無人機(jī)蓋房子登Nature封面！半小時(shí)蓋2米，未來可上火星

Pine 2022-09-22 16:23:36 來源：量子位

夢(mèng)晨 Pine 發(fā)自 凹非寺

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好家伙，無人機(jī)現(xiàn)在都能組團(tuán)蓋房子了！

在路徑規(guī)劃算法的加持下，它們的協(xié)作方式是這樣的：

上圖中藍(lán)色軌跡表示在建造，紅色軌跡表示離開建造區(qū)域去補(bǔ)充材料。

真正搭載了3D打印裝置之后，就可以像這樣一層一層地蓋上去了：

在快速定型絕緣泡沫材料的實(shí)驗(yàn)中，無人機(jī)打印2.05米高、共72層的圓筒型建筑原型只需29分鐘，驗(yàn)證了此方法建造大型建筑的能力。

而在類水泥材料的薄壁建筑實(shí)驗(yàn)，則證明此方法的打印誤差不超過5毫米。

相關(guān)研究來自倫敦帝國理工學(xué)院空中機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，論文登上最新一期Nature封面。

用無人機(jī)群在火星蓋房子這事聽起來屬于科幻，但實(shí)際上靈感是從自然界而來。

受蜜蜂啟發(fā)，不受空間限制

像蜜蜂與黃蜂筑巢，正是這樣團(tuán)隊(duì)協(xié)作、一層一層疊加的成果。

團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，無人機(jī)從空中打造建筑有幾大優(yōu)勢(shì)。

與傳統(tǒng)建筑相比，無人機(jī)可用在空間不足或地形崎嶇，大型機(jī)械難以展開工作的環(huán)境。

從3D打印建筑角度，一般來說要打印多大的建筑就需要比這更大的打印裝置，或分部件打印再組裝。

而無人機(jī)模式則擺脫這一限制，在建筑高度、面積、形態(tài)上更為靈活。

往遠(yuǎn)了說，這項(xiàng)技術(shù)可用于未來火星建設(shè)。

往近了說還可用于修復(fù)現(xiàn)有建筑的外墻等工作，而且不必再建造復(fù)雜的腳手架。

無人機(jī)也分工種

用無人機(jī)模仿動(dòng)物筑巢可不是一件容易的事，畢竟相較于小動(dòng)物們，無人機(jī)的靈活性還是差了一些的。

因此面對(duì)的首要問題就是：如何讓無人機(jī)蓋出一個(gè)質(zhì)量過關(guān)的房子？

研究團(tuán)隊(duì)給出了答案：分工合作。

具體來說，就是把無人機(jī)劃分一下，分成掃描無人機(jī)?（ScanDrones）和建筑無人機(jī)?（BuilDrones），執(zhí)行不同的功能。

建筑無人機(jī)就相當(dāng)于現(xiàn)實(shí)建造過程中的建筑工人，負(fù)責(zé)最一線的建造工作。

它們承擔(dān)了存儲(chǔ)建筑材料和“蓋房子”的功能。

有了“一線建筑工人”，面對(duì)整個(gè)大建筑工程，它們?cè)搹暮翁幭率帜兀?/p>

這時(shí)候就需要一個(gè)“包工頭”，來協(xié)調(diào)它們的工作并監(jiān)督它們完成，杜絕豆腐渣工程。

掃描無人機(jī)理所應(yīng)當(dāng)?shù)爻洚?dāng)了這個(gè)職位。

在建筑無人機(jī)每蓋好一層后，掃描無人機(jī)都會(huì)掃描整體建筑的狀況并給出建筑無人機(jī)下一步建造的任務(wù)，確保整個(gè)建筑按照預(yù)期的目標(biāo)進(jìn)行。

建筑無人機(jī)、掃描無人機(jī)兩個(gè)一起打配合，聽起來也不是很復(fù)雜（有種我行我也上的錯(cuò)覺）。

不過若要真正實(shí)施起來，才會(huì)發(fā)現(xiàn)其中還會(huì)有一些棘手的小細(xì)節(jié)。

一個(gè)是無人機(jī)的穩(wěn)定性，“蓋房子”這種事情要求很高的準(zhǔn)確性，馬虎不得。

而在戶外，無人機(jī)的行動(dòng)往往會(huì)受到氣流等各種因素產(chǎn)生一定的位置漂移，這對(duì)于建筑來說是個(gè)很致命的問題。

為了解決這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)在無人機(jī)下方的增加了一個(gè)穩(wěn)定裝置，來補(bǔ)償建筑無人機(jī)產(chǎn)生的漂移，保證整個(gè)建造環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性。

在這個(gè)過程中，還有一個(gè)不得不面對(duì)的工程之外的難題：建筑材料重量。

礙于續(xù)航以及承重問題，輕，輕，輕變成了無人機(jī)“蓋房子”的首要需求。

目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的地面3D打印建筑使用的一般是水泥或者混凝土。

但總不至于讓無人機(jī)搬著這么重的建材飛到天上“蓋房子”吧。

因此研究團(tuán)隊(duì)與瑞士聯(lián)邦材料實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)出了一種類似水泥的材料，在打印時(shí)是柔軟的，過段時(shí)間后就會(huì)變硬，最重要的一點(diǎn)是：它很輕。

怎么蓋房子，拿什么蓋房子這些都解決了，接下來就是實(shí)施問題了。

當(dāng)然，在蓋房子的過程中肯定不止一個(gè)建筑無人機(jī)，而是一整支「無人機(jī)艦隊(duì)」。

那“人”多了就會(huì)不可避免地產(chǎn)生摩擦，該怎么解決？

為了確保這些建筑無人機(jī)能夠在建造過程中獨(dú)立地完成自己的任務(wù)，研究人員開發(fā)了一種多智能協(xié)同方法。

通俗來講，每個(gè)建筑無人機(jī)都具備空間感知和反應(yīng)的能力，而這些無人機(jī)可以在無監(jiān)督的狀況下進(jìn)行自主任務(wù)分配。

并且，研究人員還將無人機(jī)設(shè)計(jì)為半自主的，以防出現(xiàn)特殊變化時(shí)人能夠更方便地進(jìn)行干預(yù)，確保整個(gè)建筑工程的順利進(jìn)行。

這樣一來，整個(gè)無人機(jī)建筑團(tuán)隊(duì)便能有條不紊的工作（蓋房子）了。

研究團(tuán)隊(duì)

這項(xiàng)研究由倫敦帝國理工學(xué)院空中機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室與瑞士聯(lián)邦材料實(shí)驗(yàn)室合作完成。

通訊作者為MirkoKovac教授，于瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院智能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(EPFL)獲得博士學(xué)位，研究方向?yàn)闄C(jī)器人設(shè)計(jì)、流體結(jié)構(gòu)交互和多模態(tài)機(jī)器人移動(dòng)。

一作是Ketao Zhang，畢業(yè)于倫敦國王學(xué)院與北京交通大學(xué)，現(xiàn)在倫敦瑪麗女王大學(xué)工作。

對(duì)于這項(xiàng)研究，團(tuán)隊(duì)表示目前只驗(yàn)證了無人機(jī)群在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的建筑能力。

未來還將增加戶外測(cè)繪系統(tǒng)和GPS，以及開發(fā)無人機(jī)自動(dòng)充電功能，進(jìn)一步減少人類干預(yù)的必要。

論文地址：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4

參考鏈接：

[1]https://www.youtube.com/watch?v=pDKNEO0gDuE

[2]https://www.imperial.ac.uk/news/239973/3d-printing-drones-work-like-bees