中国科学家提出多机器人协作3D打印建筑结构方法,实现5毫米打印精度,为建筑行业数字化发展提供新思路 

3D打印技术 /[工艺]
发布时间: 2022-10-19 07:05
文章来源:DeepTech深科技

特斯拉 CEO、SpaceX 创始人埃隆 · 马斯克曾公开过 " 火星移民 " 计划,称要在 2050 年将 100 万人送往火星。

其中的一个问题是,移民火星后人们将住在哪,谁来为他们搭建房屋呢?随着机器人技术的发展,3D 打印建筑逐渐成为可能,但用于建筑结构 3D 打印的设备往往体积庞大,制约着其打印建筑的高度。
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动图丨研究人员使用泡沫和一种特殊的轻质水泥材料,建造了高度从 0.18 米到 2.05 米不等的结构(来源:Nature)

受黄蜂 / 家燕筑巢的启发,来自英国帝国理工学院与伦敦玛丽女王大学,以及合作团队的科学家们首次提出并实现了基于多无人机的建筑结构 3D 打印创新方法。

他们成功研制了能搭载在无人机上的建筑材料 3D 打印装置以及高精度材料沉积执行器,并研发了一套自主导航和任务分配方法,实现了多个无人机之间的相互通讯,以及同步打印无人机的数量、时间分配的优化。

通过结合能够自由灵活飞行的无人机和具有高精度、高刚度的并联机器人的各自优势,成功解决了无人机在空中飞行时的不稳定性,将其末端执行器误差控制在 5mm 以内,使得无人机空中高精度 3D 打印成为可能。
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图丨水泥 3D 打印薄壁结构(来源:该团队)

考虑到不同材料沉积过程中的膨胀或下沉等不确定性,该团队引进了基于三维图像扫描和重建技术对打印结构的测量评估方法,有效控制了打印过程中已打印建筑机构与设计模型之间的误差积累,并实时调整后续打印过程中无人机的飞行轨迹。
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图丨 Nature 当期封面(来源:Nature)

9 月 21 日,相关论文以《多自主机器人航空增材制造》(Aerial additive manufacturing with multiple autonomous robots)为题,作为封面文章发表在 Nature [ 1 ] 。
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图丨相关论文(来源:Nature)

审稿人对该研究评价道:" 该研究所提出的方法具有开创性意义 , 特别是在相对较为保守、需要更多自动化生产来提高效率的建筑工业。"
另一位审稿人则评价称:" 作者在该研究中的重大技术突破,将为论文中提出的多机器人自主协作 3D 打印建筑结构的方法在建筑工业的成功应用提供有力保障。"

30 分钟盖 2 米高柱形结构,实现 5mm 打印精度

无人机 3D 打印建筑看上去很酷炫,但实际上,从想法到逐步优化、全方位科学性验证用了将近 10 年时间。
2014 年,米尔科 · 科瓦奇教授团队就提出了无人机 3D 打印建筑的想法。从理论上攻克核心技术并推进相关实验的设计,例如高精度建筑材料沉积,以及多无人机协同打印控制算法的攻关都花了相当长的时间,基础问题才得以解决。
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(来源:Nature)

在研究最初阶段,研究人员将 3D 打印装置固定在无人下方。但问题也随着而来,无人机在空中位姿的微小变化,会引起打印装置材料沉积头的大范围偏差,严重影响材料的打印效果。

为确保 3D 打印的高精度,就必须要避免杠杆误差比例放大的问题。该问题通常因无人机位置与姿态偏差引起的 3D 打印喷头倾斜所导致,该团队利用控制算法来应对该问题。
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图丨张克涛(来源:张克涛)

张克涛于 2016 年加入该团队后,提出给无人机加装了一个灵巧的微型 Delta 并联机械手,成功解决了该研究的技术瓶颈之一,即建筑无人机的高精度 3D 打印。

最终在实验室环境下实现 5mm 以下的打印精度,圆柱形打印头的直径为 8 毫米。"这是目前基于移动机器人与飞行机器人设备,在实验室环境中打印精度最高水平。"张克涛说。

稳定和精度问题已解决,接下来团队开始着手无人机的打印路径规划与执行。值得关注的是,由于市面上已有的无人机无法实现团队的打印目标,因此无人机平台由张克涛及团队自主设计。他们通过不断地实验优化设计,实现了材料一层层沉积后结构不倒塌。
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图丨多无人机并行增材制造方法与不同材料验证实验(来源:Nature)

" 我们要考虑材料在 3D 打印设备中推出前的粘性,也要保证其在推出后的可塑性,这样才能使材料保持打印后不会在重力等作用下产生变形。"张克涛说。该团队从材料科学角度研究了其调配料的制备和选择后,最终设计了两款 3D 打印无人机,分别可打印类水泥材料以及低密度聚氨酯泡沫塑料。
实时测量是该团队面临的另一难题。他们通过密集映射算法来进行 3D 网格重建,然后从 3D 重建的数字模型得到已经沉积好结构的高度,进而实现了 3D 打印一层层叠加的工作。

