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文章來源：DeepTech深科技
特斯拉 CEO、SpaceX 創始人埃隆 · 馬斯克曾公開過 " 火星移民 " 計劃，稱要在 2050 年將 100 萬人送往火星。
其中的一個問題是，移民火星后人們將住在哪，誰來為他們搭建房屋呢？隨著機器人技術的發展，3D 打印建筑逐漸成為可能，但用于建筑結構 3D 打印的設備往往體積龐大，制約著其打印建筑的高度。
動圖丨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（來源：Nature）
受黃蜂 / 家燕筑巢的啟發，來自英國帝國理工學院與倫敦瑪麗女王大學，以及合作團隊的科學家們首次提出并實現了基于多無人機的建筑結構 3D 打印創新方法。
他們成功研制了能搭載在無人機上的建筑材料 3D 打印裝置以及高精度材料沉積執行器，并研發了一套自主導航和任務分配方法，實現了多個無人機之間的相互通訊，以及同步打印無人機的數量、時間分配的優化。
通過結合能夠自由靈活飛行的無人機和具有高精度、高剛度的并聯機器人的各自優勢，成功解決了無人機在空中飛行時的不穩定性，將其末端執行器誤差控制在 5mm 以內，使得無人機空中高精度 3D 打印成為可能。
圖丨水泥 3D 打印薄壁結構（來源：該團隊）
考慮到不同材料沉積過程中的膨脹或下沉等不確定性，該團隊引進了基于三維圖像掃描和重建技術對打印結構的測量評估方法，有效控制了打印過程中已打印建筑機構與設計模型之間的誤差積累，并實時調整后續打印過程中無人機的飛行軌跡。
圖丨 Nature 當期封面（來源：Nature）
9 月 21 日，相關論文以《多自主機器人航空增材制造》（Aerial additive manufacturing with multiple autonomous robots）為題，作為封面文章發表在 Nature [ 1 ] 。
圖丨相關論文（來源：Nature）
審稿人對該研究評價道：" 該研究所提出的方法具有開創性意義 , 特別是在相對較為保守、需要更多自動化生產來提高效率的建筑工業。"
另一位審稿人則評價稱：" 作者在該研究中的重大技術突破，將為論文中提出的多機器人自主協作 3D 打印建筑結構的方法在建筑工業的成功應用提供有力保障。"
30 分鐘蓋 2 米高柱形結構，實現 5mm 打印精度
無人機 3D 打印建筑看上去很酷炫，但實際上，從想法到逐步優化、全方位科學性驗證用了將近 10 年時間。
2014 年，米爾科 · 科瓦奇教授團隊就提出了無人機 3D 打印建筑的想法。從理論上攻克核心技術并推進相關實驗的設計，例如高精度建筑材料沉積，以及多無人機協同打印控制算法的攻關都花了相當長的時間，基礎問題才得以解決。
（來源：Nature）
在研究最初階段，研究人員將 3D 打印裝置固定在無人下方。但問題也隨著而來，無人機在空中位姿的微小變化，會引起打印裝置材料沉積頭的大范圍偏差，嚴重影響材料的打印效果。
為確保 3D 打印的高精度，就必須要避免杠桿誤差比例放大的問題。該問題通常因無人機位置與姿態偏差引起的 3D 打印噴頭傾斜所導致，該團隊利用控制算法來應對該問題。
圖丨張克濤（來源：張克濤）
張克濤于 2016 年加入該團隊后，提出給無人機加裝了一個靈巧的微型 Delta 并聯機械手，成功解決了該研究的技術瓶頸之一，即建筑無人機的高精度 3D 打印。
最終在實驗室環境下實現 5mm 以下的打印精度，圓柱形打印頭的直徑為 8 毫米。"這是目前基于移動機器人與飛行機器人設備，在實驗室環境中打印精度最高水平。"張克濤說。
穩定和精度問題已解決，接下來團隊開始著手無人機的打印路徑規劃與執行。值得關注的是，由于市面上已有的無人機無法實現團隊的打印目標，因此無人機平臺由張克濤及團隊自主設計。他們通過不斷地實驗優化設計，實現了材料一層層沉積后結構不倒塌。
圖丨多無人機并行增材制造方法與不同材料驗證實驗（來源：Nature）
" 我們要考慮材料在 3D 打印設備中推出前的粘性，也要保證其在推出后的可塑性，這樣才能使材料保持打印后不會在重力等作用下產生變形。"張克濤說。該團隊從材料科學角度研究了其調配料的制備和選擇后，最終設計了兩款 3D 打印無人機，分別可打印類水泥材料以及低密度聚氨酯泡沫塑料。
實時測量是該團隊面臨的另一難題。他們通過密集映射算法來進行 3D 網格重建，然后從 3D 重建的數字模型得到已經沉積好結構的高度，進而實現了 3D 打印一層層疊加的工作。
有望最快應用于修復高層建筑，已開始技術成果轉化
傳統的建筑物設計很大程度上受已有建筑方法的限制，在結構設計上往往 " 千篇一律 "。而 3D 打印建筑的優勢是以設計驅動建筑制造，可按個人的喜好或
需求設計建筑風格，實現個性化及更復雜的結構。
