Nature封面文章：采用无人机3D打印空中楼阁

9.21日，3D打印技术参考注意到《自然》杂志以封面文章的形式发表了一篇工程学论文，涉及一种采用飞行机器人3D打印空中结构的技术。

研究人员借助黄蜂筑巢的原理，提出了一个可扩展的多机器人3D打印和路径规划框架，使机器人数量和任务能够适应整个建筑任务中打印几何形状的变化。多机器人制造框架允许在人类监督下进行自主3D打印、实时评估打印几何图形和机器人行为适应。这项研究为未来在偏远或难以抵达的地点提供重要基础设施的建造提供了支持。

文章指出，为了提高生产力和安全性，基于机器人技术的建筑制造已被开发用于建筑元件组装和自由形式的连续增材制造。与基于装配的方法相比，自由形式的连续增材制造能够灵活制造结构可变设计，从而提高材料效率并降低成本。目前，用于现场施工的大型自由形式增材制造方法主要使用地面机器人和龙门起重机系统。然而，这些技术需要将机器人硬件扩大到比所需的制造范围更大的尺寸，从而使人或其他机械难以并行操作或占用建筑场地，并具有危险性。此外，这些大型系统需要与电源连接，限制了适应敏捷应用的能力，如检查和维护、维修，或在偏远、难以进入或敌对的环境中制造，在这些环境中，大型基础设施的运输或安装显然不可行。

作为大型单机器人系统的替代方法，小型移动机器人团队可以提供更大的灵活性和可扩展性，能够构建比单机器人本身更大的几何形状，并且还具有自适应的潜力，可高效同时分布在多个建筑工地。3D打印技术参考认为，这就比如中国修建一条高速公路，是多路段同时开工。然而，使用机器人团队对建筑的研究处于早期的探索性发展阶段，到目前为止，主要集中在建筑元件的组装上。此外，目前的多机器人增材制造方法主要使用操作高度有限的移动地面机器人车辆。

与当前的人工机器人系统及其固有局限性相比，自然界的动物在建造栖息地时表现出显著程度的可扩展性和适应性。例如，燕子克服了有限的材料有效载荷，在其材料来源和巢穴之间进行了1200次飞行，以逐步完成巢穴制造。白蚁和黄蜂等群居昆虫表现出更大程度的适应性和可扩展性；特别的，黄蜂进行的空中施工显示了高效和直接的路径优化，飞行减轻了在整个建筑过程中在先前建造的材料上方或周围导航的需求。这些自然系统启发了一种集体建设的方法，该方法使用不受束缚的移动机器人网络作为多智能体系统运行。让大量机器人一起工作揭示了制造中的挑战，这些挑战需要解决当前可用技术之外的多智能体协调问题。除了多机器人系统的集体交互方法外，材料设计和使用以及环境操纵机制必须整合和共同开发，以实现集体建设。

研究人员公开了他们所开发的Aerial-AM框架，它将自然界的现象与工程原理相结合，在飞行中使用无人驾驶机器人实现3D打印，展示了一个不受束缚的、无界限的3D打印系统和可扩展的基于群的由多个空中机器人并行的分布式3D打印控制系统。

用空中机器人团队实现自主增材制造需要并行开发多项关键技术，其中包括：（1）能够进行高精度材料沉积和打印质量在线定性评估的空中机器人；(2) 空中机器人团队能够通过无线共享数据，而不受临近机器人的影响；(3) 自主导航和任务规划系统，结合打印路径策略自适应的确定和分配制造任务；(4) 战略性设计或选择材料，特别是轻质和可打印的水泥混合物，适用于空中3D打印，无需模板或临时脚手架。

使用多学科物理人工智能开发方法，研究人员开发了Aerial-AM系统，该系统使用称为BuilDrone（建造无人机）和ScanDrone（扫描无人机）的两种类型的空中机器人平台。BuilDrone设计用于实现物理材料的自主沉积，具有依赖于环境的制造精度，而ScanDrone设计用于在每层材料沉积后执行增量空中扫描和验证观察。两个机器人平台都与提出的分布式多代理方法在两个循环中进行协调。开发制造策略用于关联多智能体系统中的3D打印形状和机器人任务分配。构建循环包括BuilDrones和ScanDrone的飞行中打印性能表征、BuilDrones的实时轨迹适应和材料挤压，以及通过ScanDrone和人类监督员进行的打印验证。

虚拟仿真结果表明，Aerial-AM框架可以通过并行多机器人制造有效打印各种几何形状，同时缓解过度拥堵，并展示了适应性和个体机器人冗余。研究人员同时开发了四种定制水泥混合物进行无人机建造，打印了2.05m高的圆柱体，制造精度达到5mm，这在英国建造标准中是可接受的，这证明了该系统制造大型几何体的能力。

Aerial-AM允许在飞行中进行制造，并为在高空或具有自然灾害的难以进入的地区进行构建提供了未来的可能性。