尽管如此，本研究提出的系统实现了自动天线-AM的概念验证，并为构建多机器人增材制造系统奠定了基础。

未来，Aerial-AM将成为支持偏远地区住房和重要基础设施建设的替代手段。在这些地区，全球变暖、自然灾害和恶劣天气频繁发生，使得现有的建筑方法遇到了前所未有的挑战。

在接下来的工作中，为了进一步验证该方案，研究团队将与施工公司合作，继续探索该方案的施工和修复能力。

最后，让我们一起来欣赏这些“建筑师”的成果。

纸质链接:

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