UDIL集群智能建造系列--開闢集群空中增材建造的未來
項目信息：
Aerial additive manufacturing with multiple autonomous robots
項目團隊信息：
英國倫敦帝國理工學院航空學系，倫敦瑪麗皇后大學工程與材料科學學院，倫敦帝國理工學院計算機系，英國巴斯大學建築與土木工程系，賓夕法尼亞大學斯圖爾特·韋茨曼設計學院，瑞士聯邦材料科學與技術實驗室。
項目組成員：
Ketao Zhang, Pisak Chermprayong , Feng Xiao , Dimos Tzoumanikas, Barrie Dams,
Sebastian Kay , Basaran Bahadir Kocer , Alec Burns , Lachlan Orr, Christopher Choi,
Durgesh Dattatray Darekar , Wenbin Li, Steven Hirschmann , Valentina Soana,
Shamsiah Awang Ngah, Sina Sareh, Ashutosh Choubey, Laura Margheri, Vijay M. Pawar,
Richard J. Ball, Chris Williams, Paul Shepherd, Stefan Leutenegger, Robert Stuart-Smith& Mirko Kovac
你是否有想像過這樣的情景：在凸凹不平、人跡罕至的戈壁荒漠，有一群像蜂群一樣的旋翼無人機在有序地工作著，用混凝土列印技術將成規模的建築群體帶來到這片無人問津的荒地。
也許在不遠的未來，這樣的圖景即將成為現實。2022年9月，由瑞士聯邦材料科學與技術實驗室、英國倫敦帝國學院、賓夕法尼亞大學斯圖爾特·韋茨曼設計學院等多家機構合作發表的文章多自主機器人的空中增材製造登上了Nature的封面，對建築學、土木工程、飛行器設計與增材製造等專業領域帶來了巨大的轟動。這項研究結合多個學科領域研究學者，跨學科推進研究，證明了自主空中增材建造（Aerial-AM）的可行性，並為機器人空中集群增材建造系統提供了理論基礎和實驗證明。
在開發他們的空中 3D 列印概念時，研究團隊成員從黃蜂和蜜蜂等自然建造者那裡尋找靈感。蜜蜂通常會在蜂巢中的其他人的幫助下建造比自己大得多的結構。
為了檢驗他們的理論，該團隊為這項任務開發了兩種類型的無人機：BuilDrone，它可以在飛行中自主擠壓和放下各種建築材料。就像蜜蜂或黃蜂在建造房屋時掃描環境一樣，第二個稱為 ScanDrone 的機器人會在建造時掃過結構，提供有關如何進行的輸入。「3D 印表機——飛行印表機機器人——的軌跡根據掃描進行調整，」研究成員Kovac 補充道。
兩種類型的無人機都能夠同時或順序地在三個維度上工作，並且使用特殊的建築臂，它們能夠以幾毫米的製造精度放下建築材料。
在他們的實驗中，研究人員使用了兩種不同的材料——泡沫材料和水泥材料。這些材料需要重量輕，便於無人機運輸，並且必須易於擠壓（或列印），但也足夠堅固，可以相互疊放形成層。作為概念驗證，無人機首先用於製作一個 2.05 米高、直徑 0.3 米、由 72 層泡沫材料製成的圓柱體。接下來，無人機建造了另一個更小的圓柱體，高 0.18 米，由 28 層類似水泥的材料組成。為了了解他們的製造方法是否可以擴大規模，研究人員進行了一項模擬實驗，使用 15 架無人機虛擬列印更大的結構。
研究團隊利用一隊空中機器人相互配合完成空中增材建造實驗：分別從機器人控制框架和材料研究兩方面入手，制定了一個可擴展的建造無人機（BuilDrones）集群3D列印路徑規劃框架，使用一個並聯機械臂進行誤差實時補償，並利用掃描無人機（ScanDrones）實時評估列印的幾何形狀和機器人的行為適應。
為了使用不同的材料製造不同尺度的幾何圖形，與航空無人機工藝相關的參數，如列印路徑、列印頭速度、噴嘴直徑和建造無人機的精度，必須與材料的性能一起指定，同時也考慮從建造龍螺旋槳的下沖洗。層寬與列印精度的比值是列印幾何設計和路徑生成中考慮的主要因素。設計了三種可擴展的路徑來構建圓柱形幾何：多個相鄰的同心圓有效地形成實心牆；圓皮亞諾曲線，交替層圍繞圓交錯，半單位偏移；以及三個非相鄰同心圓與圓皮亞諾曲線交替的混合設計。
多機器人光道虛擬列印的圓頂狀表面：
1、施工中光跡延時攝影記錄，B.軌跡頂視圖，C.施工完畢光跡延時攝影記錄，D.軌跡透視圖，2、機器人啟動位置（紅色燈為未列印狀態，藍色燈為列印狀態），F.15個無人機集群列印結果仿真模擬。
Kovac 表示，目前用於列印的建築材料和無人機群的電池驅動的無人機都是手動填充與充電的，但在未來，隨著硬體層面的開發與軟體算法層面的完善，這些步驟可以自動化。
目前3D列印（增材製造）建築技術已經逐漸投入市場應用並處於快速發展成熟期，國外如蘇黎世聯邦理工學院ITA團隊與ZAHA建築事務所合作利用混凝土列印跨度16m的橋體。
作為大型 3D 列印領域的先驅，ICON 宣布將投入建設與 BIG 聯合打造並由 Lennar 開發的百戶 3D 列印社區。
國內清華大學建築學院徐衛國教授團隊自主研發了「混凝土機器人3D列印移動平台」和「混凝土房屋快速建造系統」。目前徐教授團隊的兩項技術成果成功應用於非洲保障房樣板房的實際列印建造。
從這些既有案例我們可以看出，目前3D列印建築對平整建造地面情況下的低層建築建造有著較高的優勢，相信隨著空中無人機集群列印技術的出現與發展，3D列印建築技術將會在日後更加避免地形、氣候、交通、人工等外界因素的干預，呈現出更高的建築建造自由度與高效化，為打破既有建造路線，開闢新型建築設計的可能性提供機會。
本次分享引用資料：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4?utm_medium=social&utm_content=organic&utm_source=twitter&utm_campaign=SMT_&sf260358484=1
https://www.advancedsciencenews.com/a-swarm-of-flying-3d-printers-inspired-by-bees/
https://www.archdaily.com/949068/3d-printing-concrete-house-for-the-low-income-families-in-africa-professor-xu-weiguos-team-from-thad
https://www.archdaily.cn/cn/993199/big-icon-he-lennar-lian-he-da-zao-de-zhou-bai-hu-3d-da-yin-zhu-zhai-she-qu
https://www.gooood.cn/introducing-striatus-the-first-of-its-kind-3d-concrete-printed-arched-bridge-by-zaha-hadid-architects.htm
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