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法國聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室 (EMPA)
科學(xué)家們以蜜蜂為模型，開發(fā)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(fù)結(jié)構(gòu)。
由來自 瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室（Empa）和英國倫敦帝國理工學(xué)院（Imperial College London）的無人機專家 Mirko Kovac 領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團隊以蜜蜂為模型，開發(fā)了一群合作的 3D 打印無人機。正如科學(xué)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(fù)飛行中的結(jié)構(gòu)。
3D打印在建筑行業(yè)的勢頭越來越猛。在現(xiàn)場和工廠，靜態(tài)和移動機器人打印用于建筑項目的材料，例如鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)。
一種新的 3D 打印方法——由倫敦帝國理工學(xué)院和瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室 Empa 領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)——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(fā)的集體建造方法。
該系統(tǒng)稱為空中增材制造 (Aerial-AM)，涉及從一架飛機協(xié)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(chǎn)并告知其下一步制造步驟的質(zhì)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(dǎo)致在難以到達或危險的地點進行現(xiàn)場制造和施工，例如災(zāi)后救援建設(shè)和大型建筑物或基礎(chǔ)設(shè)施。
該研究由英國帝國理工學(xué)院航空系和瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室機器人材料與技術(shù)中心的 Mirko Kovac 教授領(lǐng)導(dǎo)。
Kovac 教授說：“我們已經(jīng)證明了無人機可以自主工作并協(xié)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(qū)域進行施工和維修?！?/p>
Aerial-AM 同時使用 3D 打印和軌跡規(guī)劃框架，因此無人機可以適應(yīng)施工過程中結(jié)構(gòu)幾何形狀的變化。
無人機在飛行中是完全自主的，但循環(huán)中有一個人類控制器，他可以根據(jù)無人機提供的信息監(jiān)控進展并在必要時進行干預(yù)。
打印 3D 幾何圖形
為了測試這一概念，研究人員開發(fā)了四種可用于無人機建造的水泥混合物。在整個構(gòu)建過程中，無人機實時評估打印的幾何形狀并調(diào)整其行為，以確保它們符合構(gòu)建規(guī)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(shè)計的水泥狀結(jié)構(gòu)材料。
該技術(shù)為在無限、高或難以到達的地方建造和修復(fù)結(jié)構(gòu)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(tǒng)的手動方法相比，該技術(shù)將顯著節(jié)省成本并降低訪問風(fēng)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(xué)學(xué)院、巴斯大學(xué)、賓夕法尼亞大學(xué)、瑪麗皇后大學(xué)和慕尼黑大學(xué)的研究團隊。
這項工作由 UKRI 下屬的工程和物理科學(xué)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(yè)合作伙伴 Skanska、Ultimaker、Burohappold 和 BRE 的支持。
3D打印在建筑行業(yè)的勢頭越來越猛。在現(xiàn)場和工廠，靜態(tài)和移動機器人打印用于建筑項目的材料，例如鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)。
來自Empa、美國賓夕法尼亞大學(xué)和英國倫敦帝國理工學(xué)院的研究人員創(chuàng)造了一群受蜜蜂啟發(fā)的無人機，它們可以在飛行中集體 3D 打印材料，從而實現(xiàn)無限制造，用于建筑和結(jié)構(gòu)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(fā)，作為一個團隊使用 3D 打印材料來建造或修復(fù)飛行中的結(jié)構(gòu)。
該系統(tǒng)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(fā)了 BuilDrones 以在飛行過程中沉積材料，質(zhì)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(wù)中。圖片來源：Yusuf Furkan KAYA，空中機器人實驗室，倫敦帝國理工學(xué)院 / Empa