有望最快应用于修复高层建筑,已开始技术成果转化

传统的建筑物设计很大程度上受已有建筑方法的限制,在结构设计上往往 " 千篇一律 "。而 3D 打印建筑的优势是以设计驱动建筑制造,可按个人的喜好或
需求设计建筑风格,实现个性化及更复杂的结构。

由于建筑无人机自带电源机可打印材料,其 3D 打印时不受建筑高度和材料输送管道的限制。该方法与传统建筑方法相比,还可减少物料运输过程中产生的碳排量。

此外,理论上无人机可 24 小时持续工作,因此可提升建筑生产效率,进而节省更多的时间成本及人力资源的成本。3D 打印设计和建设房屋,还能减少建筑材料在搬运过程中的浪费和损耗、减少对环境的影响,对楼层的结构性提供更大的自由度。

结构方面最近的研究显示,从结构力学的结构承载力角度,传统建筑使用的实体结构中有近 40% 的材料可被节省。"3D 打印建筑可以依据承载力的需求按需进行结构优化设计,因此相较于传统浇筑等建筑方法更加节省材料。"张克涛说。
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(来源:该团队)

据悉,该团队在测量算法等方面已获得相关专利。目前,英国已有几家大型建筑公司与他们合作进行技术的成果转化。

张克涛认为,该技术最快落地的应用场景可能在高层建筑或基础设施的修复工作。当然,该方法并不是为了与建筑工人 " 抢饭碗 ",而是由无人机去完成重复性高、危险系数高的工作。让人们腾出精力去处理更复杂、多样的设计与规划任务。

" 高空建筑墙面破损的维修不需要大量材料,因此只用一架无人机就可完成相关修复工作。我们现在与当地相关企业在讨论该技术能达到的工业化应用水平,并在进行初期测试。" 他说。

该技术还可能应用于火星或月球的建筑制造。值得关注的是,该方法不仅适用于无人机,它还适用于指导无人机与地面移动机器人的配合、多自主机器人协同打印。

对于灾后重建工作,该技术也可给予相关支持,例如应急设施的搬运或临时建筑重建。如果某地区发生地震,在道路被破坏、车辆行驶受阻情况下,物资的配送往往会受到很大的影响。而通过无人机远程投送、多机器人 3D 打印建筑技术则可进行临时建筑的搭建。
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图丨高 2.05 米的圆柱形打印结构 3D 重建模型,其中包含 72 次材料沉积行程(来源:Nature)

未来,该技术仍有一些难点需要攻克。例如无人机充电方式,如何通过无线或其他方式为无人机更好地储能。张克涛表示," 若想满足持续为无人机供电,对电池材料和充电方法都提出了更高要求。我们设想过太阳能电池,但目前其性能还不能满足无人机的供电需求。"
将该技术从实验室搬到实验室外的环境是另一个挑战。在实验室内,该团队使用运动追踪系统对无人机的位姿进行控制。" 在室外场景,由于 GPS 等定位系统误差较大,我们以后可能会用到基于视觉的实时定位与地图构建方法,对无人机或机器人进行实时对环境的感知。"张克涛说。
另一方面,3D 打印材料也是该团队将继续研究的方向。目前,类水泥材料能达到传统用的普通的水泥配料的性能。
张克涛指出,如何在 3D 打印中实现多种材料(例如钢筋混凝土)共同打印,以及与行业共同推动 3D 打印建筑的相关标准或规范,也是团队将持续关注的方向。

为建筑制造行业的数字化发展插上 " 翅膀 "

如何让看似 " 天方夜谭 " 的想法成为现实?让张克涛深有体会的是,做科研必须有大胆的想法,并且要有恒心,通过不断努力地打磨技术,来想办法实现。
他大学本科毕业于北京交通大学机械工程及自动化专业,之后在博士期间,参加了伦敦国王学院和北京交通大学机械工程 - 机械设计与理论联合项目,该阶段其研究重点是可重构并联机器人的设计和运动学分析。

那时,张克涛已产生把并联机器人加装到无人机、做更灵巧操作的想法。一次偶然的机会,他旁听了米尔科 · 科瓦奇教授的学术报告,并发现两人的想法 " 不谋而合 "。
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图丨未来 3D 打印无人机建设房屋效果图(来源:该团队)

2016 年,张克涛在在帝国理工学院航空系的空中机器人实验室,与科瓦奇共同开发了空中机器人建筑系统,使空中机器人自主地 3D 打印建筑结构。此外,他还曾在伦敦国王学院多指机器人手实验室担任研究员,在英国皇家工程院戴建生院士的指导下开发了三指变胞机器人手。
张克涛表示,近期想实现的研究目标是,让人与机器人 " 各尽其能 "、更好地结合,协同提升建筑行业的数字化发展。

目前,数字化和智能制造在中国发展迅速,特别是在汽车制造业、医疗方面都实现了显著的效果,也推动着建筑设计的数字化、可视化方面的相关进展。" 然而在建筑制造方面,数字化仍有很大的发展空间。"张克涛说。

因此,他未来想继续探索的方向是可折叠、结构灵巧的机器人及其在数字化制造、人机协同、极端环境,以及深空应用,解决更复杂和多样的科学难题。

参考资料:
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
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