文章來源：DeepTech深科技

特斯拉 CEO、SpaceX 創(chuàng)始人埃隆 · 馬斯克曾公開過 " 火星移民 " 計(jì)劃，稱要在 2050 年將 100 萬人送往火星。

其中的一個(gè)問題是，移民火星后人們將住在哪，誰來為他們搭建房屋呢？隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，3D 打印建筑逐漸成為可能，但用于建筑結(jié)構(gòu) 3D 打印的設(shè)備往往體積龐大，制約著其打印建筑的高度。

動(dòng)圖丨研究人員使用泡沫和一種特殊的輕質(zhì)水泥材料，建造了高度從 0.18 米到 2.05 米不等的結(jié)構(gòu)（來源：Nature）

受黃蜂 / 家燕筑巢的啟發(fā)，來自英國帝國理工學(xué)院與倫敦瑪麗女王大學(xué)，以及合作團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家們首次提出并實(shí)現(xiàn)了基于多無人機(jī)的建筑結(jié)構(gòu) 3D 打印創(chuàng)新方法。

他們成功研制了能搭載在無人機(jī)上的建筑材料 3D 打印裝置以及高精度材料沉積執(zhí)行器，并研發(fā)了一套自主導(dǎo)航和任務(wù)分配方法，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)無人機(jī)之間的相互通訊，以及同步打印無人機(jī)的數(shù)量、時(shí)間分配的優(yōu)化。

通過結(jié)合能夠自由靈活飛行的無人機(jī)和具有高精度、高剛度的并聯(lián)機(jī)器人的各自優(yōu)勢(shì)，成功解決了無人機(jī)在空中飛行時(shí)的不穩(wěn)定性，將其末端執(zhí)行器誤差控制在 5mm 以內(nèi)，使得無人機(jī)空中高精度 3D 打印成為可能。

圖丨水泥 3D 打印薄壁結(jié)構(gòu)（來源：該團(tuán)隊(duì)）

考慮到不同材料沉積過程中的膨脹或下沉等不確定性，該團(tuán)隊(duì)引進(jìn)了基于三維圖像掃描和重建技術(shù)對(duì)打印結(jié)構(gòu)的測(cè)量評(píng)估方法，有效控制了打印過程中已打印建筑機(jī)構(gòu)與設(shè)計(jì)模型之間的誤差積累，并實(shí)時(shí)調(diào)整后續(xù)打印過程中無人機(jī)的飛行軌跡。

圖丨 Nature 當(dāng)期封面（來源：Nature）

9 月 21 日，相關(guān)論文以《多自主機(jī)器人航空增材制造》（Aerial additive manufacturing with multiple autonomous robots）為題，作為封面文章發(fā)表在 Nature [ 1 ] 。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature）

審稿人對(duì)該研究評(píng)價(jià)道：" 該研究所提出的方法具有開創(chuàng)性意義 , 特別是在相對(duì)較為保守、需要更多自動(dòng)化生產(chǎn)來提高效率的建筑工業(yè)。"
另一位審稿人則評(píng)價(jià)稱：" 作者在該研究中的重大技術(shù)突破，將為論文中提出的多機(jī)器人自主協(xié)作 3D 打印建筑結(jié)構(gòu)的方法在建筑工業(yè)的成功應(yīng)用提供有力保障。"

30 分鐘蓋 2 米高柱形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn) 5mm 打印精度

無人機(jī) 3D 打印建筑看上去很酷炫，但實(shí)際上，從想法到逐步優(yōu)化、全方位科學(xué)性驗(yàn)證用了將近 10 年時(shí)間。
2014 年，米爾科 · 科瓦奇教授團(tuán)隊(duì)就提出了無人機(jī) 3D 打印建筑的想法。從理論上攻克核心技術(shù)并推進(jìn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，例如高精度建筑材料沉積，以及多無人機(jī)協(xié)同打印控制算法的攻關(guān)都花了相當(dāng)長的時(shí)間，基礎(chǔ)問題才得以解決。

