多無人機(jī)協(xié)同3D打印蓋房子，研究登上Nature封面
更新時(shí)間:2022-09-23 17:00:39
?把大興土木的事交給無人機(jī)，讓它們表演 3D 打印可好？我們經(jīng)?？梢钥吹矫鄯?、螞蟻等各種動(dòng)物忙碌地筑巢。經(jīng)過自然選擇，它們的工作效率高到嘆為觀止。這些動(dòng)物的分工合作能力已經(jīng)「傳給」了無人機(jī)，來自英國帝國理工學(xué)院的一項(xiàng)研究向我們展示了未來的方向，就像這樣：
? 本周三，這一研究成果登上了《自然》封面。
論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4
為了展示無人機(jī)的能力，研究人員使用泡沫和一種特殊的輕質(zhì)水泥材料，建造了高度從 0.18 米到 2.05 米不等的結(jié)構(gòu)。與預(yù)想的原始藍(lán) 圖相比，誤差不到 5 毫米。
為了證明該系統(tǒng)可以處理更復(fù)雜的無人機(jī)編隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)使用無人機(jī)上的燈光創(chuàng)建了一個(gè)光跡延時(shí)序列，模擬制作一個(gè)高高的圓頂狀結(jié)構(gòu)。
該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、英國帝國理工學(xué)院空中機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室主任 Mirko Kovac 表示：這種方法可以用于在北極甚至火星上建造建筑物，或者幫助修復(fù)通常需要昂貴的腳手架的高層建筑。
不過，目前該技術(shù)還受到一些限制，因?yàn)闊o人機(jī)難以承載重物，需要定期充電，并且仍然需要人工監(jiān)督。然而，研究人員表示，他們希望通過在項(xiàng)目研究期間自動(dòng)為無人機(jī)充電來緩解其中的一些問題。
無人機(jī) 3D 打印是怎么實(shí)現(xiàn)的？對(duì)此，研究者們構(gòu)建了一套精密的體系。
研究介紹
為了提高生產(chǎn)率和安全性，人們提出了基于機(jī)器人的建筑技術(shù)，以用于建筑構(gòu)件的組裝和自由形式的連續(xù)增材制造 ( AM，additive manufacturing ) 。與基于組裝的方法相比，自由形式的連續(xù)增材制造能夠靈活生產(chǎn)幾何變量設(shè)計(jì)，具有效率高、成本低等特點(diǎn)。然而，這些大型系統(tǒng)需要與電源連接，檢查、維護(hù)、修理不方便，難以在惡劣環(huán)境中制造等困難。
作為大型單個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的替代方法，小型移動(dòng)機(jī)器人可以提供更大的靈活性和可擴(kuò)展性。然而，使用機(jī)器人編隊(duì)進(jìn)行建筑的研究還處于發(fā)展的早期探索階段。此外，目前多機(jī)器人操作高度有限，超過一定范圍就不行了。下圖展示了建筑行業(yè)中為增材制造開發(fā)的 SOTA 機(jī)器人平臺(tái)之間的對(duì)比。
與當(dāng)前的機(jī)器人系統(tǒng)及其固有局限性相比，自然建造者在建筑時(shí)表現(xiàn)出了更強(qiáng)的適應(yīng)性，許多借助飛行和增材建造方法來做到這一點(diǎn)。例如，燕子可以在材料來源和建筑地之間進(jìn)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(xiàn)出了更大程度的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性：由社會(huì)黃蜂進(jìn)行的空中施工顯示了高效和直接的路徑優(yōu)化，減輕了在整個(gè)建筑過程中的導(dǎo)航需求。
這些自然系統(tǒng)啟發(fā)了使用多智能體進(jìn)行集體建設(shè)的方法，這種方法需要解決當(dāng)前可用技術(shù)之外的多智能體協(xié)調(diào)問題。除了多機(jī)器人系統(tǒng)的集體交互方法外，材料設(shè)計(jì)和使用以及環(huán)境操縱機(jī)制必須整合和共同開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)合作建設(shè)。
帝國理工提出的體系被稱為 Aerial-AM，它將生物合作機(jī)制與工程原理相結(jié)合，使用多個(gè)無人機(jī)來實(shí)現(xiàn)。
