UDIL集群智能建造系列--开辟集群空中增材建造的未来
项目信息：
Aerial additive manufacturing with multiple autonomous robots
项目团队信息：
英国伦敦帝国理工学院航空学系，伦敦玛丽皇后大学工程与材料科学学院，伦敦帝国理工学院计算机系，英国巴斯大学建筑与土木工程系，宾夕法尼亚大学斯图尔特·韦茨曼设计学院，瑞士联邦材料科学与技术实验室。
项目组成员：
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
你是否有想象过这样的情景：在凸凹不平、人迹罕至的戈壁荒漠，有一群像蜂群一样的旋翼无人机在有序地工作着，用混凝土打印技术将成规模的建筑群体带来到这片无人问津的荒地。
也许在不远的未来，这样的图景即将成为现实。2022年9月，由瑞士联邦材料科学与技术实验室、英国伦敦帝国学院、宾夕法尼亚大学斯图尔特·韦茨曼设计学院等多家机构合作发表的文章多自主机器人的空中增材制造登上了Nature的封面，对建筑学、土木工程、飞行器设计与增材制造等专业领域带来了巨大的轰动。这项研究结合多个学科领域研究学者，跨学科推进研究，证明了自主空中增材建造（Aerial-AM）的可行性，并为机器人空中集群增材建造系统提供了理论基础和实验证明。
在开发他们的空中 3D 打印概念时，研究团队成员从黄蜂和蜜蜂等自然建造者那里寻找灵感。蜜蜂通常会在蜂巢中的其他人的帮助下建造比自己大得多的结构。
为了检验他们的理论，该团队为这项任务开发了两种类型的无人机：BuilDrone，它可以在飞行中自主挤压和放下各种建筑材料。就像蜜蜂或黄蜂在建造房屋时扫描环境一样，第二个称为 ScanDrone 的机器人会在建造时扫过结构，提供有关如何进行的输入。“3D 打印机——飞行打印机机器人——的轨迹根据扫描进行调整，”研究成员Kovac 补充道。
两种类型的无人机都能够同时或顺序地在三个维度上工作，并且使用特殊的建筑臂，它们能够以几毫米的制造精度放下建筑材料。
在他们的实验中，研究人员使用了两种不同的材料——泡沫材料和水泥材料。这些材料需要重量轻，便于无人机运输，并且必须易于挤压（或打印），但也足够坚固，可以相互叠放形成层。作为概念验证，无人机首先用于制作一个 2.05 米高、直径 0.3 米、由 72 层泡沫材料制成的圆柱体。接下来，无人机建造了另一个更小的圆柱体，高 0.18 米，由 28 层类似水泥的材料组成。为了了解他们的制造方法是否可以扩大规模，研究人员进行了一项模拟实验，使用 15 架无人机虚拟打印更大的结构。
研究团队利用一队空中机器人相互配合完成空中增材建造实验：分别从机器人控制框架和材料研究两方面入手，制定了一个可扩展的建造无人机（BuilDrones）集群3D打印路径规划框架，使用一个并联机械臂进行误差实时补偿，并利用扫描无人机（ScanDrones）实时评估打印的几何形状和机器人的行为适应。
为了使用不同的材料制造不同尺度的几何图形，与航空无人机工艺相关的参数，如打印路径、打印头速度、喷嘴直径和建造无人机的精度，必须与材料的性能一起指定，同时也考虑从建造龙螺旋桨的下冲洗。层宽与打印精度的比值是打印几何设计和路径生成中考虑的主要因素。设计了三种可扩展的路径来构建圆柱形几何：多个相邻的同心圆有效地形成实心墙；圆皮亚诺曲线，交替层围绕圆交错，半单位偏移；以及三个非相邻同心圆与圆皮亚诺曲线交替的混合设计。
多机器人光道虚拟打印的圆顶状表面：
1、施工中光迹延时摄影记录，B.轨迹顶视图，C.施工完毕光迹延时摄影记录，D.轨迹透视图，2、机器人启动位置（红色灯为未打印状态，蓝色灯为打印状态），F.15个无人机集群打印结果仿真模拟。
Kovac 表示，目前用于打印的建筑材料和无人机群的电池驱动的无人机都是手动填充与充电的，但在未来，随着硬件层面的开发与软件算法层面的完善，这些步骤可以自动化。
目前3D打印（增材制造）建筑技术已经逐渐投入市场应用并处于快速发展成熟期，国外如苏黎世联邦理工学院ITA团队与ZAHA建筑事务所合作利用混凝土打印跨度16m的桥体。
作为大型 3D 打印领域的先驱，ICON 宣布将投入建设与 BIG 联合打造并由 Lennar 开发的百户 3D 打印社区。
国内清华大学建筑学院徐卫国教授团队自主研发了“混凝土机器人3D打印移动平台”和“混凝土房屋快速建造系统”。目前徐教授团队的两项技术成果成功应用于非洲保障房样板房的实际打印建造。
从这些既有案例我们可以看出，目前3D打印建筑对平整建造地面情况下的低层建筑建造有着较高的优势，相信随着空中无人机集群打印技术的出现与发展，3D打印建筑技术将会在日后更加避免地形、气候、交通、人工等外界因素的干预，呈现出更高的建筑建造自由度与高效化，为打破既有建造路线，开辟新型建筑设计的可能性提供机会。
本次分享引用资料：
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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