文章來源：DeepTech深科技

特斯拉 CEO、SpaceX 創(chuàng)始人埃隆 · 馬斯克曾公開過 " 火星移民 " 計劃，稱要在 2050 年將 100 萬人送往火星。

其中的一個問題是，移民火星后人們將住在哪，誰來為他們搭建房屋呢？隨著機器人技術的發(fā)展，3D 打印建筑逐漸成為可能，但用于建筑結(jié)構 3D 打印的設備往往體積龐大，制約著其打印建筑的高度。

動圖丨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（來源：Nature）

受黃蜂 / 家燕筑巢的啟發(fā)，來自英國帝國理工學院與倫敦瑪麗女王大學，以及合作團隊的科學家們首次提出并實現(xiàn)了基于多無人機的建筑結(jié)構 3D 打印創(chuàng)新方法。

他們成功研制了能搭載在無人機上的建筑材料 3D 打印裝置以及高精度材料沉積執(zhí)行器，并研發(fā)了一套自主導航和任務分配方法，實現(xiàn)了多個無人機之間的相互通訊，以及同步打印無人機的數(shù)量、時間分配的優(yōu)化。

通過結(jié)合能夠自由靈活飛行的無人機和具有高精度、高剛度的并聯(lián)機器人的各自優(yōu)勢，成功解決了無人機在空中飛行時的不穩(wěn)定性，將其末端執(zhí)行器誤差控制在 5mm 以內(nèi)，使得無人機空中高精度 3D 打印成為可能。

圖丨水泥 3D 打印薄壁結(jié)構（來源：該團隊）

考慮到不同材料沉積過程中的膨脹或下沉等不確定性，該團隊引進了基于三維圖像掃描和重建技術對打印結(jié)構的測量評估方法，有效控制了打印過程中已打印建筑機構與設計模型之間的誤差積累，并實時調(diào)整后續(xù)打印過程中無人機的飛行軌跡。

圖丨 Nature 當期封面（來源：Nature）

9 月 21 日，相關論文以《多自主機器人航空增材制造》（Aerial additive manufacturing with multiple autonomous robots）為題，作為封面文章發(fā)表在 Nature [ 1 ] 。

圖丨相關論文（來源：Nature）

審稿人對該研究評價道：" 該研究所提出的方法具有開創(chuàng)性意義 , 特別是在相對較為保守、需要更多自動化生產(chǎn)來提高效率的建筑工業(yè)。"
另一位審稿人則評價稱：" 作者在該研究中的重大技術突破，將為論文中提出的多機器人自主協(xié)作 3D 打印建筑結(jié)構的方法在建筑工業(yè)的成功應用提供有力保障。"

30 分鐘蓋 2 米高柱形結(jié)構，實現(xiàn) 5mm 打印精度

無人機 3D 打印建筑看上去很酷炫，但實際上，從想法到逐步優(yōu)化、全方位科學性驗證用了將近 10 年時間。
2014 年，米爾科 · 科瓦奇教授團隊就提出了無人機 3D 打印建筑的想法。從理論上攻克核心技術并推進相關實驗的設計，例如高精度建筑材料沉積，以及多無人機協(xié)同打印控制算法的攻關都花了相當長的時間，基礎問題才得以解決。

（來源：Nature）

在研究最初階段，研究人員將 3D 打印裝置固定在無人下方。但問題也隨著而來，無人機在空中位姿的微小變化，會引起打印裝置材料沉積頭的大范圍偏差，嚴重影響材料的打印效果。

為確保 3D 打印的高精度，就必須要避免杠桿誤差比例放大的問題。該問題通常因無人機位置與姿態(tài)偏差引起的 3D 打印噴頭傾斜所導致，該團隊利用控制算法來應對該問題。

圖丨張克濤（來源：張克濤）

張克濤于 2016 年加入該團隊后，提出給無人機加裝了一個靈巧的微型 Delta 并聯(lián)機械手，成功解決了該研究的技術瓶頸之一，即建筑無人機的高精度 3D 打印。

