我们经常看到蜜蜂、蚂蚁等动物忙着筑巢。经过自然选择，它们的工作效率高得惊人。这些动物分工合作的能力已经“传”给了无人机。英国帝国理工学院的一项研究向我们展示了未来的方向，就像这样：无人驾驶机器3D除尘：本周三，这项研究成果登上了《自然》的封面。论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4为了展示无人机的能力，研究人员使用泡沫和一种特殊的轻质水泥材料建造了一个高度从2.05米到2.05米。与预期的原始图纸相比，误差小于5毫米。为了证明该系统可以处理更复杂的无人机编队，该团队使用无人机上的灯光创建了一个延时序列的光迹，模拟了一个高大的圆顶状结构的制造。.领导这项研究的伦敦帝国理工学院空中机器人实验室主任MirkoKovac表示，该方法可用于在北极甚至火星建造结构，或帮助修复通常需要昂贵脚手架的高层建筑。但就目前而言，该技术有一些局限性，因为无人机难以承载重物，需要定期充电，并且仍然需要人工监督。然而，研究人员表示，他们希望通过在项目研究期间自动为无人机充电来缓解其中的一些问题。无人机3D打印是如何实现的？在这方面，研究人员构建了一个复杂的系统。研究简介为了提高生产率和安全性，已经提出了基于机器人的施工技术用于建筑构件的组装和自由形式的连续增材制造（AM，additivemanufacturing）。与基于装配的方法相比，自由形式连续增材制造能够以高效率和低成本灵活生产几何可变设计。然而，这些大型系统需要连接电源，不便于检查、维护和修理，并且难以在恶劣环境下制造。作为大型个体机器人系统的替代品，小型移动机器人可以提供更大的灵活性和可扩展性。然而，利用机器人编队进行施工仍处于发展的早期探索阶段。另外，目前的多机器人作业有高度限制，超出一定范围就无法工作。下图显示了为建筑行业的AM开发的SOTA机器人平台之间的比较。与当前的机器人系统及其固有的局限性相比，自然建造者在建造时表现出更大的适应性，许多人借助飞行和增材制造方法来做到这一点。例如，一只燕子可以在材料来源和建筑工地之间飞行1200次以逐渐完成一个巢穴。白蚁和黄蜂等社会性昆虫表现出更大程度的适应性和可扩展性：社会性黄蜂的空中施工展示了高效和直接的路径优化，减轻了整个施工过程中对导航的需求。这些自然系统激发了使用多代理进行集体构建的方法，这些方法需要解决当前可用技术之外的多代理协调问题。除了多机器人系统的集体交互方法外，还必须集成和共同开发材料设计和使用以及环境操纵机制，以实现合作建设。帝国理工提出的这个系统叫做Aerial-AM，它结合了生物合作机制和工程学原理，使用多架无人机来实现。实现无人机团队的自主增材制造需要并行开发多项关键技术，包括：1）能够进行高精度材料沉积和打印质量以及实时定性评估的空中机器人；2)空中机器人团队能够相互广播他们的活动，无线共享数据而不会相互干扰；3）自主导航和任务规划系统，结合打印路径策略自适应确定和分配制造任务；4）设计或选择材料规划，特别是轻质和可打印的水泥混合物，适用于无模板或临时脚手架的空中增材制造方法。Aerial-AM使用两种类型的空中机器人平台，称为BuilDrone来构建物理材料，以及ScanDrone在每层材料沉积后执行增量航空扫描和验证观察。两个机器人平台都通过分布式多代理方法在各自的工作流程上进行协调。构建周期包括BuilDrones和ScanDrone的飞行中打印性能表征、BuilDrones的实时轨迹适应和材料打印，以及与ScanDrone和人工监督员一起验证打印性能。图2.无限制和无界AM的航空AM框架。新研究提出的多代理Aerial-AM框架由两个循环组成，分别在用于规划的慢时间尺度和用于实时操作的快速时间尺度上运行，分别用于制造和进度观察。在概念验证中，研究人员使用来自ScanDrone机载视觉系统的3D扫描，用膨胀的泡沫构建了一个大圆柱体，以绘制进度图。图3.Aerial-AMBuilDrone打印了一个2.05米高的圆柱形几何体，有72个材料沉积通道，并由ScanDrone进行实时打印评估。图4.两个BuilDrones3D打印薄壁圆柱体使用误差补偿三角机器人来沉积水泥材料。图5.Aerial-AM多机器人光轨虚拟打印圆顶形旋转表面。a、c是飞行路径，b、d是俯视图和透视图。f显示了使用15个机器人打印基本直径为15m的放大几何体的模拟结果。利用BuilDrone的材料沉积和ScanDrone对打印结构的实时定性评估，研究人员成功打印了高达2.05米的圆柱体，展示了Aerial-AM方法制造大型几何物体的能力。水泥薄壁圆柱体的制造实验表明，自对准平行三角机械手与BuildDrone的耦合允许材料在横向和垂直方向上以高精度（最大5mm位置误差）沉积，这在允许的范围内英国建筑要求。虚拟光轨增材制造和仿真结果表明，Aerial-AM框架可以通过并行多机器人制造高效打印各种几何形状，同时解决异常情况下的拥堵和适配。尽管这些实验成功地证明了Aerial-AM的可行性，但它们只是探索使用空中机器人进行施工的潜力的第一步。据研究人员称，要实现无人机的3D打印，需要机器人技术和材料科学取得重大进展，尤其是在支持材料沉积、活性材料固化以及多机器人任务分担等前沿领域。发展。至于无人机本身，为了将研究成果带出实验室，研究人员正计划实施带有差分全球定位系统（GPS）的多传感器同步定位和地图绘制（SLAM）系统，以提供充分的室外定位。在可行的情况下，Aerial-AM可以提供另一种方式来支持偏远地区的住房和关键基础设施。