無人機(jī)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)自主增材制造需要并行開發(fā)多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其中包括：1）能夠進(jìn)行高精度材料沉積和打印質(zhì)量，實(shí)時(shí)定性評(píng)估的空中機(jī)器人；2）空中機(jī)器人團(tuán)隊(duì)能夠相互廣播自己的活動(dòng)，無線共享數(shù)據(jù)，互不干擾；3）自主導(dǎo)航和任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，結(jié)合打印路徑策略自適應(yīng)地確定和分配制造任務(wù)；4）設(shè)計(jì)或選擇材料規(guī)劃，特別是輕質(zhì)和可打印的水泥混合物，適用于空中增材制造方法，無需模板或臨時(shí)腳手架。
Aerial-AM 使用兩種類型的空中機(jī)器人平臺(tái)，分別被稱為 BuilDrone 和 ScanDrone，BuilDrone 用于堆砌物理材料，ScanDrone 用于在每層材料沉積后執(zhí)行增量空中掃描和驗(yàn)證觀察。兩個(gè)機(jī)器人平臺(tái)都經(jīng)由分布式多代理方法在各自工作流上進(jìn)行了協(xié)調(diào)。構(gòu)建循環(huán)包括 BuilDrones 和 ScanDrone 的飛行中打印性能表征、BuilDrones 的實(shí)時(shí)軌跡適應(yīng)和材料打印，以及通過 ScanDrone 和人類監(jiān)督人員進(jìn)行的打印效果驗(yàn)證。
圖 2. 用于不受限制和無界增材制造的 Aerial-AM 框架。
新研究提出的多智能體 Aerial-AM 框架由兩個(gè)循環(huán)組成，分別在規(guī)劃的慢時(shí)間尺度和實(shí)時(shí)操作的快時(shí)間尺度上運(yùn)行，用于制造和進(jìn)度觀察。在概念驗(yàn)證中，研究者們利用 ScanDrone 機(jī)載視覺系統(tǒng)進(jìn)行 3D 掃描以映射進(jìn)度，使用膨脹泡沫材料構(gòu)建了一個(gè)大型圓柱體。
圖 3. Aerial-AM BuilDrone 打印了 2.05 m 高的圓柱形幾何圖形，其中包含 72 次材料沉積行程，并由 ScanDrone 進(jìn)行實(shí)時(shí)打印評(píng)估。
圖 4. 兩臺(tái) BuilDrones 使用誤差補(bǔ)償 delta 機(jī)械手對(duì)薄壁圓柱體進(jìn)行 3D 打印，以沉積膠結(jié)材料。
圖 5. Aerial-AM 多機(jī)器人光軌虛擬打印圓頂狀旋轉(zhuǎn)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(gè)機(jī)器人打印放大版幾何圖形的模擬結(jié)果，其底徑為 15 m。
通過 BuilDrone 的材料沉積和 ScanDrone 對(duì)打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)定性評(píng)估，研究人員成功打印出了高達(dá) 2.05 米的圓柱體，證明了 Aerial-AM 方法制造大型幾何物體的能力。水泥薄壁圓柱體的制造實(shí)驗(yàn)證明，自對(duì)準(zhǔn)平行 delta 機(jī)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(gè)水平在英國的建筑要求允許范圍之內(nèi)。
虛擬光軌增材制造 和仿真結(jié)果表明，Aerial-AM 框架可以通過并行多機(jī)器人制造有效地打印各種幾何形狀，同時(shí)解決擁堵，并在異常情況下完成自適應(yīng)。
盡管這些實(shí)驗(yàn)成功地驗(yàn)證了 Aerial-AM 的可行性，但它們只是探索使用空中機(jī)器人進(jìn)行建筑的潛力的第一步。研究人員表示，要想實(shí)現(xiàn)無人機(jī) 3D 打印蓋房，還需要在機(jī)器人技術(shù)和材料科學(xué)方面取得重大進(jìn)展，特別是支撐材料的沉積、活性材料的固化和多機(jī)器人之間任務(wù)共享等前沿領(lǐng)域進(jìn)行發(fā)展。
而對(duì)于無人機(jī)本身，為使研究成果走出實(shí)驗(yàn)室，研究者們正打算實(shí)施具有差分全球定位系統(tǒng)（GPS）的多傳感器同時(shí)定位和制圖（SLAM）系統(tǒng)，以提供足夠的室外定位。
在實(shí)用化之后，Aerial-AM 或許可以提供一種替代方式來支持偏遠(yuǎn)地區(qū)的住房和重要基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。
服務(wù)熱線： 135 7086 9158
English 