最終在實驗室環(huán)境下實現(xiàn) 5mm 以下的打印精度，圓柱形打印頭的直徑為 8 毫米。"這是目前基于移動機器人與飛行機器人設備，在實驗室環(huán)境中打印精度最高水平。"張克濤說。

穩(wěn)定和精度問題已解決，接下來團隊開始著手無人機的打印路徑規(guī)劃與執(zhí)行。值得關注的是，由于市面上已有的無人機無法實現(xiàn)團隊的打印目標，因此無人機平臺由張克濤及團隊自主設計。他們通過不斷地實驗優(yōu)化設計，實現(xiàn)了材料一層層沉積后結(jié)構不倒塌。

圖丨多無人機并行增材制造方法與不同材料驗證實驗（來源：Nature）

" 我們要考慮材料在 3D 打印設備中推出前的粘性，也要保證其在推出后的可塑性，這樣才能使材料保持打印后不會在重力等作用下產(chǎn)生變形。"張克濤說。該團隊從材料科學角度研究了其調(diào)配料的制備和選擇后，最終設計了兩款 3D 打印無人機，分別可打印類水泥材料以及低密度聚氨酯泡沫塑料。
實時測量是該團隊面臨的另一難題。他們通過密集映射算法來進行 3D 網(wǎng)格重建，然后從 3D 重建的數(shù)字模型得到已經(jīng)沉積好結(jié)構的高度，進而實現(xiàn)了 3D 打印一層層疊加的工作。

有望最快應用于修復高層建筑，已開始技術成果轉(zhuǎn)化

傳統(tǒng)的建筑物設計很大程度上受已有建筑方法的限制，在結(jié)構設計上往往 " 千篇一律 "。而 3D 打印建筑的優(yōu)勢是以設計驅(qū)動建筑制造，可按個人的喜好或
需求設計建筑風格，實現(xiàn)個性化及更復雜的結(jié)構。

由于建筑無人機自帶電源機可打印材料，其 3D 打印時不受建筑高度和材料輸送管道的限制。該方法與傳統(tǒng)建筑方法相比，還可減少物料運輸過程中產(chǎn)生的碳排量。

此外，理論上無人機可 24 小時持續(xù)工作，因此可提升建筑生產(chǎn)效率，進而節(jié)省更多的時間成本及人力資源的成本。3D 打印設計和建設房屋，還能減少建筑材料在搬運過程中的浪費和損耗、減少對環(huán)境的影響，對樓層的結(jié)構性提供更大的自由度。

結(jié)構方面最近的研究顯示，從結(jié)構力學的結(jié)構承載力角度，傳統(tǒng)建筑使用的實體結(jié)構中有近 40% 的材料可被節(jié)省。"3D 打印建筑可以依據(jù)承載力的需求按需進行結(jié)構優(yōu)化設計，因此相較于傳統(tǒng)澆筑等建筑方法更加節(jié)省材料。"張克濤說。

（來源：該團隊）

據(jù)悉，該團隊在測量算法等方面已獲得相關專利。目前，英國已有幾家大型建筑公司與他們合作進行技術的成果轉(zhuǎn)化。

張克濤認為，該技術最快落地的應用場景可能在高層建筑或基礎設施的修復工作。當然，該方法并不是為了與建筑工人 " 搶飯碗 "，而是由無人機去完成重復性高、危險系數(shù)高的工作。讓人們騰出精力去處理更復雜、多樣的設計與規(guī)劃任務。

" 高空建筑墻面破損的維修不需要大量材料，因此只用一架無人機就可完成相關修復工作。我們現(xiàn)在與當?shù)叵嚓P企業(yè)在討論該技術能達到的工業(yè)化應用水平，并在進行初期測試。" 他說。

該技術還可能應用于火星或月球的建筑制造。值得關注的是，該方法不僅適用于無人機，它還適用于指導無人機與地面移動機器人的配合、多自主機器人協(xié)同打印。

對于災后重建工作，該技術也可給予相關支持，例如應急設施的搬運或臨時建筑重建。如果某地區(qū)發(fā)生地震，在道路被破壞、車輛行駛受阻情況下，物資的配送往往會受到很大的影響。而通過無人機遠程投送、多機器人 3D 打印建筑技術則可進行臨時建筑的搭建。