（來源：Nature）

在研究最初階段，研究人員將 3D 打印裝置固定在無人下方。但問題也隨著而來，無人機(jī)在空中位姿的微小變化，會(huì)引起打印裝置材料沉積頭的大范圍偏差，嚴(yán)重影響材料的打印效果。

為確保 3D 打印的高精度，就必須要避免杠桿誤差比例放大的問題。該問題通常因無人機(jī)位置與姿態(tài)偏差引起的 3D 打印噴頭傾斜所導(dǎo)致，該團(tuán)隊(duì)利用控制算法來應(yīng)對(duì)該問題。

圖丨張克濤（來源：張克濤）

張克濤于 2016 年加入該團(tuán)隊(duì)后，提出給無人機(jī)加裝了一個(gè)靈巧的微型 Delta 并聯(lián)機(jī)械手，成功解決了該研究的技術(shù)瓶頸之一，即建筑無人機(jī)的高精度 3D 打印。

最終在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn) 5mm 以下的打印精度，圓柱形打印頭的直徑為 8 毫米。"這是目前基于移動(dòng)機(jī)器人與飛行機(jī)器人設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中打印精度最高水平。"張克濤說。

穩(wěn)定和精度問題已解決，接下來團(tuán)隊(duì)開始著手無人機(jī)的打印路徑規(guī)劃與執(zhí)行。值得關(guān)注的是，由于市面上已有的無人機(jī)無法實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)的打印目標(biāo)，因此無人機(jī)平臺(tái)由張克濤及團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)。他們通過不斷地實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了材料一層層沉積后結(jié)構(gòu)不倒塌。

圖丨多無人機(jī)并行增材制造方法與不同材料驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)（來源：Nature）

" 我們要考慮材料在 3D 打印設(shè)備中推出前的粘性，也要保證其在推出后的可塑性，這樣才能使材料保持打印后不會(huì)在重力等作用下產(chǎn)生變形。"張克濤說。該團(tuán)隊(duì)從材料科學(xué)角度研究了其調(diào)配料的制備和選擇后，最終設(shè)計(jì)了兩款 3D 打印無人機(jī)，分別可打印類水泥材料以及低密度聚氨酯泡沫塑料。
實(shí)時(shí)測(cè)量是該團(tuán)隊(duì)面臨的另一難題。他們通過密集映射算法來進(jìn)行 3D 網(wǎng)格重建，然后從 3D 重建的數(shù)字模型得到已經(jīng)沉積好結(jié)構(gòu)的高度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了 3D 打印一層層疊加的工作。

有望最快應(yīng)用于修復(fù)高層建筑，已開始技術(shù)成果轉(zhuǎn)化

傳統(tǒng)的建筑物設(shè)計(jì)很大程度上受已有建筑方法的限制，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上往往 " 千篇一律 "。而 3D 打印建筑的優(yōu)勢(shì)是以設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)建筑制造，可按個(gè)人的喜好或
需求設(shè)計(jì)建筑風(fēng)格，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化及更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

由于建筑無人機(jī)自帶電源機(jī)可打印材料，其 3D 打印時(shí)不受建筑高度和材料輸送管道的限制。該方法與傳統(tǒng)建筑方法相比，還可減少物料運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的碳排量。

此外，理論上無人機(jī)可 24 小時(shí)持續(xù)工作，因此可提升建筑生產(chǎn)效率，進(jìn)而節(jié)省更多的時(shí)間成本及人力資源的成本。3D 打印設(shè)計(jì)和建設(shè)房屋，還能減少建筑材料在搬運(yùn)過程中的浪費(fèi)和損耗、減少對(duì)環(huán)境的影響，對(duì)樓層的結(jié)構(gòu)性提供更大的自由度。

結(jié)構(gòu)方面最近的研究顯示，從結(jié)構(gòu)力學(xué)的結(jié)構(gòu)承載力角度，傳統(tǒng)建筑使用的實(shí)體結(jié)構(gòu)中有近 40% 的材料可被節(jié)省。"3D 打印建筑可以依據(jù)承載力的需求按需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此相較于傳統(tǒng)澆筑等建筑方法更加節(jié)省材料。"張克濤說。

