來源:機(jī)器之心
把大興土木的事交給無人機(jī),讓它們表演 3D 打印可好?
我們經(jīng)?梢钥吹矫鄯、螞蟻等各種動物忙碌地筑巢。經(jīng)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(jīng)「傳給」了無人機(jī),來自英國帝國理工學(xué)院的一項(xiàng)研究向我們展示了未來的方向,就像這樣:
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2022-9-22 17:40 上傳
無人機(jī) 3D 打。
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2022-9-22 17:41 上傳
本周三,這一研究成果登上了《自然》封面。
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2022-9-22 17:42 上傳
論文地址:https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4
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2022-9-22 14:28 上傳
為了展示無人機(jī)的能力,研究人員使用泡沫和一種特殊的輕質(zhì)水泥材料,建造了高度從 0.18 米到 2.05 米不等的結(jié)構(gòu)。與預(yù)想的原始藍(lán) 圖相比,誤差不到 5 毫米。
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2022-9-22 17:43 上傳
為了證明該系統(tǒng)可以處理更復(fù)雜的無人機(jī)編隊(duì),該團(tuán)隊(duì)使用無人機(jī)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(jié)構(gòu)。
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2022-9-22 17:43 上傳
該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、英國帝國理工學(xué)院空中機(jī)器人實(shí)驗(yàn)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(fù)通常需要昂貴的腳手架的高層建筑。
不過,目前該技術(shù)還受到一些限制,因?yàn)闊o人機(jī)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(xiàng)目研究期間自動為無人機(jī)充電來緩解其中的一些問題。
無人機(jī) 3D 打印是怎么實(shí)現(xiàn)的?對此,研究者們構(gòu)建了一套精密的體系。
研究介紹
為了提高生產(chǎn)率和安全性,人們提出了基于機(jī)器人的建筑技術(shù),以用于建筑構(gòu)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(chǎn)幾何變量設(shè)計,具有效率高、成本低等特點(diǎn)。然而,這些大型系統(tǒng)需要與電源連接,檢查、維護(hù)、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(jī)器人系統(tǒng)的替代方法,小型移動機(jī)器人可以提供更大的靈活性和可擴(kuò)展性。然而,使用機(jī)器人編隊(duì)進(jìn)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(jī)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(jī)器人平臺之間的對比。
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2022-9-22 17:44 上傳
與當(dāng)前的機(jī)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(qiáng)的適應(yīng)性,許多借助飛行和增材建造方法來做到這一點(diǎn)。例如,燕子可以在材料來源和建筑地之間進(jìn)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(yīng)性和可擴(kuò)展性:由社會黃蜂進(jìn)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(dǎo)航需求。
這些自然系統(tǒng)啟發(fā)了使用多智能體進(jìn)行集體建設(shè)的方法,這種方法需要解決當(dāng)前可用技術(shù)之外的多智能體協(xié)調(diào)問題。除了多機(jī)器人系統(tǒng)的集體交互方法外,材料設(shè)計和使用以及環(huán)境操縱機(jī)制必須整合和共同開發(fā),以實(shí)現(xiàn)合作建設(shè)。
帝國理工提出的體系被稱為 Aerial-AM,它將生物合作機(jī)制與工程原理相結(jié)合,使用多個無人機(jī)來實(shí)現(xiàn)。
無人機(jī)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)自主增材制造需要并行開發(fā)多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),其中包括:1)能夠進(jìn)行高精度材料沉積和打印質(zhì)量,實(shí)時定性評估的空中機(jī)器人;2)空中機(jī)器人團(tuán)隊(duì)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(dǎo)航和任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng),結(jié)合打印路徑策略自適應(yīng)地確定和分配制造任務(wù);4)設(shè)計或選擇材料規(guī)劃,特別是輕質(zhì)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(jī)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(yàn)證觀察。兩個機(jī)器人平臺都經(jīng)由分布式多代理方法在各自工作流上進(jìn)行了協(xié)調(diào)。構(gòu)建循環(huán)包括 BuilDrones 和 ScanDrone 的飛行中打印性能表征、BuilDrones 的實(shí)時軌跡適應(yīng)和材料打印,以及通過 ScanDrone 和人類監(jiān)督人員進(jìn)行的打印效果驗(yàn)證。
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2022-9-22 17:44 上傳
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(shí)時操作的快時間尺度上運(yùn)行,用于制造和進(jìn)度觀察。在概念驗(yàn)證中,研究者們利用 ScanDrone 機(jī)載視覺系統(tǒng)進(jìn)行 3D 掃描以映射進(jìn)度,使用膨脹泡沫材料構(gòu)建了一個大型圓柱體。
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2022-9-22 17:45 上傳
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(jìn)行實(shí)時打印評估。
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2022-9-22 17:45 上傳
圖 4. 兩臺 BuilDrones 使用誤差補(bǔ)償 delta 機(jī)械手對薄壁圓柱體進(jìn)行 3D 打印,以沉積膠結(jié)材料。
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2022-9-22 17:46 上傳
圖 5. Aerial-AM 多機(jī)器人光軌虛擬打印圓頂狀旋轉(zhuǎn)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(jī)器人打印放大版幾何圖形的模擬結(jié)果,其底徑為 15 m。
通過 BuilDrone 的材料沉積和 ScanDrone 對打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時定性評估,研究人員成功打印出了高達(dá) 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(shí)驗(yàn)證明,自對準(zhǔn)平行 delta 機(jī)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(nèi)。
虛擬光軌增材制造 和仿真結(jié)果表明,Aerial-AM 框架可以通過并行多機(jī)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(yīng)。
盡管這些實(shí)驗(yàn)成功地驗(yàn)證了 Aerial-AM 的可行性,但它們只是探索使用空中機(jī)器人進(jìn)行建筑的潛力的第一步。研究人員表示,要想實(shí)現(xiàn)無人機(jī) 3D 打印蓋房,還需要在機(jī)器人技術(shù)和材料科學(xué)方面取得重大進(jìn)展,特別是支撐材料的沉積、活性材料的固化和多機(jī)器人之間任務(wù)共享等前沿領(lǐng)域進(jìn)行發(fā)展。
而對于無人機(jī)本身,為使研究成果走出實(shí)驗(yàn)室,研究者們正打算實(shí)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(shí)用化之后,Aerial-AM 或許可以提供一種替代方式來支持偏遠(yuǎn)地區(qū)的住房和重要基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。
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