圖丨高 2.05 米的圓柱形打印結(jié)構 3D 重建模型，其中包含 72 次材料沉積行程（來源：Nature）

未來，該技術仍有一些難點需要攻克。例如無人機充電方式，如何通過無線或其他方式為無人機更好地儲能。張克濤表示，" 若想滿足持續(xù)為無人機供電，對電池材料和充電方法都提出了更高要求。我們設想過太陽能電池，但目前其性能還不能滿足無人機的供電需求。"
將該技術從實驗室搬到實驗室外的環(huán)境是另一個挑戰(zhàn)。在實驗室內(nèi)，該團隊使用運動追蹤系統(tǒng)對無人機的位姿進行控制。" 在室外場景，由于 GPS 等定位系統(tǒng)誤差較大，我們以后可能會用到基于視覺的實時定位與地圖構建方法，對無人機或機器人進行實時對環(huán)境的感知。"張克濤說。
另一方面，3D 打印材料也是該團隊將繼續(xù)研究的方向。目前，類水泥材料能達到傳統(tǒng)用的普通的水泥配料的性能。
張克濤指出，如何在 3D 打印中實現(xiàn)多種材料（例如鋼筋混凝土）共同打印，以及與行業(yè)共同推動 3D 打印建筑的相關標準或規(guī)范，也是團隊將持續(xù)關注的方向。

為建筑制造行業(yè)的數(shù)字化發(fā)展插上 " 翅膀 "

如何讓看似 " 天方夜譚 " 的想法成為現(xiàn)實？讓張克濤深有體會的是，做科研必須有大膽的想法，并且要有恒心，通過不斷努力地打磨技術，來想辦法實現(xiàn)。
他大學本科畢業(yè)于北京交通大學機械工程及自動化專業(yè)，之后在博士期間，參加了倫敦國王學院和北京交通大學機械工程 - 機械設計與理論聯(lián)合項目，該階段其研究重點是可重構并聯(lián)機器人的設計和運動學分析。

那時，張克濤已產(chǎn)生把并聯(lián)機器人加裝到無人機、做更靈巧操作的想法。一次偶然的機會，他旁聽了米爾科 · 科瓦奇教授的學術報告，并發(fā)現(xiàn)兩人的想法 " 不謀而合 "。

圖丨未來 3D 打印無人機建設房屋效果圖（來源：該團隊）

2016 年，張克濤在在帝國理工學院航空系的空中機器人實驗室，與科瓦奇共同開發(fā)了空中機器人建筑系統(tǒng)，使空中機器人自主地 3D 打印建筑結(jié)構。此外，他還曾在倫敦國王學院多指機器人手實驗室擔任研究員，在英國皇家工程院戴建生院士的指導下開發(fā)了三指變胞機器人手。
張克濤表示，近期想實現(xiàn)的研究目標是，讓人與機器人 " 各盡其能 "、更好地結(jié)合，協(xié)同提升建筑行業(yè)的數(shù)字化發(fā)展。

目前，數(shù)字化和智能制造在中國發(fā)展迅速，特別是在汽車制造業(yè)、醫(yī)療方面都實現(xiàn)了顯著的效果，也推動著建筑設計的數(shù)字化、可視化方面的相關進展。" 然而在建筑制造方面，數(shù)字化仍有很大的發(fā)展空間。"張克濤說。

因此，他未來想繼續(xù)探索的方向是可折疊、結(jié)構靈巧的機器人及其在數(shù)字化制造、人機協(xié)同、極端環(huán)境，以及深空應用，解決更復雜和多樣的科學難題。

參考資料：
1.Zhang, K., Chermprayong, P., Xiao, F.   et al.   Aerial additive manufacturing with multiple autonomous robots.   Nature   609, 709 – 717 ( 2022 ) . https://doi.org/10.1038/s41586-022-04988-4