由于建筑無人機自帶電源機可打印材料，其 3D 打印時不受建筑高度和材料輸送管道的限制。該方法與傳統建筑方法相比，還可減少物料運輸過程中產生的碳排量。
此外，理論上無人機可 24 小時持續工作，因此可提升建筑生產效率，進而節省更多的時間成本及人力資源的成本。3D 打印設計和建設房屋，還能減少建筑材料在搬運過程中的浪費和損耗、減少對環境的影響，對樓層的結構性提供更大的自由度。
結構方面最近的研究顯示，從結構力學的結構承載力角度，傳統建筑使用的實體結構中有近 40% 的材料可被節省。"3D 打印建筑可以依據承載力的需求按需進行結構優化設計，因此相較于傳統澆筑等建筑方法更加節省材料。"張克濤說。
（來源：該團隊）
據悉，該團隊在測量算法等方面已獲得相關專利。目前，英國已有幾家大型建筑公司與他們合作進行技術的成果轉化。
張克濤認為，該技術最快落地的應用場景可能在高層建筑或基礎設施的修復工作。當然，該方法并不是為了與建筑工人 " 搶飯碗 "，而是由無人機去完成重復性高、危險系數高的工作。讓人們騰出精力去處理更復雜、多樣的設計與規劃任務。
" 高空建筑墻面破損的維修不需要大量材料，因此只用一架無人機就可完成相關修復工作。我們現在與當地相關企業在討論該技術能達到的工業化應用水平，并在進行初期測試。" 他說。
該技術還可能應用于火星或月球的建筑制造。值得關注的是，該方法不僅適用于無人機，它還適用于指導無人機與地面移動機器人的配合、多自主機器人協同打印。
對于災后重建工作，該技術也可給予相關支持，例如應急設施的搬運或臨時建筑重建。如果某地區發生地震，在道路被破壞、車輛行駛受阻情況下，物資的配送往往會受到很大的影響。而通過無人機遠程投送、多機器人 3D 打印建筑技術則可進行臨時建筑的搭建。
圖丨高 2.05 米的圓柱形打印結構 3D 重建模型，其中包含 72 次材料沉積行程（來源：Nature）
未來，該技術仍有一些難點需要攻克。例如無人機充電方式，如何通過無線或其他方式為無人機更好地儲能。張克濤表示，" 若想滿足持續為無人機供電，對電池材料和充電方法都提出了更高要求。我們設想過太陽能電池，但目前其性能還不能滿足無人機的供電需求。"
將該技術從實驗室搬到實驗室外的環境是另一個挑戰。在實驗室內，該團隊使用運動追蹤系統對無人機的位姿進行控制。" 在室外場景，由于 GPS 等定位系統誤差較大，我們以后可能會用到基于視覺的實時定位與地圖構建方法，對無人機或機器人進行實時對環境的感知。"張克濤說。
另一方面，3D 打印材料也是該團隊將繼續研究的方向。目前，類水泥材料能達到傳統用的普通的水泥配料的性能。
張克濤指出，如何在 3D 打印中實現多種材料（例如鋼筋混凝土）共同打印，以及與行業共同推動 3D 打印建筑的相關標準或規范，也是團隊將持續關注的方向。
為建筑制造行業的數字化發展插上 " 翅膀 "
如何讓看似 " 天方夜譚 " 的想法成為現實？讓張克濤深有體會的是，做科研必須有大膽的想法，并且要有恒心，通過不斷努力地打磨技術，來想辦法實現。
他大學本科畢業于北京交通大學機械工程及自動化專業，之后在博士期間，參加了倫敦國王學院和北京交通大學機械工程 - 機械設計與理論聯合項目，該階段其研究重點是可重構并聯機器人的設計和運動學分析。
那時，張克濤已產生把并聯機器人加裝到無人機、做更靈巧操作的想法。一次偶然的機會，他旁聽了米爾科 · 科瓦奇教授的學術報告，并發現兩人的想法 " 不謀而合 "。
圖丨未來 3D 打印無人機建設房屋效果圖（來源：該團隊）
2016 年，張克濤在在帝國理工學院航空系的空中機器人實驗室，與科瓦奇共同開發了空中機器人建筑系統，使空中機器人自主地 3D 打印建筑結構。此外，他還曾在倫敦國王學院多指機器人手實驗室擔任研究員，在英國皇家工程院戴建生院士的指導下開發了三指變胞機器人手。
張克濤表示，近期想實現的研究目標是，讓人與機器人 " 各盡其能 "、更好地結合，協同提升建筑行業的數字化發展。
目前，數字化和智能制造在中國發展迅速，特別是在汽車制造業、醫療方面都實現了顯著的效果，也推動著建筑設計的數字化、可視化方面的相關進展。" 然而在建筑制造方面，數字化仍有很大的發展空間。"張克濤說。
因此，他未來想繼續探索的方向是可折疊、結構靈巧的機器人及其在數字化制造、人機協同、極端環境，以及深空應用，解決更復雜和多樣的科學難題。
參考資料：
1.Zhang, K., Chermprayong, P., Xiao, F. et al. Aerial additive manufacturing with multiple autonomous robots. Nature 609, 709 – 717 ( 2022 ) . https://doi.org/10.1038/s41586-022-04988-4
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