發(fā)布日期：2024-09-10 來源: 網(wǎng)絡(luò) 閱讀量（）
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(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，3D 打印建筑逐漸成為可能，但用于建筑結(jié)構(gòu) 3D 打印的設(shè)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(gòu)（來源：Nature） 受黃蜂/家燕筑巢的啟發(fā)，來自英國帝國理工學(xué)院與倫敦瑪麗女王大學(xué)，以及合作團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家們首次提出并實(shí)現(xiàn)了基于多無人機(jī)的建筑結(jié)構(gòu) 3D 打印創(chuàng)新方法。 他們成功研制了能搭載在無人機(jī)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(dǎo)航和任務(wù)分配方法，實(shí)現(xiàn)了多個無人機(jī)之間的相互通訊，以及同步打印無人機(jī)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(jī)和具有高精度、高剛度的并聯(lián)機(jī)器人的各自優(yōu)勢，成功解決了無人機(jī)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(jī)空中高精度 3D 打印成為可能。 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(tuán)隊(duì)引進(jìn)了基于三維圖像掃描和重建技術(shù)對打印結(jié)構(gòu)的測量評估方法，有效控制了打印過程中已打印建筑機(jī)構(gòu)與設(shè)計模型之間的誤差積累，并實(shí)時調(diào)整后續(xù)打印過程中無人機(jī)的飛行軌跡。 該論文第一作者為倫敦瑪麗女王大學(xué)工程與材料學(xué)院助理教授張克濤，通訊作者是帝國理工學(xué)院航空系教授米爾科科瓦奇（Mirko Kovac）。 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(shù)突破，將為論文中提出的多機(jī)器人自主協(xié)作 3D 打印建筑結(jié)構(gòu)的方法在建筑工業(yè)的成功應(yīng)用提供有力保障。” 無人機(jī) 3D 打印建筑看上去很酷炫，但實(shí)際上，從想法到逐步優(yōu)化、全方位科學(xué)性驗(yàn)證用了將近 10 年時間。 2014 年，米爾科科瓦奇教授團(tuán)隊(duì)就提出了無人機(jī) 3D 打印建筑的想法。從理論上攻克核心技術(shù)并推進(jìn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計，例如高精度建筑材料沉積博魚中國官方入口，以及多無人機(jī)協(xié)同打印控制算法的攻關(guān)都花了相當(dāng)長的時間，基礎(chǔ)問題才得以解決。 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(jī)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(yán)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(jī)位置與姿態(tài)偏差引起的 3D 打印噴頭傾斜所導(dǎo)致，該團(tuán)隊(duì)利用控制算法來應(yīng)對該問題。 張克濤于 2016 年加入該團(tuán)隊(duì)后，提出給無人機(jī)加裝了一個靈巧的微型 Delta 并聯(lián)機(jī)械手，成功解決了該研究的技術(shù)瓶頸之一，即建筑無人機(jī)的高精度 3D 打印。 最終在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn) 5mm 以下的打印精度，圓柱形打印頭的直徑為 8 毫米?！斑@是目前基于移動機(jī)器人與飛行機(jī)器人設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中打印精度最高水平?！睆埧藵f。 穩(wěn)定和精度問題已解決，接下來團(tuán)隊(duì)開始著手無人機(jī)的打印路徑規(guī)劃與執(zhí)行。值得關(guān)注的是，由于市面上已有的無人機(jī)無法實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)的打印目標(biāo)，因此無人機(jī)平臺由張克濤及團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計。他們通過不斷地實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了材料一層層沉積后結(jié)構(gòu)不倒塌。 “我們要考慮材料在 3D 打印設(shè)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?！睆埧藵f。該團(tuán)隊(duì)從材料科學(xué)角度研究了其調(diào)配料的制備和選擇后，最終設(shè)計了兩款 3D 打印無人機(jī)，分別可打印類水泥材料以及低密度聚氨酯泡沫塑料。 實(shí)時測量是該團(tuán)隊(duì)面臨的另一難題。他們通過密集映射算法來進(jìn)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(gòu)的高度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了 3D 打印一層層疊加的工作。 傳統(tǒng)的建筑物設(shè)計很大程度上受已有建筑方法的限制，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上往往“千篇一律”。而 3D 打印建筑的優(yōu)勢是以設(shè)計驅(qū)動建筑制造，可按個人的喜好或需求設(shè)計建筑風(fēng)格，實(shí)現(xiàn)個性化及更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。 由于建筑無人機(jī)自帶電源機(jī)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(yùn)輸過程中產(chǎn)生的碳排量。 