法國聯邦材料科學與技術實驗室 (EMPA)

科學家們以蜜蜂為模型，開發了一群合作的3D打印無人機。在人類的控制下，這些飛行機器人在團隊中工作，打印3D材料，在飛行中建造或修復結構。

由來自 瑞士聯邦材料科學與技術實驗室（Empa）和英國倫敦帝國理工學院（Imperial College London）的無人機專家 Mirko Kovac 領導的國際研究團隊以蜜蜂為模型，開發了一群合作的 3D 打印無人機。正如科學家們在最新一期《自然》雜志的封面故事中報道的那樣，在人類控制下，這些飛行機器人作為一個團隊使用 3D 打印材料來建造或修復飛行中的結構。

3D打印在建筑行業的勢頭越來越猛。在現場和工廠，靜態和移動機器人打印用于建筑項目的材料，例如鋼結構和混凝土結構。

一種新的 3D 打印方法——由倫敦帝國理工學院和瑞士聯邦材料科學與技術實驗室 Empa 領導開發——使用稱為無人機的飛行機器人，它使用受蜜蜂和黃蜂等自然建造者啟發的集體建造方法。

該系統稱為空中增材制造 (Aerial-AM)，涉及從一架飛機協同工作的無人機機隊。它由在飛行過程中存放材料的 BuilDrones 和不斷測量 BuilDrones 的生產并告知其下一步制造步驟的質量控制 ScanDrones 組成。研究人員表示，與替代方法不同，飛行中的 3D 打印打開了大門，這將導致在難以到達或危險的地點進行現場制造和施工，例如災后救援建設和大型建筑物或基礎設施。

該研究由英國帝國理工學院航空系和瑞士聯邦材料科學與技術實驗室機器人材料與技術中心的 Mirko Kovac 教授領導。

Kovac 教授說：“我們已經證明了無人機可以自主工作并協同工作來建造和維修建筑物的概念，至少在實驗室中是這樣。這種可擴展的解決方案有助于在高層建筑等難以到達的區域進行施工和維修。”

Aerial-AM 同時使用 3D 打印和軌跡規劃框架，因此無人機可以適應施工過程中結構幾何形狀的變化。

無人機在飛行中是完全自主的，但循環中有一個人類控制器，他可以根據無人機提供的信息監控進展并在必要時進行干預。

打印 3D 幾何圖形

為了測試這一概念，研究人員開發了四種可用于無人機建造的水泥混合物。在整個構建過程中，無人機實時評估打印的幾何形狀并調整其行為，以確保它們符合構建規范，制造精度為 5 毫米。概念驗證印刷品包括一個 2.05 米長的圓柱體（72 層），采用聚氨酯基泡沫材料，以及一個 18 厘米的圓柱體（28 層），采用定制設計的水泥狀結構材料。

該技術為在無限、高或難以到達的地方建造和修復結構提供了未來的可能性。然后，研究人員將與建筑公司合作，驗證解決方案并提供維修和制造能力。他們相信，與傳統的手動方法相比，該技術將顯著節省成本并降低訪問風險。

共同研究人員包括 Robert Stuart-Smith、Stefan Leutenegger、Vijay Pawar、Richard Ball、Chris Williams 和 Paul Shephard，以及他們在倫敦大學學院、巴斯大學、賓夕法尼亞大學、瑪麗皇后大學和慕尼黑大學的研究團隊。

這項工作由 UKRI 下屬的工程和物理科學研究委員會資助。它是由助理教授 Stuart-Smith 和 Kovac 教授在進行試點研究合作并獲得管道維修示范獎后開始的。該項目還得到了工業合作伙伴 Skanska、Ultimaker、Burohappold 和 BRE 的支持。

3D打印在建筑行業的勢頭越來越猛。在現場和工廠，靜態和移動機器人打印用于建筑項目的材料，例如鋼結構和混凝土結構。

來自Empa、美國賓夕法尼亞大學和英國倫敦帝國理工學院的研究人員創造了一群受蜜蜂啟發的無人機，它們可以在飛行中集體 3D 打印材料，從而實現無限制造，用于建筑和結構維修。在人類控制下，這些飛行機器人受到蜜蜂和黃蜂等自然建造者的啟發，作為一個團隊使用 3D 打印材料來建造或修復飛行中的結構。

該系統稱為空中增材制造（Aerial-AM），實際上集成了兩種類型的四軸無人機，它們可以自主飛行并相互通信。研究人員開發了 BuilDrones 以在飛行過程中沉積材料，質量控制 ScanDrones 不斷測量 BuilDrones 的輸出并通知他們的下一個制造步驟。