文章來源：DeepTech深科技

特斯拉 CEO、SpaceX 創(chuàng)始人埃隆 · 馬斯克曾公開過 " 火星移民 " 計劃，稱要在 2050 年將 100 萬人送往火星。

其中的一個問題是，移民火星后人們將住在哪，誰來為他們搭建房屋呢？隨著機器人技術的發(fā)展，3D 打印建筑逐漸成為可能，但用于建筑結(jié)構 3D 打印的設備往往體積龐大，制約著其打印建筑的高度。

動圖丨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（來源：Nature）

受黃蜂 / 家燕筑巢的啟發(fā)，來自英國帝國理工學院與倫敦瑪麗女王大學，以及合作團隊的科學家們首次提出并實現(xiàn)了基于多無人機的建筑結(jié)構 3D 打印創(chuàng)新方法。

他們成功研制了能搭載在無人機上的建筑材料 3D 打印裝置以及高精度材料沉積執(zhí)行器，并研發(fā)了一套自主導航和任務分配方法，實現(xiàn)了多個無人機之間的相互通訊，以及同步打印無人機的數(shù)量、時間分配的優(yōu)化。

通過結(jié)合能夠自由靈活飛行的無人機和具有高精度、高剛度的并聯(lián)機器人的各自優(yōu)勢，成功解決了無人機在空中飛行時的不穩(wěn)定性，將其末端執(zhí)行器誤差控制在 5mm 以內(nèi)，使得無人機空中高精度 3D 打印成為可能。

圖丨水泥 3D 打印薄壁結(jié)構（來源：該團隊）

考慮到不同材料沉積過程中的膨脹或下沉等不確定性，該團隊引進了基于三維圖像掃描和重建技術對打印結(jié)構的測量評估方法，有效控制了打印過程中已打印建筑機構與設計模型之間的誤差積累，并實時調(diào)整后續(xù)打印過程中無人機的飛行軌跡。

圖丨 Nature 當期封面（來源：Nature）

9 月 21 日，相關論文以《多自主機器人航空增材制造》（Aerial additive manufacturing with multiple autonomous robots）為題，作為封面文章發(fā)表在 Nature [ 1 ] 。

圖丨相關論文（來源：Nature）

審稿人對該研究評價道：" 該研究所提出的方法具有開創(chuàng)性意義 , 特別是在相對較為保守、需要更多自動化生產(chǎn)來提高效率的建筑工業(yè)。"
另一位審稿人則評價稱：" 作者在該研究中的重大技術突破，將為論文中提出的多機器人自主協(xié)作 3D 打印建筑結(jié)構的方法在建筑工業(yè)的成功應用提供有力保障。"

30 分鐘蓋 2 米高柱形結(jié)構，實現(xiàn) 5mm 打印精度

無人機 3D 打印建筑看上去很酷炫，但實際上，從想法到逐步優(yōu)化、全方位科學性驗證用了將近 10 年時間。
2014 年，米爾科 · 科瓦奇教授團隊就提出了無人機 3D 打印建筑的想法。從理論上攻克核心技術并推進相關實驗的設計，例如高精度建筑材料沉積，以及多無人機協(xié)同打印控制算法的攻關都花了相當長的時間，基礎問題才得以解決。

（來源：Nature）

在研究最初階段，研究人員將 3D 打印裝置固定在無人下方。但問題也隨著而來，無人機在空中位姿的微小變化，會引起打印裝置材料沉積頭的大范圍偏差，嚴重影響材料的打印效果。

為確保 3D 打印的高精度，就必須要避免杠桿誤差比例放大的問題。該問題通常因無人機位置與姿態(tài)偏差引起的 3D 打印噴頭傾斜所導致，該團隊利用控制算法來應對該問題。

圖丨張克濤（來源：張克濤）

張克濤于 2016 年加入該團隊后，提出給無人機加裝了一個靈巧的微型 Delta 并聯(lián)機械手，成功解決了該研究的技術瓶頸之一，即建筑無人機的高精度 3D 打印。

