Jag erkänner: om jag ser en bikupa, backar jag — färsk honung var förbannad. Men en del av mig är också fascinerad. Bikupor är en anmärkningsvärd ingenjörskonst. Tillverkade av material från trädknoppar till upptuggat vax, lägger binsvärmar dessa råvaror i tätt packade bikakor – var och en ett geometriskt mästerverk – medan de flyger i luften.
I skarp kontrast är mänsklig konstruktion mycket mer landbunden. Bulldozrar, komprimatorer och betongblandare är mycket effektiva, och de har varit ryggraden för att etablera vår infrastruktur. Men de är också skrymmande, otympliga och kräver vägar eller andra transportmedel. Detta förstärker deras förmåga att snabbt reagera på naturkatastrofer på öar och andra avlägsna platser som behöver snabb hjälp, särskilt efter nödsituationer.
Tyvärr har vi haft allt oftare klimatexempel. Drastiska vägerosion på grund av rasande skogsbränder. Motorvägar och broar som faller sönder efter att ha blivit blötlagda i vatten från översvämningar och orkaner. Den här månaden, även om delar av Puerto Rico fortfarande återhämtar sig från orkanen Maria, översvämmades många hem återigen av orkanen Fiona.
Finns det något sätt att snabbt bygga skydd – eller till och med hus – i svåråtkomliga områden och bättre hantera dessa nödsituationer?
Den här veckan tog ett team från Imperial College London inspiration från bin och konstruerade en kohort av autonoma drönare att 3D-skriver ut vilken design som helst. I likhet med en bikupa agerar varje drönare självständigt, men de arbetar som ett team. Hela flottan kallas för Aerial Additive Manufacturing (Aerial-AM).
Drönarna fungerar som bin och har olika roller. Några är byggarna – kallade BuilDrones – som deponerar material när de flyger. Andra är ScanDrones, som fungerar som chefer som kontinuerligt skannar den aktuella builden och ger feedback.
[Inbäddat innehåll]
I flera tester tryckte flottan flera strukturer - med material från skum till en cementliknande smuts - till millimeters noggrannhet med minimal mänsklig övervakning. Det är fortfarande långt ifrån en finslipad 3D tryckeri, och mer som ett barns första försök med keramik. Vissa strukturer liknar ett rudimentärt torn; andra, en vävd flätad korg.
Som sagt, vi kan vara ett sätt från 3D-utskriftsbroar i farten för att evakuera människor från en förestående tropisk storm. Men studien visar ett steg mot den möjligheten. "Aerial-AM tillåter tillverkning under flygning och erbjuder framtida möjligheter att bygga på obegränsade, på höjden eller svåråtkomliga platser", sa författarna.
Robotkonstruktion
Att använda robotar för att hjälpa till med konstruktionen är inget nytt. Men tack vare allt mer sofistikerade algoritmer har de blivit praktiska verktyg inom infrastrukturbranschen. En idé är att hjälpa till med uppgifter som att avsluta gipsskivor, vilket dramatiskt minskar tiden som krävs. En annan är att bekämpa bostadsbristen som plågar oss alla. Under de senaste åren har 3D-tryckta hus skjutit i höjden från fantasi till verklighet – från vackra små hem till flera rum prisvärda bostäder.
Men det som har saknats är teknikens tillgång till landsbygden. Föreställ dig grusvägar fyllda med gropar, gropiga en solig dag och en ankeldjup lerig mardröm efter en ström av regn. Bildhjul som fastnat i tum av lera, utan något annat sätt att gräva ut dig själv än en spade. Tänk nu på att transportera massiva 3D-skrivare eller andra byggrobotar till den nödplatsen.
Inte idealiskt, va? Istället för att kämpa mot jorden och gravitationen, varför inte flyga?
Väder ut stormen
Inspirerat av bin tog teamet, ledd av Dr Mirko Kovac vid Imperial College London, till himlen. Deras idé väver samman 3D-utskrift med självorganiserande drönare, som sömlöst bygger en "bikupa" av en förprogrammerad ritning.
