无人机盖房子登Nature封面！半小时盖2米，未来可上火星

Posted 2022-09-26 QbitAl

梦晨 Pine 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI

好家伙，无人机现在都能组团盖房子了！

在路径规划算法的加持下，它们的协作方式是这样的：

上图中蓝色轨迹表示在建造，红色轨迹表示离开建造区域去补充材料。

真正搭载了3D打印装置之后，就可以像这样一层一层地盖上去了：

在快速定型绝缘泡沫材料的实验中，无人机打印2.05米高、共72层的圆筒型建筑原型只需29分钟，验证了此方法建造大型建筑的能力。

而在类水泥材料的薄壁建筑实验，则证明此方法的打印误差不超过5毫米。

相关研究来自伦敦帝国理工学院空中机器人实验室，论文登上最新一期Nature封面。

用无人机群在火星盖房子这事听起来属于科幻，但实际上灵感是从自然界而来。

受蜜蜂启发，不受空间限制

像蜜蜂与黄蜂筑巢，正是这样团队协作、一层一层叠加的成果。

团队认为，无人机从空中打造建筑有几大优势。

与传统建筑相比，无人机可用在空间不足或地形崎岖，大型机械难以展开工作的环境。

从3D打印建筑角度，一般来说要打印多大的建筑就需要比这更大的打印装置，或分部件打印再组装。

而无人机模式则摆脱这一限制，在建筑高度、面积、形态上更为灵活。

往远了说，这项技术可用于未来火星建设。

往近了说还可用于修复现有建筑的外墙等工作，而且不必再建造复杂的脚手架。

无人机也分工种

用无人机模仿动物筑巢可不是一件容易的事，毕竟相较于小动物们，无人机的灵活性还是差了一些的。

因此面对的首要问题就是：如何让无人机盖出一个质量过关的房子？

研究团队给出了答案：分工合作。

具体来说，就是把无人机划分一下，分成扫描无人机 （ScanDrones）和建筑无人机 （BuilDrones），执行不同的功能。

建筑无人机就相当于现实建造过程中的建筑工人，负责最一线的建造工作。

它们承担了存储建筑材料和“盖房子”的功能。

△建筑无人机 图源：伦敦帝国理工学院

有了“一线建筑工人”，面对整个大建筑工程，它们该从何处下手呢？

这时候就需要一个“包工头”，来协调它们的工作并监督它们完成，杜绝豆腐渣工程。

扫描无人机理所应当地充当了这个职位。

在建筑无人机每盖好一层后，扫描无人机都会扫描整体建筑的状况并给出建筑无人机下一步建造的任务，确保整个建筑按照预期的目标进行。

△扫描无人机 图源：伦敦帝国理工学院

建筑无人机、扫描无人机两个一起打配合，听起来也不是很复杂（有种我行我也上的错觉）。

不过若要真正实施起来，才会发现其中还会有一些棘手的小细节。

一个是无人机的稳定性，“盖房子”这种事情要求很高的准确性，马虎不得。

而在户外，无人机的行动往往会受到气流等各种因素产生一定的位置漂移，这对于建筑来说是个很致命的问题。

为了解决这个问题，研究团队在无人机下方的增加了一个稳定装置，来补偿建筑无人机产生的漂移，保证整个建造环节的准确性。

在这个过程中，还有一个不得不面对的工程之外的难题：建筑材料重量。

碍于续航以及承重问题，轻，轻，轻变成了无人机“盖房子”的首要需求。

目前已经实现的地面3D打印建筑使用的一般是水泥或者混凝土。

但总不至于让无人机搬着这么重的建材飞到天上“盖房子”吧。

因此研究团队与瑞士联邦材料实验室合作开发出了一种类似水泥的材料，在打印时是柔软的，过段时间后就会变硬，最重要的一点是：它很轻。

怎么盖房子，拿什么盖房子这些都解决了，接下来就是实施问题了。

当然，在盖房子的过程中肯定不止一个建筑无人机，而是一整支「无人机舰队」。

那“人”多了就会不可避免地产生摩擦，该怎么解决？

为了确保这些建筑无人机能够在建造过程中独立地完成自己的任务，研究人员开发了一种多智能协同方法。

通俗来讲，每个建筑无人机都具备空间感知和反应的能力，而这些无人机可以在无监督的状况下进行自主任务分配。

并且，研究人员还将无人机设计为半自主的，以防出现特殊变化时人能够更方便地进行干预，确保整个建筑工程的顺利进行。

这样一来，整个无人机建筑团队便能有条不紊的工作（盖房子）了。

研究团队

这项研究由伦敦帝国理工学院空中机器人实验室与瑞士联邦材料实验室合作完成。

通讯作者为MirkoKovac教授，于洛桑联邦理工学院智能系统实验室(EPFL)获得博士学位，研究方向为机器人设计、流体结构交互和多模态机器人移动。

一作是Ketao Zhang，毕业于伦敦国王学院与北京交通大学，现在伦敦玛丽女王大学工作。

对于这项研究，团队表示目前只验证了无人机群在实验室环境下的建筑能力。

未来还将增加户外测绘系统和GPS，以及开发无人机自动充电功能，进一步减少人类干预的必要。

论文地址：

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

参考链接：

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

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