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瑞士联邦材料科学与技术实验室 (EMPA)
研究人员以蜜蜂为模型，开发了一群合作的 3D 打印无人机。在人类的控制下，这些飞行机器人作为一个团队工作，使用 3D 打印材料来建造或修复飞行中的结构。
由Empa和英国伦敦帝国学院的无人机专家Mirko Kovac领导的一个国际研究小组以蜜蜂为模型，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材料以建造或修复飞行结构，正如科学家们在最新一期《自然》杂志的封面故事中报告的那样。
3D打印在建筑业的发展势头越来越好。无论是在现场还是在工厂，静态和移动机器人都在打印建筑项目中使用的材料，如钢和混凝土结构。
一种新的3D打印方法--由伦敦帝国学院和瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）牵头开发--使用被称为无人机的飞行机器人，其采用的集体建造方法受到蜜蜂和黄蜂等自然建造者的启发。
该系统被称为空中增材制造（Aerial-AM），涉及到一个无人机队在一架飞机上共同工作。
它由BuilDrones（在飞行过程中沉积材料）和质量控制ScanDrones（持续测量BuilDrones的产出并告知其在制造中的下一步行动）组成。
研究人员说，与其他方法不同，飞行中的3D打印打开了大门，将导致在难以到达或危险的地点进行现场制造和施工，如灾后救援建设和大型建筑或基础设施。
这项研究由帝国航空系的Mirko Kovac教授和Empa的机器人材料和技术中心领导。
Kovac教授说："我们已经证明了无人机可以自主和串联操作来建造和维修建筑物的概念，至少在实验室里是这样。这种可扩展的解决方案可以帮助高层建筑等难以触及的区域进行施工和维修。"
Aerial-AM同时使用3D打印和路径规划框架，这样无人机就可以在施工过程中适应结构几何的变化。
无人机在飞行中是完全自主的，但有一个人类控制器在其中，他可以根据无人机提供的信息监测进展并在必要时进行干预。
打印 3D 几何图形
为了测试这个概念，研究人员开发了四种无人机可以用来建造的水泥混合物。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。概念验证打印包括一个 2.05 米的圆柱体（72 层）和一个 18 厘米的圆柱体（28 层）和一个定制设计的类水泥结构材料。
该技术为未来在无限、高处或难以到达的地方建造和修复结构提供了可能性。接下来，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。他们认为，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。
共同研究者包括 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 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修复示范奖后发起的。该项目还得到工业合作伙伴 Skanska、Ultimaker、Burohappold 和 BRE 的支持。
3D 打印在建筑行业的发展势头迅猛。在现场和工厂中，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。
来自瑞士 Empa 研究所、宾夕法尼亚大学和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，从而实现无限的建筑和结构修复制造。在人类的控制下，这些飞行机器人受到蜜蜂和黄蜂等自然建造者的启发，作为一个团队工作，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旋翼无人机，它们可以自主飞行并相互通信。研究人员开发了 BuilDrones 以在飞行过程中存放材料，而质量控制 ScanDrones 则不断测量 BuilDrones 的输出并告知其下一步制造步骤。
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，伦敦帝国理工学院空中机器人实验室 / 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，但回路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用来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。概念验证打印包括一个由 72 层聚氨酯泡沫材料制成的 2.05 米高的圆柱体和一个由 28 层定制设计的结构类水泥材料制成的 0.18 米高的圆柱体。
“我们已经证明了无人机可以自主工作并协同工作以建造和维修建筑物的概念，至少在实验室是这样。这种可扩展的解决方案可以帮助在高层建筑等难以到达的区域进行施工和维修。”首席研究员 Mirko Kovac说。
该技术为未来在无限、高处或难以到达的地方建造和修复结构提供了可能性。接下来，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。他们认为，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，从而实现无限制造以建造和修复结构。
3D 打印的出现改变了许多行业，它允许研究人员、学生、企业家和大型工厂快速将数字设计转化为有形物体。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 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，从而实现建造和修复结构的无限工艺。
3D打印越来越多地应用于建筑行业。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，并使用受蜜蜂和黄蜂等自然合作建造者启发的集体建造方法。被称为空中增材制造的无人机机队根据单一蓝图协同运作，并在其发展过程中调整其技术。它们在飞行中是完全自主的，但由人工控制员进行监控，人工控制员会根据无人机提供的信息检查进度并在必要时进行干预。
该项目源于宾夕法尼亚大学Stuart Weitzman 设计学院和宾夕法尼亚大学工程GRASP 实验室附属学院建筑学助理教授Robert Stuart-Smith 与伦敦帝国理工学院教授Mirko Kovac之间的长期合作和瑞士联邦材料科学与技术实验室, 他们都对这个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 以及 Stefan Leutenegger、Vijay Pawar、Richard Ball、Chris Williams 和 Paul Shephard 以及他们在宾夕法尼亚帝国理工学院的研究团队共同开发的，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。
“这是一项激动人心的研究，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建筑区域建造建筑，例如高层建筑和桥梁。”Stuart-Smith 说：“虽然这项工作处于早期的概念验证阶段，但其分布式和自适应制造方法符合令人兴奋的建筑趋势和建筑设计的新机遇。”
该团队的工作是《自然》杂志最近一篇文章“具有多个自主机器人的空中增材制造”的主题。
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，该技术将节省大量资金并降低风险Stuart-Smith 继续说道：“在宾夕法尼亚大学，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，并与希望加强这一能力的行业合作伙伴进行接触研究。”
罗伯特·斯图尔特·史密斯 (Robert Stuart-Smith) 是设计科学硕士项目主任：机器人和自主系统 (MSD-RAS)，魏茨曼设计学院建筑学助理教授，以及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，并共同领导伦敦大学学院计算系的姊妹实验室。
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