（來源：該團(tuán)隊(duì)）

據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)在測(cè)量算法等方面已獲得相關(guān)專利。目前，英國已有幾家大型建筑公司與他們合作進(jìn)行技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化。

張克濤認(rèn)為，該技術(shù)最快落地的應(yīng)用場(chǎng)景可能在高層建筑或基礎(chǔ)設(shè)施的修復(fù)工作。當(dāng)然，該方法并不是為了與建筑工人 " 搶飯碗 "，而是由無人機(jī)去完成重復(fù)性高、危險(xiǎn)系數(shù)高的工作。讓人們騰出精力去處理更復(fù)雜、多樣的設(shè)計(jì)與規(guī)劃任務(wù)。

" 高空建筑墻面破損的維修不需要大量材料，因此只用一架無人機(jī)就可完成相關(guān)修復(fù)工作。我們現(xiàn)在與當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)企業(yè)在討論該技術(shù)能達(dá)到的工業(yè)化應(yīng)用水平，并在進(jìn)行初期測(cè)試。" 他說。

該技術(shù)還可能應(yīng)用于火星或月球的建筑制造。值得關(guān)注的是，該方法不僅適用于無人機(jī)，它還適用于指導(dǎo)無人機(jī)與地面移動(dòng)機(jī)器人的配合、多自主機(jī)器人協(xié)同打印。

對(duì)于災(zāi)后重建工作，該技術(shù)也可給予相關(guān)支持，例如應(yīng)急設(shè)施的搬運(yùn)或臨時(shí)建筑重建。如果某地區(qū)發(fā)生地震，在道路被破壞、車輛行駛受阻情況下，物資的配送往往會(huì)受到很大的影響。而通過無人機(jī)遠(yuǎn)程投送、多機(jī)器人 3D 打印建筑技術(shù)則可進(jìn)行臨時(shí)建筑的搭建。

圖丨高 2.05 米的圓柱形打印結(jié)構(gòu) 3D 重建模型，其中包含 72 次材料沉積行程（來源：Nature）

未來，該技術(shù)仍有一些難點(diǎn)需要攻克。例如無人機(jī)充電方式，如何通過無線或其他方式為無人機(jī)更好地儲(chǔ)能。張克濤表示，" 若想滿足持續(xù)為無人機(jī)供電，對(duì)電池材料和充電方法都提出了更高要求。我們?cè)O(shè)想過太陽能電池，但目前其性能還不能滿足無人機(jī)的供電需求。"
將該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室搬到實(shí)驗(yàn)室外的環(huán)境是另一個(gè)挑戰(zhàn)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，該團(tuán)隊(duì)使用運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)的位姿進(jìn)行控制。" 在室外場(chǎng)景，由于 GPS 等定位系統(tǒng)誤差較大，我們以后可能會(huì)用到基于視覺的實(shí)時(shí)定位與地圖構(gòu)建方法，對(duì)無人機(jī)或機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)環(huán)境的感知。"張克濤說。
另一方面，3D 打印材料也是該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)研究的方向。目前，類水泥材料能達(dá)到傳統(tǒng)用的普通的水泥配料的性能。
張克濤指出，如何在 3D 打印中實(shí)現(xiàn)多種材料（例如鋼筋混凝土）共同打印，以及與行業(yè)共同推動(dòng) 3D 打印建筑的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，也是團(tuán)隊(duì)將持續(xù)關(guān)注的方向。

為建筑制造行業(yè)的數(shù)字化發(fā)展插上 " 翅膀 "

如何讓看似 " 天方夜譚 " 的想法成為現(xiàn)實(shí)？讓張克濤深有體會(huì)的是，做科研必須有大膽的想法，并且要有恒心，通過不斷努力地打磨技術(shù)，來想辦法實(shí)現(xiàn)。
他大學(xué)本科畢業(yè)于北京交通大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)，之后在博士期間，參加了倫敦國王學(xué)院和北京交通大學(xué)機(jī)械工程 - 機(jī)械設(shè)計(jì)與理論聯(lián)合項(xiàng)目，該階段其研究重點(diǎn)是可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