此外，理論上無人機(jī)可 24 小時持續(xù)工作，因此可提升建筑生產(chǎn)效率，進(jìn)而節(jié)省更多的時間成本及人力資源的成本。3D 打印設(shè)計和建設(shè)房屋，還能減少建筑材料在搬運(yùn)過程中的浪費(fèi)和損耗、減少對環(huán)境的影響，對樓層的結(jié)構(gòu)性提供更大的自由度。 結(jié)構(gòu)方面最近的研究顯示，從結(jié)構(gòu)力學(xué)的結(jié)構(gòu)承載力角度，傳統(tǒng)建筑使用的實(shí)體結(jié)構(gòu)中有近 40% 的材料可被節(jié)省?！?D 打印建筑可以依據(jù)承載力的需求按需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，因此相較于傳統(tǒng)澆筑等建筑方法更加節(jié)省材料?！睆埧藵f。 據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)在測量算法等方面已獲得相關(guān)專利。目前，英國已有幾家大型建筑公司與他們合作進(jìn)行技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化。 張克濤認(rèn)為，該技術(shù)最快落地的應(yīng)用場景可能在高層建筑或基礎(chǔ)設(shè)施的修復(fù)工作。當(dāng)然，該方法并不是為了與建筑工人“搶飯碗”，而是由無人機(jī)去完成重復(fù)性高、危險系數(shù)高的工作。讓人們騰出精力去處理更復(fù)雜、多樣的設(shè)計與規(guī)劃任務(wù)。 “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(jī)就可完成相關(guān)修復(fù)工作。我們現(xiàn)在與當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)企業(yè)在討論該技術(shù)能達(dá)到的工業(yè)化應(yīng)用水平，并在進(jìn)行初期測試?！彼f。 該技術(shù)還可能應(yīng)用于火星或月球的建筑制造。值得關(guān)注的是，該方法不僅適用于無人機(jī)，它還適用于指導(dǎo)無人機(jī)與地面移動機(jī)器人的配合、多自主機(jī)器人協(xié)同打印。 對于災(zāi)后重建工作，該技術(shù)也可給予相關(guān)支持，例如應(yīng)急設(shè)施的搬運(yùn)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(jī)遠(yuǎn)程投送、多機(jī)器人 3D 打印建筑技術(shù)則可進(jìn)行臨時建筑的搭建。 未來，該技術(shù)仍有一些難點(diǎn)需要攻克。例如無人機(jī)充電方式，如何通過無線或其他方式為無人機(jī)更好地儲能。張克濤表示，“若想滿足持續(xù)為無人機(jī)供電，對電池材料和充電方法都提出了更高要求。我們設(shè)想過太陽能電池，但目前其性能還不能滿足無人機(jī)的供電需求。” 將該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室搬到實(shí)驗(yàn)室外的環(huán)境是另一個挑戰(zhàn)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，該團(tuán)隊(duì)使用運(yùn)動追蹤系統(tǒng)對無人機(jī)的位姿進(jìn)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(shí)時定位與地圖構(gòu)建方法，對無人機(jī)或機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時對環(huán)境的感知?！睆埧藵f。 另一方面，3D 打印材料也是該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)研究的方向。目前，類水泥材料能達(dá)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(shí)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，也是團(tuán)隊(duì)將持續(xù)關(guān)注的方向。 如何讓看似“天方夜譚”的想法成為現(xiàn)實(shí)？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(shù)，來想辦法實(shí)現(xiàn)。 他大學(xué)本科畢業(yè)于北京交通大學(xué)機(jī)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(xué)院和北京交通大學(xué)機(jī)械工程-機(jī)械設(shè)計與理論聯(lián)合項(xiàng)目，該階段其研究重點(diǎn)是可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計和運(yùn)動學(xué)分析。 那時，張克濤已產(chǎn)生把并聯(lián)機(jī)器人加裝到無人機(jī)、做更靈巧操作的想法。一次偶然的機(jī)會，他旁聽了米爾科科瓦奇教授的學(xué)術(shù)報告，并發(fā)現(xiàn)兩人的想法“不謀而合”。 2016 年，張克濤在在帝國理工學(xué)院航空系的空中機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，與科瓦奇共同開發(fā)了空中機(jī)器人建筑系統(tǒng)，使空中機(jī)器人自主地 3D 打印建筑結(jié)構(gòu)。此外，他還曾在倫敦國王學(xué)院多指機(jī)器人手實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任研究員，在英國皇家工程院戴建生院士的指導(dǎo)下開發(fā)了三指變胞機(jī)器人手。 張克濤表示，近期想實(shí)現(xiàn)的研究目標(biāo)是，讓人與機(jī)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(shí)現(xiàn)了顯著的效果，也推動著建筑設(shè)計的數(shù)字化、可視化方面的相關(guān)進(jìn)展?！叭欢诮ㄖ圃旆矫?，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(gòu)靈巧的機(jī)器人及其在數(shù)字化制造、人機(jī)協(xié)同、極端環(huán)境，以及深空應(yīng)用，解決更復(fù)雜和多樣的科學(xué)難題。