最終在實驗室環(huán)境下實現(xiàn) 5mm 以下的打印精度，圓柱形打印頭的直徑為 8 毫米。"這是目前基于移動機器人與飛行機器人設備，在實驗室環(huán)境中打印精度最高水平。"張克濤說。

穩(wěn)定和精度問題已解決，接下來團隊開始著手無人機的打印路徑規(guī)劃與執(zhí)行。值得關注的是，由于市面上已有的無人機無法實現(xiàn)團隊的打印目標，因此無人機平臺由張克濤及團隊自主設計。他們通過不斷地實驗優(yōu)化設計，實現(xiàn)了材料一層層沉積后結(jié)構不倒塌。

圖丨多無人機并行增材制造方法與不同材料驗證實驗（來源：Nature）

" 我們要考慮材料在 3D 打印設備中推出前的粘性，也要保證其在推出后的可塑性，這樣才能使材料保持打印后不會在重力等作用下產(chǎn)生變形。"張克濤說。該團隊從材料科學角度研究了其調(diào)配料的制備和選擇后，最終設計了兩款 3D 打印無人機，分別可打印類水泥材料以及低密度聚氨酯泡沫塑料。
實時測量是該團隊面臨的另一難題。他們通過密集映射算法來進行 3D 網(wǎng)格重建，然后從 3D 重建的數(shù)字模型得到已經(jīng)沉積好結(jié)構的高度，進而實現(xiàn)了 3D 打印一層層疊加的工作。

有望最快應用于修復高層建筑，已開始技術成果轉(zhuǎn)化

傳統(tǒng)的建筑物設計很大程度上受已有建筑方法的限制，在結(jié)構設計上往往 " 千篇一律 "。而 3D 打印建筑的優(yōu)勢是以設計驅(qū)動建筑制造，可按個人的喜好或
需求設計建筑風格，實現(xiàn)個性化及更復雜的結(jié)構。

由于建筑無人機自帶電源機可打印材料，其 3D 打印時不受建筑高度和材料輸送管道的限制。該方法與傳統(tǒng)建筑方法相比，還可減少物料運輸過程中產(chǎn)生的碳排量。

此外，理論上無人機可 24 小時持續(xù)工作，因此可提升建筑生產(chǎn)效率，進而節(jié)省更多的時間成本及人力資源的成本。3D 打印設計和建設房屋，還能減少建筑材料在搬運過程中的浪費和損耗、減少對環(huán)境的影響，對樓層的結(jié)構性提供更大的自由度。

結(jié)構方面最近的研究顯示，從結(jié)構力學的結(jié)構承載力角度，傳統(tǒng)建筑使用的實體結(jié)構中有近 40% 的材料可被節(jié)省。"3D 打印建筑可以依據(jù)承載力的需求按需進行結(jié)構優(yōu)化設計，因此相較于傳統(tǒng)澆筑等建筑方法更加節(jié)省材料。"張克濤說。

（來源：該團隊）

據(jù)悉，該團隊在測量算法等方面已獲得相關專利。目前，英國已有幾家大型建筑公司與他們合作進行技術的成果轉(zhuǎn)化。

張克濤認為，該技術最快落地的應用場景可能在高層建筑或基礎設施的修復工作。當然，該方法并不是為了與建筑工人 " 搶飯碗 "，而是由無人機去完成重復性高、危險系數(shù)高的工作。讓人們騰出精力去處理更復雜、多樣的設計與規(guī)劃任務。

" 高空建筑墻面破損的維修不需要大量材料，因此只用一架無人機就可完成相關修復工作。我們現(xiàn)在與當?shù)叵嚓P企業(yè)在討論該技術能達到的工業(yè)化應用水平，并在進行初期測試。" 他說。

該技術還可能應用于火星或月球的建筑制造。值得關注的是，該方法不僅適用于無人機，它還適用于指導無人機與地面移動機器人的配合、多自主機器人協(xié)同打印。

對于災后重建工作，該技術也可給予相關支持，例如應急設施的搬運或臨時建筑重建。如果某地區(qū)發(fā)生地震，在道路被破壞、車輛行駛受阻情況下，物資的配送往往會受到很大的影響。而通過無人機遠程投送、多機器人 3D 打印建筑技術則可進行臨時建筑的搭建。

