法国联邦材料科学与技术实验室 (EMPA)

科学家们以蜜蜂为模型，开发了一群合作的3D打印无人机。在人类的控制下，这些飞行机器人在团队中工作，打印3D材料，在飞行中建造或修复结构。

由来自 瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）和英国伦敦帝国理工学院（Imperial College London）的无人机专家 Mirko Kovac 领导的国际研究团队以蜜蜂为模型，开发了一群合作的 3D 打印无人机。正如科学家们在最新一期《自然》杂志的封面故事中报道的那样，在人类控制下，这些飞行机器人作为一个团队使用 3D 打印材料来建造或修复飞行中的结构。

3D打印在建筑行业的势头越来越猛。在现场和工厂，静态和移动机器人打印用于建筑项目的材料，例如钢结构和混凝土结构。

一种新的 3D 打印方法——由伦敦帝国理工学院和瑞士联邦材料科学与技术实验室 Empa 领导开发——使用称为无人机的飞行机器人，它使用受蜜蜂和黄蜂等自然建造者启发的集体建造方法。

该系统称为空中增材制造 (Aerial-AM)，涉及从一架飞机协同工作的无人机机队。它由在飞行过程中存放材料的 BuilDrones 和不断测量 BuilDrones 的生产并告知其下一步制造步骤的质量控制 ScanDrones 组成。研究人员表示，与替代方法不同，飞行中的 3D 打印打开了大门，这将导致在难以到达或危险的地点进行现场制造和施工，例如灾后救援建设和大型建筑物或基础设施。

该研究由英国帝国理工学院航空系和瑞士联邦材料科学与技术实验室机器人材料与技术中心的 Mirko Kovac 教授领导。

Kovac 教授说：“我们已经证明了无人机可以自主工作并协同工作来建造和维修建筑物的概念，至少在实验室中是这样。这种可扩展的解决方案有助于在高层建筑等难以到达的区域进行施工和维修。”

Aerial-AM 同时使用 3D 打印和轨迹规划框架，因此无人机可以适应施工过程中结构几何形状的变化。

无人机在飞行中是完全自主的，但循环中有一个人类控制器，他可以根据无人机提供的信息监控进展并在必要时进行干预。

打印 3D 几何图形

为了测试这一概念，研究人员开发了四种可用于无人机建造的水泥混合物。在整个构建过程中，无人机实时评估打印的几何形状并调整其行为，以确保它们符合构建规范，制造精度为 5 毫米。概念验证印刷品包括一个 2.05 米长的圆柱体（72 层），采用聚氨酯基泡沫材料，以及一个 18 厘米的圆柱体（28 层），采用定制设计的水泥状结构材料。

该技术为在无限、高或难以到达的地方建造和修复结构提供了未来的可能性。然后，研究人员将与建筑公司合作，验证解决方案并提供维修和制造能力。他们相信，与传统的手动方法相比，该技术将显着节省成本并降低访问风险。

共同研究人员包括 Robert Stuart-Smith、Stefan Leutenegger、Vijay Pawar、Richard Ball、Chris Williams 和 Paul Shephard，以及他们在伦敦大学学院、巴斯大学、宾夕法尼亚大学、玛丽皇后大学和慕尼黑大学的研究团队。

这项工作由 UKRI 下属的工程和物理科学研究委员会资助。它是由助理教授 Stuart-Smith 和 Kovac 教授在进行试点研究合作并获得管道维修示范奖后开始的。该项目还得到了工业合作伙伴 Skanska、Ultimaker、Burohappold 和 BRE 的支持。

3D打印在建筑行业的势头越来越猛。在现场和工厂，静态和移动机器人打印用于建筑项目的材料，例如钢结构和混凝土结构。

来自Empa、美国宾夕法尼亚大学和英国伦敦帝国理工学院的研究人员创造了一群受蜜蜂启发的无人机，它们可以在飞行中集体 3D 打印材料，从而实现无限制造，用于建筑和结构维修。在人类控制下，这些飞行机器人受到蜜蜂和黄蜂等自然建造者的启发，作为一个团队使用 3D 打印材料来建造或修复飞行中的结构。

该系统称为空中增材制造（Aerial-AM），实际上集成了两种类型的四轴无人机，它们可以自主飞行并相互通信。研究人员开发了 BuilDrones 以在飞行过程中沉积材料，质量控制 ScanDrones 不断测量 BuilDrones 的输出并通知他们的下一个制造步骤。