那時(shí)，張克濤已產(chǎn)生把并聯(lián)機(jī)器人加裝到無人機(jī)、做更靈巧操作的想法。一次偶然的機(jī)會(huì)，他旁聽了米爾科 · 科瓦奇教授的學(xué)術(shù)報(bào)告，并發(fā)現(xiàn)兩人的想法 " 不謀而合 "。

圖丨未來 3D 打印無人機(jī)建設(shè)房屋效果圖（來源：該團(tuán)隊(duì)）

2016 年，張克濤在在帝國理工學(xué)院航空系的空中機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，與科瓦奇共同開發(fā)了空中機(jī)器人建筑系統(tǒng)，使空中機(jī)器人自主地 3D 打印建筑結(jié)構(gòu)。此外，他還曾在倫敦國王學(xué)院多指機(jī)器人手實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任研究員，在英國皇家工程院戴建生院士的指導(dǎo)下開發(fā)了三指變胞機(jī)器人手。
張克濤表示，近期想實(shí)現(xiàn)的研究目標(biāo)是，讓人與機(jī)器人 " 各盡其能 "、更好地結(jié)合，協(xié)同提升建筑行業(yè)的數(shù)字化發(fā)展。

目前，數(shù)字化和智能制造在中國發(fā)展迅速，特別是在汽車制造業(yè)、醫(yī)療方面都實(shí)現(xiàn)了顯著的效果，也推動(dòng)著建筑設(shè)計(jì)的數(shù)字化、可視化方面的相關(guān)進(jìn)展。" 然而在建筑制造方面，數(shù)字化仍有很大的發(fā)展空間。"張克濤說。

因此，他未來想繼續(xù)探索的方向是可折疊、結(jié)構(gòu)靈巧的機(jī)器人及其在數(shù)字化制造、人機(jī)協(xié)同、極端環(huán)境，以及深空應(yīng)用，解決更復(fù)雜和多樣的科學(xué)難題。

參考資料：
1.Zhang, K., Chermprayong, P., Xiao, F.   et al.   Aerial additive manufacturing with multiple autonomous robots.   Nature   609, 709 – 717 ( 2022 ) . https://doi.org/10.1038/s41586-022-04988-4

文章來源：DeepTech深科技

特斯拉 CEO、SpaceX 創(chuàng)始人埃隆 · 馬斯克曾公開過 " 火星移民 " 計(jì)劃，稱要在 2050 年將 100 萬人送往火星。

其中的一個(gè)問題是，移民火星后人們將住在哪，誰來為他們搭建房屋呢？隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，3D 打印建筑逐漸成為可能，但用于建筑結(jié)構(gòu) 3D 打印的設(shè)備往往體積龐大，制約著其打印建筑的高度。

動(dòng)圖丨研究人員使用泡沫和一種特殊的輕質(zhì)水泥材料，建造了高度從 0.18 米到 2.05 米不等的結(jié)構(gòu)（來源：Nature）

受黃蜂 / 家燕筑巢的啟發(fā)，來自英國帝國理工學(xué)院與倫敦瑪麗女王大學(xué)，以及合作團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家們首次提出并實(shí)現(xiàn)了基于多無人機(jī)的建筑結(jié)構(gòu) 3D 打印創(chuàng)新方法。

他們成功研制了能搭載在無人機(jī)上的建筑材料 3D 打印裝置以及高精度材料沉積執(zhí)行器，并研發(fā)了一套自主導(dǎo)航和任務(wù)分配方法，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)無人機(jī)之間的相互通訊，以及同步打印無人機(jī)的數(shù)量、時(shí)間分配的優(yōu)化。

通過結(jié)合能夠自由靈活飛行的無人機(jī)和具有高精度、高剛度的并聯(lián)機(jī)器人的各自優(yōu)勢(shì)，成功解決了無人機(jī)在空中飛行時(shí)的不穩(wěn)定性，將其末端執(zhí)行器誤差控制在 5mm 以內(nèi)，使得無人機(jī)空中高精度 3D 打印成為可能。

