飛行機器人開啟建筑新領域

施工現場已經可以看到機械臂和 3D 打印龍門架——盡管它們大多是重型、永久安裝在地面上的系統。它們在崎嶇的地形或高空上很快就達到了極限。因此，由瑞士材料與工藝研究所（Empa）和瑞士聯邦理工學院（EPFL）的研究人員領導的一個團隊研究了未來如何利用空中機器人作為自主施工平臺。在當前一期《Science Robotics》的封面上，研究人員展示了這項新興技術的現狀和潛力。優勢顯而易見：施工無人機可以到達傳統機器無法進入的地方，無論是山區、屋頂、災區，甚至遙遠的星球。它們也不需要固定的施工場地，可以成群部署，因此提供了高度的靈活性和易于擴展性。同時，它們可以縮短運輸路線，減少材料消耗，并使施工現場更安全。

極端情況下的維修和操作

空中機器人特別適用于救災行動——例如，在傳統車輛無法通行的洪水泛濫或被摧毀的地區。空中機器人可以運輸建筑材料并自主搭建應急避難所。它們在難以進入的地方進行維修方面也很有前景。它們可以在沒有腳手架的情況下自主檢測和修復高層建筑外墻或橋梁的裂縫。"現有的地面機器人系統通常重達數噸，設置時間長，工作半徑有限，”該研究的首席作者、來自瑞士材料科學研究所和洛桑聯邦理工學院可持續機器人實驗室的尤素福·弗爾坎·卡亞解釋道。"而建筑無人機則輕便、靈活和可移動——但到目前為止，它們只處于較低的技術成熟度水平。它們尚未用于工業用途。"

事實上，已經有眾多學術原型展示了不同的空中建筑方法，從放置單個建筑構件和張力電纜結構到逐層打印建筑材料。例如，在瑞士材料科學和技術研究所（Empa），飛行機器人已經被編程作為一個團隊一起逐層打印材料，用于結構的建造或維修。

技術、材料和設計的相互作用

無人機的潛力是顛覆性的——理論上，只要能源供應和材料運輸得到保證，它們可以在任何地方飛行和建造。而且它們很容易擴展：在災難發生時，數百架空中機器人可以立即在偏遠地區建立臨時基礎設施。

同時，未來無人機在建筑領域的應用也面臨新的挑戰。根據研究人員的說法，一個關鍵的障礙是這項技術的跨學科性質：空中增材制造（Aerial AM）需要在三個領域同時取得進展：機器人技術、材料科學和建筑學。瑞士聯邦理工學院和瑞士材料科學研究所可持續機器人實驗室主任 Mirko Kovac 這樣描述這種相互作用：“無人機可能能夠精確飛行，但沒有輕質、穩定且可加工的材料，它就不能充分發揮其潛力。即使這兩種都有了，建筑設計也必須適應空中機器人的有限精度，以實現承重結構。”

補充現有機器人

除了這種跨學科協調之外，機器人技術內部還有其他技術障礙，例如有限的飛行時間、有效載荷或自主性。因此，該研究提出了一個分五個階段的自主性框架——從沿路線的簡單飛行到完全獨立，其中空中機器人可以分析建筑環境、檢測錯誤甚至實時調整設計。根據尤素福·弗爾坎·卡亞的說法，這不僅僅是一個理論模型，也是一個明確的發展計劃。"我們的目標是擁有能夠理解它們正在用什么材料以及在哪里建造的空中機器人，并在建造過程中智能地優化生成的結構。"

目前，空中 AM 仍然是現有地面機器人系統的補充解決方案。無人機的能耗目前是八到十倍，其施工量也有限。因此，研究人員建議采用綜合方法：傳統系統建造結構的低區，無人機從一定高度接手，發揮其靈活性和范圍的優勢。