多無人機協(xié)同3D打印蓋房子，研究登上Nature封面

來源：機器之心
把大興土木的事交給無人機，讓它們表演 3D 打印可好？

我們經�？梢钥吹矫鄯�、螞蟻等各種動物忙碌地筑巢。經過自然選擇，它們的工作效率高到嘆為觀止。

這些動物的分工合作能力已經「傳給」了無人機，來自英國帝國理工學院的一項研究向我們展示了未來的方向，就像這樣：

無人機 3D 打�。�

‍ 本周三，這一研究成果登上了《自然》封面。

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

為了展示無人機的能力，研究人員使用泡沫和一種特殊的輕質水泥材料，建造了高度從 0.18 米到 2.05 米不等的結構。與預想的原始藍 圖相比，誤差不到 5 毫米。

為了證明該系統(tǒng)可以處理更復雜的無人機編隊，該團隊使用無人機上的燈光創(chuàng)建了一個光跡延時序列，模擬制作一個高高的圓頂狀結構。

該研究的領導者、英國帝國理工學院空中機器人實驗室主任 Mirko Kovac 表示：這種方法可以用于在北極甚至火星上建造建筑物，或者幫助修復通常需要昂貴的腳手架的高層建筑。

不過，目前該技術還受到一些限制，因為無人機難以承載重物，需要定期充電，并且仍然需要人工監(jiān)督。然而，研究人員表示，他們希望通過在項目研究期間自動為無人機充電來緩解其中的一些問題。

無人機 3D 打印是怎么實現(xiàn)的？對此，研究者們構建了一套精密的體系。

研究介紹

為了提高生產率和安全性，人們提出了基于機器人的建筑技術，以用于建筑構件的組裝和自由形式的連續(xù)增材制造 ( AM，additive manufacturing ) 。與基于組裝的方法相比，自由形式的連續(xù)增材制造能夠靈活生產幾何變量設計，具有效率高、成本低等特點。然而，這些大型系統(tǒng)需要與電源連接，檢查、維護、修理不方便，難以在惡劣環(huán)境中制造等困難。

作為大型單個機器人系統(tǒng)的替代方法，小型移動機器人可以提供更大的靈活性和可擴展性。然而，使用機器人編隊進行建筑的研究還處于發(fā)展的早期探索階段。此外，目前多機器人操作高度有限，超過一定范圍就不行了。下圖展示了建筑行業(yè)中為增材制造開發(fā)的 SOTA 機器人平臺之間的對比。

與當前的機器人系統(tǒng)及其固有局限性相比，自然建造者在建筑時表現(xiàn)出了更強的適應性，許多借助飛行和增材建造方法來做到這一點。例如，燕子可以在材料來源和建筑地之間進行 1200 次飛行以逐步完成巢穴。白蟻和黃蜂等群居昆蟲則表現(xiàn)出了更大程度的適應性和可擴展性：由社會黃蜂進行的空中施工顯示了高效和直接的路徑優(yōu)化，減輕了在整個建筑過程中的導航需求。

這些自然系統(tǒng)啟發(fā)了使用多智能體進行集體建設的方法，這種方法需要解決當前可用技術之外的多智能體協(xié)調問題。除了多機器人系統(tǒng)的集體交互方法外，材料設計和使用以及環(huán)境操縱機制必須整合和共同開發(fā)，以實現(xiàn)合作建設。

帝國理工提出的體系被稱為 Aerial-AM，它將生物合作機制與工程原理相結合，使用多個無人機來實現(xiàn)。

無人機團隊實現(xiàn)自主增材制造需要并行開發(fā)多項關鍵技術，其中包括：1）能夠進行高精度材料沉積和打印質量，實時定性評估的空中機器人；2）空中機器人團隊能夠相互廣播自己的活動，無線共享數(shù)據(jù)，互不干擾；3）自主導航和任務規(guī)劃系統(tǒng)，結合打印路徑策略自適應地確定和分配制造任務；4）設計或選擇材料規(guī)劃，特別是輕質和可打印的水泥混合物，適用于空中增材制造方法，無需模板或臨時腳手架。

Aerial-AM 使用兩種類型的空中機器人平臺，分別被稱為 BuilDrone 和 ScanDrone，BuilDrone 用于堆砌物理材料，ScanDrone 用于在每層材料沉積后執(zhí)行增量空中掃描和驗證觀察。兩個機器人平臺都經由分布式多代理方法在各自工作流上進行了協(xié)調。構建循環(huán)包括 BuilDrones 和 ScanDrone 的飛行中打印性能表征、BuilDrones 的實時軌跡適應和材料打印，以及通過 ScanDrone 和人類監(jiān)督人員進行的打印效果驗證。

圖 2. 用于不受限制和無界增材制造的 Aerial-AM 框架。

新研究提出的多智能體 Aerial-AM 框架由兩個循環(huán)組成，分別在規(guī)劃的慢時間尺度和實時操作的快時間尺度上運行，用于制造和進度觀察。在概念驗證中，研究者們利用 ScanDrone 機載視覺系統(tǒng)進行 3D 掃描以映射進度，使用膨脹泡沫材料構建了一個大型圓柱體。

圖 3. Aerial-AM BuilDrone 打印了 2.05 m 高的圓柱形幾何圖形，其中包含 72 次材料沉積行程，并由 ScanDrone 進行實時打印評估。

圖 4. 兩臺 BuilDrones 使用誤差補償 delta 機械手對薄壁圓柱體進行 3D 打印，以沉積膠結材料。

圖 5. Aerial-AM 多機器人光軌虛擬打印圓頂狀旋轉表面。a、c 是飛行軌跡，b、d 是頂視圖和透視圖。f 展示了使用 15 個機器人打印放大版幾何圖形的模擬結果，其底徑為 15 m。

通過 BuilDrone 的材料沉積和 ScanDrone 對打印結構進行實時定性評估，研究人員成功打印出了高達 2.05 米的圓柱體，證明了 Aerial-AM 方法制造大型幾何物體的能力。水泥薄壁圓柱體的制造實驗證明，自對準平行 delta 機械手與 BuilDrone 的耦合允許在橫向和垂直方向以高精度（最大 5 毫米位置誤差）沉積材料，這個水平在英國的建筑要求允許范圍之內。

虛擬光軌增材制造 和仿真結果表明，Aerial-AM 框架可以通過并行多機器人制造有效地打印各種幾何形狀，同時解決擁堵，并在異常情況下完成自適應。

盡管這些實驗成功地驗證了 Aerial-AM 的可行性，但它們只是探索使用空中機器人進行建筑的潛力的第一步。研究人員表示，要想實現(xiàn)無人機 3D 打印蓋房，還需要在機器人技術和材料科學方面取得重大進展，特別是支撐材料的沉積、活性材料的固化和多機器人之間任務共享等前沿領域進行發(fā)展。

而對于無人機本身，為使研究成果走出實驗室，研究者們正打算實施具有差分全球定位系統(tǒng)（GPS）的多傳感器同時定位和制圖（SLAM）系統(tǒng)，以提供足夠的室外定位。

在實用化之后，Aerial-AM 或許可以提供一種替代方式來支持偏遠地區(qū)的住房和重要基礎設施建設。