圖丨水泥 3D 打印薄壁結(jié)構(gòu)（來源：該團(tuán)隊(duì)）

考慮到不同材料沉積過程中的膨脹或下沉等不確定性，該團(tuán)隊(duì)引進(jìn)了基于三維圖像掃描和重建技術(shù)對(duì)打印結(jié)構(gòu)的測(cè)量評(píng)估方法，有效控制了打印過程中已打印建筑機(jī)構(gòu)與設(shè)計(jì)模型之間的誤差積累，并實(shí)時(shí)調(diào)整后續(xù)打印過程中無人機(jī)的飛行軌跡。

圖丨 Nature 當(dāng)期封面（來源：Nature）

9 月 21 日，相關(guān)論文以《多自主機(jī)器人航空增材制造》（Aerial additive manufacturing with multiple autonomous robots）為題，作為封面文章發(fā)表在 Nature [ 1 ] 。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature）

審稿人對(duì)該研究評(píng)價(jià)道：" 該研究所提出的方法具有開創(chuàng)性意義 , 特別是在相對(duì)較為保守、需要更多自動(dòng)化生產(chǎn)來提高效率的建筑工業(yè)。"
另一位審稿人則評(píng)價(jià)稱：" 作者在該研究中的重大技術(shù)突破，將為論文中提出的多機(jī)器人自主協(xié)作 3D 打印建筑結(jié)構(gòu)的方法在建筑工業(yè)的成功應(yīng)用提供有力保障。"

30 分鐘蓋 2 米高柱形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn) 5mm 打印精度

無人機(jī) 3D 打印建筑看上去很酷炫，但實(shí)際上，從想法到逐步優(yōu)化、全方位科學(xué)性驗(yàn)證用了將近 10 年時(shí)間。
2014 年，米爾科 · 科瓦奇教授團(tuán)隊(duì)就提出了無人機(jī) 3D 打印建筑的想法。從理論上攻克核心技術(shù)并推進(jìn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，例如高精度建筑材料沉積，以及多無人機(jī)協(xié)同打印控制算法的攻關(guān)都花了相當(dāng)長的時(shí)間，基礎(chǔ)問題才得以解決。

（來源：Nature）

在研究最初階段，研究人員將 3D 打印裝置固定在無人下方。但問題也隨著而來，無人機(jī)在空中位姿的微小變化，會(huì)引起打印裝置材料沉積頭的大范圍偏差，嚴(yán)重影響材料的打印效果。

為確保 3D 打印的高精度，就必須要避免杠桿誤差比例放大的問題。該問題通常因無人機(jī)位置與姿態(tài)偏差引起的 3D 打印噴頭傾斜所導(dǎo)致，該團(tuán)隊(duì)利用控制算法來應(yīng)對(duì)該問題。

圖丨張克濤（來源：張克濤）

張克濤于 2016 年加入該團(tuán)隊(duì)后，提出給無人機(jī)加裝了一個(gè)靈巧的微型 Delta 并聯(lián)機(jī)械手，成功解決了該研究的技術(shù)瓶頸之一，即建筑無人機(jī)的高精度 3D 打印。

最終在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn) 5mm 以下的打印精度，圓柱形打印頭的直徑為 8 毫米。"這是目前基于移動(dòng)機(jī)器人與飛行機(jī)器人設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中打印精度最高水平。"張克濤說。

穩(wěn)定和精度問題已解決，接下來團(tuán)隊(duì)開始著手無人機(jī)的打印路徑規(guī)劃與執(zhí)行。值得關(guān)注的是，由于市面上已有的無人機(jī)無法實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)的打印目標(biāo)，因此無人機(jī)平臺(tái)由張克濤及團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)。他們通過不斷地實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了材料一層層沉積后結(jié)構(gòu)不倒塌。

圖丨多無人機(jī)并行增材制造方法與不同材料驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)（來源：Nature）

" 我們要考慮材料在 3D 打印設(shè)備中推出前的粘性，也要保證其在推出后的可塑性，這樣才能使材料保持打印后不會(huì)在重力等作用下產(chǎn)生變形。"張克濤說。該團(tuán)隊(duì)從材料科學(xué)角度研究了其調(diào)配料的制備和選擇后，最終設(shè)計(jì)了兩款 3D 打印無人機(jī)，分別可打印類水泥材料以及低密度聚氨酯泡沫塑料。
實(shí)時(shí)測(cè)量是該團(tuán)隊(duì)面臨的另一難題。他們通過密集映射算法來進(jìn)行 3D 網(wǎng)格重建，然后從 3D 重建的數(shù)字模型得到已經(jīng)沉積好結(jié)構(gòu)的高度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了 3D 打印一層層疊加的工作。