未来愿景：成群的无人机也可以在太空中使用，例如，在未来的火星任务中。图片来源：Yusuf Furkan KAYA，空中机器人实验室，伦敦帝国理工学院 / Empa

可扩展的多机器人三维 (3D) 打印和轨迹规划框架允许机器人任务和人口规模适应打印几何形状的变化和机器人行为的适应。3D 打印无人机在飞行中是完全自主的，但循环中有一个人工控制器，可以根据无人机提供的信息监控进度并在必要时进行干预。

为了测试这个概念，研究人员开发了四种可以建造无人机的水泥混合物。在整个构建过程中，无人机实时评估打印的几何形状并调整其行为，以确保它们符合构建规范，制造精度为 5 毫米。概念验证印刷品包括一个 2.05 米高的圆柱体，由 72 层聚氨酯基泡沫材料制成，以及一个 0.18 米高的圆柱体，由 28 层定制设计的结构水泥类材料制成。

“我们已经证明了无人机可以自主工作并协同建造和维修建筑物的概念，至少在实验室中是这样。这种可扩展的解决方案可以帮助在难以到达的区域进行建设和维修，例如高层建筑。”首席研究员 Mirko Kovac说。

该技术为在无限、高或难以到达的地方建造和修复结构提供了未来的可能性。然后，研究人员将与建筑公司合作，验证解决方案并提供维修和制造能力。他们相信，与传统的手动方法相比，该技术将显着节省成本并降低访问风险。

包括 Weitzman 的 Robert Stuart-Smith 在内的研究人员创造了一群受蜜蜂启发的无人机，它们可以在飞行中集体 3D 打印材料，从而可以无限地制造和修复结构。

3D 打印的出现改变了许多行业，允许研究人员、学生、企业家和大型工厂快速将数字设计变成有形的物体。通过与宾夕法尼亚大学和伦敦帝国理工学院的研究人员合作，Empa 研究人员创造了一群受蜜蜂启发的无人机，它们可以在飞行中集体 3D 打印材料，从而可以无限地制作和修复结构。

3D打印越来越多地用于建筑行业。然而，其部署面临的挑战包括机器仅限于根据其尺寸和运输能力来构建容量。

这种新的 3D 打印方法使用飞行机器人（也称为无人机）解决了这些挑战，并使用了受蜜蜂和黄蜂等自然合作建造者启发的集体建造方法。无人机机队，被称为空中增材制造，从一个单一的蓝图协同运作，并随着它的发展而调整其技术。它们在飞行中是完全自主的，但由人工控制员监控，该控制员检查进度并在必要时根据无人机提供的信息进行干预。

该项目源于宾夕法尼亚大学斯图尔特·韦茨曼设计学院建筑学助理教授罗伯特·斯图尔特-史密斯和宾夕法尼亚大学工程GRASP 实验室附属学院的长期合作，以及伦敦帝国理工学院教授Mirko Kovac和瑞士联邦材料科学与技术实验室，他们都对该主题进行了试点研究。这对夫妇的项目是由 Kovac 领导的跨学科研究团队与 Stuart-Smith 和共同研究人员 Stefan Leutenegger、Vijay Pawar、Richard Ball、Chris Williams 和 Paul Shephard 以及他们在宾夕法尼亚大学帝国理工学院的研究团队开发的。伦敦大学学院、巴斯大学、伦敦玛丽女王大学和慕尼黑工业大学。

Stuart-Smith 说：“这是一项令人兴奋的研究，它可能会影响我们如何在难以到达、危险或具有挑战性的高层区域（例如高层建筑和桥梁）中进行建造。尽管这项工作处于早期概念验证阶段，但其分布式和自适应制造方法与建筑业的激动人心的趋势和建筑设计的新机遇相一致。”

展望未来，研究人员将与建筑公司合作，验证他们开发的解决方案并提供维修和制造能力。他们相信，与传统的手动方法相比，该技术将显着节省成本并降低风险。Stuart-Smith 继续说道：“在 Penn，我们目前正在开发利用这种建筑方法的建筑设计解决方案，同时继续与我们在伦敦和瑞士的同事合作，并与希望加强其能力的行业合作伙伴进行接触。研究。”

Robert Stuart-Smith 是设计科学硕士说：“机器人和自主系统 (MSD-RAS) 的项目主任，魏茨曼设计学院的建筑学助理教授，也是宾夕法尼亚大学工程学院 GRASP 实验室的附属成员。他领导宾夕法尼亚大学建筑系的独立制造实验室，并共同领导其在伦敦大学学院计算系的姊妹实验室。”