可擴展的多機器人三維 (3D) 打印和軌跡規(guī)劃框架允許機器人任務(wù)和人口規(guī)模適應(yīng)打印幾何形狀的變化和機器人行為的適應(yīng)。3D 打印無人機在飛行中是完全自主的，但循環(huán)中有一個人工控制器，可以根據(jù)無人機提供的信息監(jiān)控進度并在必要時進行干預(yù)。
為了測試這個概念，研究人員開發(fā)了四種可以建造無人機的水泥混合物。在整個構(gòu)建過程中，無人機實時評估打印的幾何形狀并調(diào)整其行為，以確保它們符合構(gòu)建規(guī)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(shè)計的結(jié)構(gòu)水泥類材料制成。
“我們已經(jīng)證明了無人機可以自主工作并協(xié)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(qū)域進行建設(shè)和維修，例如高層建筑?！笔紫芯繂T Mirko Kovac說。
該技術(shù)為在無限、高或難以到達的地方建造和修復(fù)結(jié)構(gòu)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(tǒng)的手動方法相比，該技術(shù)將顯著節(jié)省成本并降低訪問風(fēng)險。
包括 Weitzman 的 Robert Stuart-Smith 在內(nèi)的研究人員創(chuàng)造了一群受蜜蜂啟發(fā)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(fù)結(jié)構(gòu)。
3D 打印的出現(xiàn)改變了許多行業(yè)，允許研究人員、學(xué)生、企業(yè)家和大型工廠快速將數(shù)字設(shè)計變成有形的物體。通過與賓夕法尼亞大學(xué)和倫敦帝國理工學(xué)院的研究人員合作，Empa 研究人員創(chuàng)造了一群受蜜蜂啟發(fā)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(fù)結(jié)構(gòu)。
3D打印越來越多地用于建筑行業(yè)。然而，其部署面臨的挑戰(zhàn)包括機器僅限于根據(jù)其尺寸和運輸能力來構(gòu)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(zhàn)，并使用了受蜜蜂和黃蜂等自然合作建造者啟發(fā)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(xié)同運作，并隨著它的發(fā)展而調(diào)整其技術(shù)。它們在飛行中是完全自主的，但由人工控制員監(jiān)控，該控制員檢查進度并在必要時根據(jù)無人機提供的信息進行干預(yù)。
該項目源于賓夕法尼亞大學(xué)斯圖爾特·韋茨曼設(shè)計學(xué)院建筑學(xué)助理教授羅伯特·斯圖爾特-史密斯和賓夕法尼亞大學(xué)工程GRASP 實驗室附屬學(xué)院的長期合作，以及倫敦帝國理工學(xué)院教授Mirko Kovac和瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)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(lǐng)導(dǎo)的跨學(xué)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(xué)帝國理工學(xué)院的研究團隊開發(fā)的。倫敦大學(xué)學(xué)院、巴斯大學(xué)、倫敦瑪麗女王大學(xué)和慕尼黑工業(yè)大學(xué)。
Stuart-Smith 說：“這是一項令人興奮的研究，它可能會影響我們?nèi)绾卧陔y以到達、危險或具有挑戰(zhàn)性的高層區(qū)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(yīng)制造方法與建筑業(yè)的激動人心的趨勢和建筑設(shè)計的新機遇相一致?！?/p>
展望未來，研究人員將與建筑公司合作，驗證他們開發(fā)的解決方案并提供維修和制造能力。他們相信，與傳統(tǒng)的手動方法相比，該技術(shù)將顯著節(jié)省成本并降低風(fēng)險。Stuart-Smith 繼續(xù)說道：“在 Penn，我們目前正在開發(fā)利用這種建筑方法的建筑設(shè)計解決方案，同時繼續(xù)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(yè)合作伙伴進行接觸。研究?！?/p>
Robert Stuart-Smith 是設(shè)計科學(xué)碩士說：“機器人和自主系統(tǒng) (MSD-RAS) 的項目主任，魏茨曼設(shè)計學(xué)院的建筑學(xué)助理教授，也是賓夕法尼亞大學(xué)工程學(xué)院 GRASP 實驗室的附屬成員。他領(lǐng)導(dǎo)賓夕法尼亞大學(xué)建筑系的獨立制造實驗室，并共同領(lǐng)導(dǎo)其在倫敦大學(xué)學(xué)院計算系的姊妹實驗室?！?/p>
2025-08-29 10:19
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