有望最快應(yīng)用于修復(fù)高層建筑，已開始技術(shù)成果轉(zhuǎn)化

傳統(tǒng)的建筑物設(shè)計(jì)很大程度上受已有建筑方法的限制，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上往往 " 千篇一律 "。而 3D 打印建筑的優(yōu)勢(shì)是以設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)建筑制造，可按個(gè)人的喜好或
需求設(shè)計(jì)建筑風(fēng)格，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化及更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

由于建筑無人機(jī)自帶電源機(jī)可打印材料，其 3D 打印時(shí)不受建筑高度和材料輸送管道的限制。該方法與傳統(tǒng)建筑方法相比，還可減少物料運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的碳排量。

此外，理論上無人機(jī)可 24 小時(shí)持續(xù)工作，因此可提升建筑生產(chǎn)效率，進(jìn)而節(jié)省更多的時(shí)間成本及人力資源的成本。3D 打印設(shè)計(jì)和建設(shè)房屋，還能減少建筑材料在搬運(yùn)過程中的浪費(fèi)和損耗、減少對(duì)環(huán)境的影響，對(duì)樓層的結(jié)構(gòu)性提供更大的自由度。

結(jié)構(gòu)方面最近的研究顯示，從結(jié)構(gòu)力學(xué)的結(jié)構(gòu)承載力角度，傳統(tǒng)建筑使用的實(shí)體結(jié)構(gòu)中有近 40% 的材料可被節(jié)省。"3D 打印建筑可以依據(jù)承載力的需求按需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此相較于傳統(tǒng)澆筑等建筑方法更加節(jié)省材料。"張克濤說。

（來源：該團(tuán)隊(duì)）

據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)在測(cè)量算法等方面已獲得相關(guān)專利。目前，英國已有幾家大型建筑公司與他們合作進(jìn)行技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化。

張克濤認(rèn)為，該技術(shù)最快落地的應(yīng)用場(chǎng)景可能在高層建筑或基礎(chǔ)設(shè)施的修復(fù)工作。當(dāng)然，該方法并不是為了與建筑工人 " 搶飯碗 "，而是由無人機(jī)去完成重復(fù)性高、危險(xiǎn)系數(shù)高的工作。讓人們騰出精力去處理更復(fù)雜、多樣的設(shè)計(jì)與規(guī)劃任務(wù)。

" 高空建筑墻面破損的維修不需要大量材料，因此只用一架無人機(jī)就可完成相關(guān)修復(fù)工作。我們現(xiàn)在與當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)企業(yè)在討論該技術(shù)能達(dá)到的工業(yè)化應(yīng)用水平，并在進(jìn)行初期測(cè)試。" 他說。

該技術(shù)還可能應(yīng)用于火星或月球的建筑制造。值得關(guān)注的是，該方法不僅適用于無人機(jī)，它還適用于指導(dǎo)無人機(jī)與地面移動(dòng)機(jī)器人的配合、多自主機(jī)器人協(xié)同打印。

對(duì)于災(zāi)后重建工作，該技術(shù)也可給予相關(guān)支持，例如應(yīng)急設(shè)施的搬運(yùn)或臨時(shí)建筑重建。如果某地區(qū)發(fā)生地震，在道路被破壞、車輛行駛受阻情況下，物資的配送往往會(huì)受到很大的影響。而通過無人機(jī)遠(yuǎn)程投送、多機(jī)器人 3D 打印建筑技術(shù)則可進(jìn)行臨時(shí)建筑的搭建。

