多無人機協同3D列印蓋房子，研究登上Nature封面

我們常常可以看到蜜蜂、螞蟻等各種動物忙碌地築巢。經過自然選擇，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「傳給」了無人機，來自英國帝國學院的一項研究向我們展示了未來的方向，就像這樣：

#無人機3D 打灰：

本週三，這項研究成果登上了《自然》封面。

#論文網址：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4

為了展示無人機的能力，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 公尺到2.05 公尺不等的結構。與預想的原始藍圖相比，誤差不到 5 毫米。

為了證明該系統可以處理更複雜的無人機編隊，團隊使用無人機上的燈光創建了一個光跡延時序列，模擬製作一個高高的圓頂狀結構。

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研究的領導者、英國帝國學院空中機器人實驗室主任Mirko Kovac 表示：這種方法可以用於在北極甚至火星上建造建築物，或幫助修復通常需要昂貴的腳手架的高層建築。

不過，目前該技術還受到一些限制，因為無人機難以承載重物，需要定期充電，並且仍然需要人工監督。然而，研究人員表示，他們希望透過在計畫研究期間自動為無人機充電來緩解其中的一些問題。

#########無人機 3D 列印是怎麼實現的？對此，研究者們建構了一套精密的體系。 #########研究介紹#########為了提高生產率和安全性，人們提出了基於機器人的建築技術，以用於建築構件的組裝和自由形式的連續增材製造(AM，additive manufacturing)。與基於組裝的方法相比，自由形式的連續 AM 能夠靈活生產幾何變數設計，具有效率高、成本低等特性。然而，這些大型系統需要與電源連接，檢查、維護、修理不方便，難以在惡劣環境中製造等困難。 ############作為大型單一機器人系統的替代方法，小型移動機器人可以提供更大的靈活性和可擴展性。然而，使用機器人編隊進行建築的研究仍處於發展的早期探索階段。此外，目前多機器人操作高度有限，超過一定範圍就不行了。下圖展示了建築業中為 AM 開發的 SOTA 機器人平台之間的對比。 #####################與目前的機器人系統及其固有限制相比，自然建造者在建築時表現出了更強的適應性，許多借助飛行和增材建造方法來做到這一點。例如，燕子可以在材料來源和建築地之間進行 1200 次飛行以逐步完成巢穴。白蟻和黃蜂等群居昆蟲則表現出了更大程度的適應性和可擴展性：由社會黃蜂進行的空中施工顯示了高效和直接的路徑優化，減輕了在整個建築過程中的導航需求。 ######

這些自然系統啟發了使用多智能體進行集體建設的方法，這種方法需要解決當前可用技術之外的多智能體協調問題。除了多機器人系統的集體互動方法外，材料設計和使用以及環境操縱機制必須整合和共同開發，以實現合作建設。

帝國理工提出的體係被稱為 Aerial-AM，它將生物合作機制與工程原理結合，使用多個無人機來實現。

無人機團隊實現自主增材製造需要並行開發多項關鍵技術，其中包括：1）能夠進行高精度材料沉積和列印質量，即時定性評估的空中機器人；2）空中機器人團隊能夠相互廣播自己的活動，無線共享數據，互不干擾；3）自主導航和任務規劃系統，結合列印路徑策略自適應地確定和分配製造任務；4）設計或選擇材料規劃，特別是輕質和可列印的水泥混合物，適用於空中增材製造方法，無需模板或臨時鷹架。

Aerial-AM 使用兩種類型的空中機器人平台，分別稱為BuilDrone 和ScanDrone，BuilDrone 用於堆砌物理材料，ScanDrone 用於在每層材料沉積後執行增量空中掃描和驗證觀察。兩個機器人平台都經由分散式多代理方法在各自工作流程上進行了協調。建造循環包括 BuilDrones 和 ScanDrone 的飛行中列印性能表徵、BuilDrones 的即時軌跡適應和材料列印，以及透過 ScanDrone 和人類監督人員進行的列印效果驗證。

#圖 2. 用於不受限制和無邊界 AM 的 Aerial-AM 框架。

新研究提出的多智能體Aerial-AM 框架由兩個循環組成，分別在規劃的慢時間尺度和實時操作的快時間尺度上運行，用於製造和進度觀察。在概念驗證中，研究者利用 ScanDrone 機載視覺系統進行 3D 掃描以繪製進度，使用膨脹泡沫材料建造了一個大型圓柱體。

圖3. Aerial-AM BuilDrone 印製了2.05 m 高的圓柱形幾何圖形，其中包含72 次材料沉積行程，並由ScanDrone 進行即時列印評估。

圖4. 兩台BuilDrones 使用誤差補償delta 機械手對薄壁圓柱體進行3D 列印，以沉積膠結材料。

圖 5. Aerial-AM 多機器人光軌虛擬列印圓頂狀旋轉表面。 a、c 是飛行軌跡，b、d 是頂視圖和透視圖。 f 展示了使用 15 個機器人列印放大版幾何圖形的模擬結果，其底徑為 15 m。

透過BuilDrone 的材料沉積和ScanDrone 對列印結構進行即時定性評估，研究人員成功列印了高達2.05 公尺的圓柱體，證明了Aerial-AM 方法製造大型幾何物體的能力。水泥薄壁圓柱體的製造實驗證明，自對準平行delta 機械手與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築要求允許範圍之內。

虛擬光軌AM 和模擬結果表明，Aerial-AM 框架可以透過並行多機器人製造有效地列印各種幾何形狀，同時解決擁堵，並在異常情況下完成自適應。

儘管這些實驗成功地驗證了 Aerial-AM 的可行性，但它們只是探索使用空中機器人進行建築的潛力的第一步。研究人員表示，要實現無人機3D 列印蓋房，還需要在機器人技術和材料科學方面取得重大進展，特別是支撐材料的沉積、活性材料的固化和多機器人之間任務共享等前沿領域進行發展。

而對於無人機本身，為使研究成果走出實驗室，研究者們正打算實施具有差分全球定位系統（GPS）的多感測器同時定位和製圖（SLAM ）系統，以提供足夠的室外定位。

在實用化之後，Aerial-AM 或許可以提供一種替代方式來支持偏遠地區的住房和重要基礎設施建設。

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