我承认：如果我看到蜂箱，我会后退——新鲜的蜂蜜该死。 但我的一部分也很着迷。 蜂箱是一项了不起的工程壮举。 由从树芽到咀嚼蜡的材料制成，成群的蜜蜂在空中飞行时将这些原材料放入密集的蜂巢中——每个蜂巢都是几何杰作。
与此形成鲜明对比的是，人类的建筑更受土地约束。 推土机、压实机和混凝土搅拌机非常有效，它们一直是我们建立基础设施的支柱。 但它们也笨重、笨重，并且需要道路或其他交通工具。 这限制了他们快速应对岛屿和其他需要快速帮助的偏远地区的自然灾害的能力，尤其是在紧急情况之后。
不幸的是，我们有越来越频繁的气候例子。 严重的道路侵蚀 由于野火肆虐。 被洪水和飓风浸湿后倒塌的公路和桥梁。 本月，尽管波多黎各的部分地区仍在从飓风玛丽亚中恢复，但许多房屋再次被飓风菲奥娜淹没。
有没有办法在难以进入的地区快速建造避难所——甚至房屋——并更好地应对这些紧急情况？
本周，伦敦帝国理工学院的一个团队从蜜蜂和 设计了一批自主无人机 3D打印任何设计的结构。 类似于蜂巢，每架无人机独立行动，但它们作为一个团队工作。 整个舰队被称为空中增材制造（Aerial-AM）。
就像蜜蜂一样，无人机每个都有不同的角色。 有些是被称为 BuilDrones 的建造者，它们在飞行时存放材料。 其他的是 ScanDrones，它们充当持续扫描当前构建并提供反馈的管理器。
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在几次测试中，车队打印了多个结构 - 使用从泡沫到类似水泥的粘性材料 - 以最少的人工监督达到毫米精度。 离精打细算还差得很远 3D 打印的房子，更像是孩子第一次尝试陶艺。 一些结构类似于简陋的塔； 其他，编织柳条筐。
也就是说，我们可能是一种通过 3D 打印桥梁来将人们从即将来临的热带风暴中疏散的方法。 但该研究表明朝着这种可能性迈出了一步。 “Aerial-AM 允许在飞行中进行制造，并为未来在无界、高空或难以进入的位置进行建造提供了可能性，”作者说。
机器人建造
使用机器人帮助施工并不是什么新鲜事。 但由于算法越来越复杂，它们已成为基础设施业务中的便捷工具。 一个想法是帮助完成诸如完成石膏板之类的任务，从而大大减少所需的时间。 另一个是与困扰我们所有人的住房短缺作斗争。 在过去的几年里，3D打印的房子从幻想到现实一飞冲天——从 华丽的小房子 至 多房 经济适用房.
但一直缺乏的是该技术能否进入农村地区。 想象一下坑坑洼洼的土路，阳光明媚的日子里崎岖不平，而暴雨过后则是深及脚踝的泥泞噩梦。 车轮陷在数英寸深的泥土中，除了铲子之外没有办法把自己挖出来。 现在考虑将大型 3D 打印机或其他建筑机器人运送到那个紧急地点。
不理想吧？ 与其与地球和重力作斗争，不如飞翔？
渡过难关
受到蜜蜂的启发，由伦敦帝国理工学院的 Mirko Kovac 博士领导的团队飞上了天空。 他们的想法将 3D 打印与自组织无人机结合在一起，从而无缝构建了预编程蓝图的“蜂巢”。
主要想法依赖于我们随意塑造某些材料的能力——比如挤压橡皮泥或堆叠乐高积木。 这个过程让我们可以灵活地将材料塑造成不同的几何设计，并被称为“免于连续增材制造”（我知道这是一个满嘴的，所以只是“AM”）。
首先是对野外自由飞行的建设者的欣赏。 以黄蜂为例。 虽然它们不是最友好的生物（从多次痛苦的叮咬中说），但它们相当了不起，因为它们在分配建筑材料的路径上非常高效。 这就像一个飞行的木匠与一群人无缝地建造一个橱柜——这是科学家们仍在试图理解的令人难以置信的壮举。
在这里，该团队询问是否有可能用一群较小的机器人实现同样的工程能力。 这是一个棘手的问题——该团队表示，以前的大多数方法都仅处于“早期探索阶段”，“操作高度有限”。
他们的解决方案是一个软件 Aerial-AM 框架，该框架利用了以前的工程理念和自然先例，因此每架无人机都可以像群一样并行工作。 无人机还必须在飞行中充当忠实的 3D 打印机，向邻居广播他们的位置和活动（因此不会在结构上额外“结冰”）。 然后每个人都配备了在有限的人为干扰下导航空域的设备 - 而不会相互碰撞。 最后，根据给定的结构，他们根据说明小心地挤出一种轻质的泡沫状材料或可打印的水泥混合物。
该操作背后的大脑是 Aerial-AM，它将物理学与 AI 相结合，对两种不同类型的空中机器人平台进行编程。 一种是 BuilDrone，它可以根据其编程自主存放任何材料。 另一个是 ScanDrone，这是一种使用计算机视觉扫描正在进行的施工的质量控制机器人。 就像建筑工地的经理一样，这会通过每个沉积层向建筑无人机提供反馈。
该过程并非完全由机器人运行。 人工主管可以同时进入制造策略阶段（即打印材料的最佳方式）和制造阶段。 在打印之前，该团队使用三架或更多无人机进行了模拟以生成“虚拟打印”。
作为概念验证，该团队用多种形状和材料挑战了他们的 3D 打印平台 Aerial-AM。 一个是一个超过 6.5 英尺高的圆柱体，上面印有超过 72 层由聚氨酯泡沫制成的材料。 另一种类型的 BuilDrone 针对类似水泥的混合物进行了优化，它构建了一个近四英尺高的薄圆柱体。
在最后的测试中，六架无人机帮助构建了一个抛物面——想象一下顶针。 根据这些数据，该研究随后进行了几次模拟，询问结构的规模和机器人的数量如何改变最终的建造。
总的来说，建筑群具有很强的适应性，不仅是对规模和结构，而且对机器人种群规模也是如此。 即使潜在机器人的数量增加，它们也会优化自己的路径以避免碰撞，就像高峰时段熙熙攘攘的餐厅里的厨师一样。
无人机小队还没有准备好迎接黄金时段。 目前，它们只被证明可以建造小型结构。 但球队充满希望。 Aerial-AM 框架可以在多机器人舞蹈中打印不同类型的结构而不会出现拥塞。 该团队表示，它展示了“适应和个体机器人冗余”。
虽然只是第一步，但这项工作巩固了无人机作为空中建筑工人的可行性——那些有朝一日可以通过飞入危险地区来挽救生命的人。 “与传统的手动方法相比，我们相信我们的无人机机队可以帮助降低未来的建设成本和风险，”Kovac 说。
图片来源：伦敦大学学院计算机科学系/博士。 Vijay M. Pawar 和 Robert Stuart-Smith，自主制造实验室