圖丨高 2.05 米的圓柱形打印結(jié)構(gòu) 3D 重建模型，其中包含 72 次材料沉積行程（來源：Nature）

未來，該技術(shù)仍有一些難點(diǎn)需要攻克。例如無人機(jī)充電方式，如何通過無線或其他方式為無人機(jī)更好地儲(chǔ)能。張克濤表示，" 若想滿足持續(xù)為無人機(jī)供電，對(duì)電池材料和充電方法都提出了更高要求。我們?cè)O(shè)想過太陽能電池，但目前其性能還不能滿足無人機(jī)的供電需求。"
將該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室搬到實(shí)驗(yàn)室外的環(huán)境是另一個(gè)挑戰(zhàn)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，該團(tuán)隊(duì)使用運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)的位姿進(jìn)行控制。" 在室外場(chǎng)景，由于 GPS 等定位系統(tǒng)誤差較大，我們以后可能會(huì)用到基于視覺的實(shí)時(shí)定位與地圖構(gòu)建方法，對(duì)無人機(jī)或機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)環(huán)境的感知。"張克濤說。
另一方面，3D 打印材料也是該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)研究的方向。目前，類水泥材料能達(dá)到傳統(tǒng)用的普通的水泥配料的性能。
張克濤指出，如何在 3D 打印中實(shí)現(xiàn)多種材料（例如鋼筋混凝土）共同打印，以及與行業(yè)共同推動(dòng) 3D 打印建筑的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，也是團(tuán)隊(duì)將持續(xù)關(guān)注的方向。

為建筑制造行業(yè)的數(shù)字化發(fā)展插上 " 翅膀 "

如何讓看似 " 天方夜譚 " 的想法成為現(xiàn)實(shí)？讓張克濤深有體會(huì)的是，做科研必須有大膽的想法，并且要有恒心，通過不斷努力地打磨技術(shù)，來想辦法實(shí)現(xiàn)。
他大學(xué)本科畢業(yè)于北京交通大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)，之后在博士期間，參加了倫敦國王學(xué)院和北京交通大學(xué)機(jī)械工程 - 機(jī)械設(shè)計(jì)與理論聯(lián)合項(xiàng)目，該階段其研究重點(diǎn)是可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

那時(shí)，張克濤已產(chǎn)生把并聯(lián)機(jī)器人加裝到無人機(jī)、做更靈巧操作的想法。一次偶然的機(jī)會(huì)，他旁聽了米爾科 · 科瓦奇教授的學(xué)術(shù)報(bào)告，并發(fā)現(xiàn)兩人的想法 " 不謀而合 "。

圖丨未來 3D 打印無人機(jī)建設(shè)房屋效果圖（來源：該團(tuán)隊(duì)）

2016 年，張克濤在在帝國理工學(xué)院航空系的空中機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，與科瓦奇共同開發(fā)了空中機(jī)器人建筑系統(tǒng)，使空中機(jī)器人自主地 3D 打印建筑結(jié)構(gòu)。此外，他還曾在倫敦國王學(xué)院多指機(jī)器人手實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任研究員，在英國皇家工程院戴建生院士的指導(dǎo)下開發(fā)了三指變胞機(jī)器人手。
張克濤表示，近期想實(shí)現(xiàn)的研究目標(biāo)是，讓人與機(jī)器人 " 各盡其能 "、更好地結(jié)合，協(xié)同提升建筑行業(yè)的數(shù)字化發(fā)展。

目前，數(shù)字化和智能制造在中國發(fā)展迅速，特別是在汽車制造業(yè)、醫(yī)療方面都實(shí)現(xiàn)了顯著的效果，也推動(dòng)著建筑設(shè)計(jì)的數(shù)字化、可視化方面的相關(guān)進(jìn)展。" 然而在建筑制造方面，數(shù)字化仍有很大的發(fā)展空間。"張克濤說。

因此，他未來想繼續(xù)探索的方向是可折疊、結(jié)構(gòu)靈巧的機(jī)器人及其在數(shù)字化制造、人機(jī)協(xié)同、極端環(huán)境，以及深空應(yīng)用，解決更復(fù)雜和多樣的科學(xué)難題。

參考資料：
1.Zhang, K., Chermprayong, P., Xiao, F.   et al.   Aerial additive manufacturing with multiple autonomous robots.   Nature   609, 709 – 717 ( 2022 ) . https://doi.org/10.1038/s41586-022-04988-4