Huvudidén bygger på vår förmåga att forma vissa material efter behag – som att pressa Play Dough eller stapla lego. Denna process låter oss på ett flexibelt sätt forma material till olika geometriska mönster, och kallas "fri från kontinuerlig additiv tillverkning" (en munfull, jag vet, så bara "AM").
Det börjar med en uppskattning av friflygande byggare i det vilda. Ta getingar. Även om de inte är de vänligaste av varelser (talar från flera smärtsamma stick), är de ganska anmärkningsvärda genom att de är mycket effektiva när det gäller att navigera sina vägar för att dispensera byggmaterial. Det är som en flygande snickare som bygger ett skåp sömlöst med en kohort – en otrolig bedrift som forskare fortfarande försöker förstå.
Här frågade teamet om det är möjligt att uppnå samma tekniska skicklighet med en svärm av mindre robotar. Det är ett tufft problem - de flesta tidigare tillvägagångssätt är bara i ett "tidigt utforskande skede", sa teamet, med "begränsad operativ höjd."
Deras lösning var en mjukvara, Aerial-AM-ramverk som utnyttjar tidigare tekniska idéer och naturliga prejudikat så att varje drönare kunde arbeta parallellt som en svärm. Drönare var också tvungna att fungera som trogna 3D-skrivare under flygning och sända sin plats och aktivitet till sina grannar (så att det inte skulle finnas någon extra "isning" på en struktur). Var och en var sedan utrustad för att navigera i luftrummet – utan att stöta på varandra – med begränsad mänsklig inblandning. Slutligen, beroende på den givna strukturen, pressade de noggrant ut ett lätt, skumliknande material eller en tryckbar cementblandning, baserat på instruktioner.
Hjärnan bakom operationen är Aerial-AM, som kombinerar fysik med AI för att programmera två olika typer av flygrobotplattformar. En är BuilDrone, som självständigt deponerar allt material baserat på dess programmering. Den andra är ScanDrone, kvalitetskontrollboten som skannar pågående konstruktion med datorseende. Som en chef på en byggarbetsplats ger detta feedback till byggdrönaren med varje avsatt lager.
Processen drivs inte helt av robotar. Mänskliga handledare kan utnyttja både tillverkningsstrategifasen – det vill säga det bästa sättet att skriva ut ett material – och tillverkningsfasen. Före utskrift körde teamet en simulering för att generera en "virtuell utskrift" med tre eller fler drönare.
Som ett bevis på konceptet utmanade teamet sin 3D-utskriftsplattform, Aerial-AM, med flera former och material. Den ena var en cylinder över 6.5 fot hög, tryckt med över 72 lager av material tillverkat av polyuretanskum. En annan typ av BuilDrone optimerades för en cementliknande blandning, som byggde en tunn cylinder nästan fyra fot hög.
För ett sista test hjälpte sex drönare att konstruera en parabolisk yta - föreställa en fingerborg. Baserat på dessa data körde studien sedan flera simuleringar och frågade hur skalan på strukturen och antalet robotar förändrade den slutliga konstruktionen.
Sammantaget kom konstruktionssvärmen att vara mycket anpassningsbar, inte bara till skala och struktur utan också till robotpopulationens storlek. Även när antalet potentiella robotar ökade, optimerade de sina vägar för att undvika kollision, som kockar på en livlig restaurang under rusningstid.
Drönargruppen är ännu inte redo för bästa sändningstid. För närvarande har de bara visat sig bygga småskaliga strukturer. Men laget är hoppfullt. Aerial-AM-ramverket kan skriva ut olika typer av strukturer i en multirobotdans utan trängsel. Det visar "anpassning och individuell robotredundans", sa teamet.
Även om det bara är de första stegen, är det arbete som cementerar genomförbarheten av drönare som flygbyggnadsarbetare – de som en dag skulle kunna rädda liv genom att flyga in i farliga territorier. "Vi tror att vår flotta av drönare kan hjälpa till att minska kostnaderna och riskerna med konstruktion i framtiden, jämfört med traditionella manuella metoder," sa Kovac.
Bildkredit: University College London, Institutionen för datavetenskap/Dr. Vijay M. Pawar & Robert Stuart-Smith, Autonomous Manufacturing Lab