圖丨高 2.05 米的圓柱形打印結(jié)構 3D 重建模型，其中包含 72 次材料沉積行程（來源：Nature）

未來，該技術仍有一些難點需要攻克。例如無人機充電方式，如何通過無線或其他方式為無人機更好地儲能。張克濤表示，" 若想滿足持續(xù)為無人機供電，對電池材料和充電方法都提出了更高要求。我們設想過太陽能電池，但目前其性能還不能滿足無人機的供電需求。"
將該技術從實驗室搬到實驗室外的環(huán)境是另一個挑戰(zhàn)。在實驗室內(nèi)，該團隊使用運動追蹤系統(tǒng)對無人機的位姿進行控制。" 在室外場景，由于 GPS 等定位系統(tǒng)誤差較大，我們以后可能會用到基于視覺的實時定位與地圖構建方法，對無人機或機器人進行實時對環(huán)境的感知。"張克濤說。
另一方面，3D 打印材料也是該團隊將繼續(xù)研究的方向。目前，類水泥材料能達到傳統(tǒng)用的普通的水泥配料的性能。
張克濤指出，如何在 3D 打印中實現(xiàn)多種材料（例如鋼筋混凝土）共同打印，以及與行業(yè)共同推動 3D 打印建筑的相關標準或規(guī)范，也是團隊將持續(xù)關注的方向。

為建筑制造行業(yè)的數(shù)字化發(fā)展插上 " 翅膀 "

如何讓看似 " 天方夜譚 " 的想法成為現(xiàn)實？讓張克濤深有體會的是，做科研必須有大膽的想法，并且要有恒心，通過不斷努力地打磨技術，來想辦法實現(xiàn)。
他大學本科畢業(yè)于北京交通大學機械工程及自動化專業(yè)，之后在博士期間，參加了倫敦國王學院和北京交通大學機械工程 - 機械設計與理論聯(lián)合項目，該階段其研究重點是可重構并聯(lián)機器人的設計和運動學分析。

那時，張克濤已產(chǎn)生把并聯(lián)機器人加裝到無人機、做更靈巧操作的想法。一次偶然的機會，他旁聽了米爾科 · 科瓦奇教授的學術報告，并發(fā)現(xiàn)兩人的想法 " 不謀而合 "。

圖丨未來 3D 打印無人機建設房屋效果圖（來源：該團隊）

2016 年，張克濤在在帝國理工學院航空系的空中機器人實驗室，與科瓦奇共同開發(fā)了空中機器人建筑系統(tǒng)，使空中機器人自主地 3D 打印建筑結(jié)構。此外，他還曾在倫敦國王學院多指機器人手實驗室擔任研究員，在英國皇家工程院戴建生院士的指導下開發(fā)了三指變胞機器人手。
張克濤表示，近期想實現(xiàn)的研究目標是，讓人與機器人 " 各盡其能 "、更好地結(jié)合，協(xié)同提升建筑行業(yè)的數(shù)字化發(fā)展。

目前，數(shù)字化和智能制造在中國發(fā)展迅速，特別是在汽車制造業(yè)、醫(yī)療方面都實現(xiàn)了顯著的效果，也推動著建筑設計的數(shù)字化、可視化方面的相關進展。" 然而在建筑制造方面，數(shù)字化仍有很大的發(fā)展空間。"張克濤說。

因此，他未來想繼續(xù)探索的方向是可折疊、結(jié)構靈巧的機器人及其在數(shù)字化制造、人機協(xié)同、極端環(huán)境，以及深空應用，解決更復雜和多樣的科學難題。

參考資料：
1.Zhang, K., Chermprayong, P., Xiao, F.   et al.   Aerial additive manufacturing with multiple autonomous robots.   Nature   609, 709 – 717 ( 2022 ) . https://doi.org/10.1038/s41586-022-04988-4