未來愿景：成群的無人機也可以在太空中使用，例如，在未來的火星任務中。圖片來源：Yusuf Furkan KAYA，空中機器人實驗室，倫敦帝國理工學院 / Empa

可擴展的多機器人三維 (3D) 打印和軌跡規劃框架允許機器人任務和人口規模適應打印幾何形狀的變化和機器人行為的適應。3D 打印無人機在飛行中是完全自主的，但循環中有一個人工控制器，可以根據無人機提供的信息監控進度并在必要時進行干預。

為了測試這個概念，研究人員開發了四種可以建造無人機的水泥混合物。在整個構建過程中，無人機實時評估打印的幾何形狀并調整其行為，以確保它們符合構建規范，制造精度為 5 毫米。概念驗證印刷品包括一個 2.05 米高的圓柱體，由 72 層聚氨酯基泡沫材料制成，以及一個 0.18 米高的圓柱體，由 28 層定制設計的結構水泥類材料制成。

“我們已經證明了無人機可以自主工作并協同建造和維修建筑物的概念，至少在實驗室中是這樣。這種可擴展的解決方案可以幫助在難以到達的區域進行建設和維修，例如高層建筑。”首席研究員 Mirko Kovac說。

該技術為在無限、高或難以到達的地方建造和修復結構提供了未來的可能性。然后，研究人員將與建筑公司合作，驗證解決方案并提供維修和制造能力。他們相信，與傳統的手動方法相比，該技術將顯著節省成本并降低訪問風險。

包括 Weitzman 的 Robert Stuart-Smith 在內的研究人員創造了一群受蜜蜂啟發的無人機，它們可以在飛行中集體 3D 打印材料，從而可以無限地制造和修復結構。

3D 打印的出現改變了許多行業，允許研究人員、學生、企業家和大型工廠快速將數字設計變成有形的物體。通過與賓夕法尼亞大學和倫敦帝國理工學院的研究人員合作，Empa 研究人員創造了一群受蜜蜂啟發的無人機，它們可以在飛行中集體 3D 打印材料，從而可以無限地制作和修復結構。

3D打印越來越多地用于建筑行業。然而，其部署面臨的挑戰包括機器僅限于根據其尺寸和運輸能力來構建容量。

這種新的 3D 打印方法使用飛行機器人（也稱為無人機）解決了這些挑戰，并使用了受蜜蜂和黃蜂等自然合作建造者啟發的集體建造方法。無人機機隊，被稱為空中增材制造，從一個單一的藍圖協同運作，并隨著它的發展而調整其技術。它們在飛行中是完全自主的，但由人工控制員監控，該控制員檢查進度并在必要時根據無人機提供的信息進行干預。

該項目源于賓夕法尼亞大學斯圖爾特·韋茨曼設計學院建筑學助理教授羅伯特·斯圖爾特-史密斯和賓夕法尼亞大學工程GRASP 實驗室附屬學院的長期合作，以及倫敦帝國理工學院教授Mirko Kovac和瑞士聯邦材料科學與技術實驗室，他們都對該主題進行了試點研究。這對夫婦的項目是由 Kovac 領導的跨學科研究團隊與 Stuart-Smith 和共同研究人員 Stefan Leutenegger、Vijay Pawar、Richard Ball、Chris Williams 和 Paul Shephard 以及他們在賓夕法尼亞大學帝國理工學院的研究團隊開發的。倫敦大學學院、巴斯大學、倫敦瑪麗女王大學和慕尼黑工業大學。

Stuart-Smith 說：“這是一項令人興奮的研究，它可能會影響我們如何在難以到達、危險或具有挑戰性的高層區域（例如高層建筑和橋梁）中進行建造。盡管這項工作處于早期概念驗證階段，但其分布式和自適應制造方法與建筑業的激動人心的趨勢和建筑設計的新機遇相一致。”

展望未來，研究人員將與建筑公司合作，驗證他們開發的解決方案并提供維修和制造能力。他們相信，與傳統的手動方法相比，該技術將顯著節省成本并降低風險。Stuart-Smith 繼續說道：“在 Penn，我們目前正在開發利用這種建筑方法的建筑設計解決方案，同時繼續與我們在倫敦和瑞士的同事合作，并與希望加強其能力的行業合作伙伴進行接觸。研究。”

Robert Stuart-Smith 是設計科學碩士說：“機器人和自主系統 (MSD-RAS) 的項目主任，魏茨曼設計學院的建筑學助理教授，也是賓夕法尼亞大學工程學院 GRASP 實驗室的附屬成員。他領導賓夕法尼亞大學建筑系的獨立制造實驗室，并共同領導其在倫敦大學學院計算系的姊妹實驗室。”