飞行机器人开启建筑新领域

施工现场已经可以看到机械臂和 3D 打印龙门架——尽管它们大多是重型、永久安装在地面上的系统。它们在崎岖的地形或高空上很快就达到了极限。因此，由瑞士材料与工艺研究所（Empa）和瑞士联邦理工学院（EPFL）的研究人员领导的一个团队研究了未来如何利用空中机器人作为自主施工平台。在当前一期《Science Robotics》的封面上，研究人员展示了这项新兴技术的现状和潜力。优势显而易见：施工无人机可以到达传统机器无法进入的地方，无论是山区、屋顶、灾区，甚至遥远的星球。它们也不需要固定的施工场地，可以成群部署，因此提供了高度的灵活性和易于扩展性。同时，它们可以缩短运输路线，减少材料消耗，并使施工现场更安全。

极端情况下的维修和操作

空中机器人特别适用于救灾行动——例如，在传统车辆无法通行的洪水泛滥或被摧毁的地区。空中机器人可以运输建筑材料并自主搭建应急避难所。它们在难以进入的地方进行维修方面也很有前景。它们可以在没有脚手架的情况下自主检测和修复高层建筑外墙或桥梁的裂缝。"现有的地面机器人系统通常重达数吨，设置时间长，工作半径有限，”该研究的首席作者、来自瑞士材料科学研究所和洛桑联邦理工学院可持续机器人实验室的尤素福·弗尔坎·卡亚解释道。"而建筑无人机则轻便、灵活和可移动——但到目前为止，它们只处于较低的技术成熟度水平。它们尚未用于工业用途。"

事实上，已经有众多学术原型展示了不同的空中建筑方法，从放置单个建筑构件和张力电缆结构到逐层打印建筑材料。例如，在瑞士材料科学和技术研究所（Empa），飞行机器人已经被编程作为一个团队一起逐层打印材料，用于结构的建造或维修。

技术、材料和设计的相互作用

无人机的潜力是颠覆性的——理论上，只要能源供应和材料运输得到保证，它们可以在任何地方飞行和建造。而且它们很容易扩展：在灾难发生时，数百架空中机器人可以立即在偏远地区建立临时基础设施。

同时，未来无人机在建筑领域的应用也面临新的挑战。根据研究人员的说法，一个关键的障碍是这项技术的跨学科性质：空中增材制造（Aerial AM）需要在三个领域同时取得进展：机器人技术、材料科学和建筑学。瑞士联邦理工学院和瑞士材料科学研究所可持续机器人实验室主任 Mirko Kovac 这样描述这种相互作用：“无人机可能能够精确飞行，但没有轻质、稳定且可加工的材料，它就不能充分发挥其潜力。即使这两种都有了，建筑设计也必须适应空中机器人的有限精度，以实现承重结构。”

补充现有机器人

除了这种跨学科协调之外，机器人技术内部还有其他技术障碍，例如有限的飞行时间、有效载荷或自主性。因此，该研究提出了一个分五个阶段的自主性框架——从沿路线的简单飞行到完全独立，其中空中机器人可以分析建筑环境、检测错误甚至实时调整设计。根据尤素福·弗尔坎·卡亚的说法，这不仅仅是一个理论模型，也是一个明确的发展计划。"我们的目标是拥有能够理解它们正在用什么材料以及在哪里建造的空中机器人，并在建造过程中智能地优化生成的结构。"

目前，空中 AM 仍然是现有地面机器人系统的补充解决方案。无人机的能耗目前是八到十倍，其施工量也有限。因此，研究人员建议采用综合方法：传统系统建造结构的低区，无人机从一定高度接手，发挥其灵活性和范围的优势。