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2023-01-31
無人機蓋房子登Nature封面！半小時蓋2米，未來可上火星
更新時間：2022-09-22 18:06:11作者：智慧百科
夢晨 Pine 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI
好家伙，無人機現(xiàn)在都能組團蓋房子了！
在路徑規(guī)劃算法的加持下，它們的協(xié)作方式是這樣的：
上圖中藍色軌跡表示在建造，紅色軌跡表示離開建造區(qū)域去補充材料。
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驗中，無人機打印2.05米高、共72層的圓筒型建筑原型只需29分鐘，驗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驗，則證明此方法的打印誤差不超過5毫米。
相關研究來自倫敦帝國理工學院空中機器人實驗室，論文登上最新一期Nature封面。
用無人機群在火星蓋房子這事聽起來屬于科幻，但實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，正是這樣團隊協(xié)作、一層一層疊加的成果。
團隊認為，無人機從空中打造建筑有幾大優(yōu)勢。
與傳統(tǒng)建筑相比，無人機可用在空間不足或地形崎嶇，大型機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。
往遠了說，這項技術可用于未來火星建設。
往近了說還可用于修復現(xiàn)有建筑的外墻等工作，而且不必再建造復雜的腳手架。
無人機也分工種
用無人機模仿動物筑巢可不是一件容易的事，畢竟相較于小動物們，無人機的靈活性還是差了一些的。
因此面對的首要問題就是：如何讓無人機蓋出一個質(zhì)量過關的房子？
研究團隊給出了答案：分工合作。
具體來說，就是把無人機劃分一下，分成掃描無人機（ScanDrones）和建筑無人機（BuilDrones），執(zhí)行不同的功能。
建筑無人機就相當于現(xiàn)實建造過程中的建筑工人，負責最一線的建造工作。
它們承擔了存儲建筑材料和“蓋房子”的功能。
△建筑無人機 圖源：倫敦帝國理工學院
有了“一線建筑工人”，面對整個大建筑工程，它們該從何處下手呢？
這時候就需要一個“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。
掃描無人機理所應當?shù)爻洚斄诉@個職位。
在建筑無人機每蓋好一層后，掃描無人機都會掃描整體建筑的狀況并給出建筑無人機下一步建造的任務，確保整個建筑按照預期的目標進行。
△掃描無人機 圖源：倫敦帝國理工學院
建筑無人機、掃描無人機兩個一起打配合，聽起來也不是很復雜（有種我行我也上的錯覺）。
不過若要真正實施起來，才會發(fā)現(xiàn)其中還會有一些棘手的小細節(jié)。
一個是無人機的穩(wěn)定性，“蓋房子”這種事情要求很高的準確性，馬虎不得。
而在戶外，無人機的行動往往會受到氣流等各種因素產(chǎn)生一定的位置漂移，這對于建筑來說是個很致命的問題。
為了解決這個問題，研究團隊在無人機下方的增加了一個穩(wěn)定裝置，來補償建筑無人機產(chǎn)生的漂移，保證整個建造環(huán)節(jié)的準確性。
在這個過程中，還有一個不得不面對的工程之外的難題：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“蓋房子”的首要需求。
目前已經(jīng)實現(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搬著這么重的建材飛到天上“蓋房子”吧。
因此研究團隊與瑞士聯(lián)邦材料實驗室合作開發(fā)出了一種類似水泥的材料，在打印時是柔軟的，過段時間后就會變硬，最重要的一點是：它很輕。
怎么蓋房子，拿什么蓋房子這些都解決了，接下來就是實施問題了。
當然，在蓋房子的過程中肯定不止一個建筑無人機，而是一整支「無人機艦隊」。
那“人”多了就會不可避免地產(chǎn)生摩擦，該怎么解決？
為了確保這些建筑無人機能夠在建造過程中獨立地完成自己的任務，研究人員開發(fā)了一種多智能協(xié)同方法。
通俗來講，每個建筑無人機都具備空間感知和反應的能力，而這些無人機可以在無監(jiān)督的狀況下進行自主任務分配。
并且，研究人員還將無人機設計為半自主的，以防出現(xiàn)特殊變化時人能夠更方便地進行干預，確保整個建筑工程的順利進行。
這樣一來，整個無人機建筑團隊便能有條不紊的工作（蓋房子）了。
研究團隊
這項研究由倫敦帝國理工學院空中機器人實驗室與瑞士聯(lián)邦材料實驗室合作完成。
通訊作者為MirkoKovac教授，于英國洛桑聯(lián)邦理工學院智能系統(tǒng)實驗室(EPFL)獲得博士學位，研究方向為機器人設計、流體結(jié)構(gòu)交互和多模態(tài)機器人移動。
一作是Ketao Zhang，畢業(yè)于倫敦國王學院與北京交通大學，現(xiàn)在倫敦瑪麗女王大學工作。
對于這項研究，團隊表示目前只驗證了無人機群在實驗室環(huán)境下的建筑能力。
未來還將增加戶外測繪系統(tǒng)和GPS，以及開發(fā)無人機自動充電功能，進一步減少人類干預的必要。
論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4
[1]https://www.youtube.com/watch?v=pDKNEO0gDuE
[2]https://www.imperial.ac.uk/news/239973/3d-printing-drones-work-like-bees