机械臂和3D打印龙门架已在建筑工地上随处可见——尽管它们大多是笨重的、永久安装在地面上的系统。在崎岖地形或高空作业时，它们很快就会达到极限。因此，由瑞士联邦材料科学与技术研究所（Empa）和瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）可持续机器人实验室的研究人员领导的一个团队，正在研究如何在未来将空中机器人用作自主施工平台。在近期《科学机器人》杂志的封面故事中，研究人员展示了这项新兴技术的现状和潜力。其优势显而易见：建筑无人机可以到达传统机器无法到达的地方，无论是在山区、屋顶、灾区，还是在遥远的星球上。它们不需要固定的施工场地，可以集群部署，因此具有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，并提高施工现场的安全性。

极端情况下的维修和作业

空中机器人尤其适用于救灾行动——例如在被洪水毁坏，车辆无法通行的地区。空中机器人可以运输建筑材料并自主搭建应急避难所。它们在人类难以进入的地区进行维修方面也大有可为。这些飞行机器人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上的裂缝。“现有的地面机器人系统通常重达数吨，安装时间长，工作半径有限，”该项研究的主要作者、来自瑞士联邦材料科学与技术研究所和瑞士洛桑联邦理工学院可持续机器人实验室的Yusuf Furkan Kaya解释说，“另一方面，建筑无人机重量轻、机动灵活——但目前它们的技术成熟度较低，尚未用于工业用途。”

事实上，目前已有大量学术原型展示了不同的空中建造方法，从单个建筑构件的放置、缆索结构的张紧，到建筑材料的逐层打印。例如，在瑞士联邦材料科学与技术研究所，飞行机器人已被编程团队用以逐层打印材料，应用于建筑或修复结构。

最先进的航空增材制造应用主要分为三类：用模块化单元构建结构（离散航空增材制造）、用线性元素构建张拉结构（拉伸航空增材制造）以及用连续材料沉积构建结构（连续航空增材制造）。

技术、材料和设计的相互作用空中机器人潜力是颠覆性的——理论上，只要能源供应和材料运输得到保障，它们可以在任何地方飞行和建造。而且它们易于扩展：一旦发生灾难，数百个空中机器人可以立即在偏远地区搭建临时基础设施。

与此同时，未来的无人机建造面临着新的挑战。研究人员表示，一个关键障碍是该技术的跨学科性质——航空增材制造（Aerial AM）需要在三个领域同步发展：机器人技术、材料科学和建筑学。Empa和EPFL可持续机器人实验室负责人Mirko Kovac这样描述这种相互作用：“无人机或许能够精确飞行，但如果缺乏轻质、稳定且可加工的材料，它就无法充分发挥其潜力。即使两者兼备，建筑设计也必须适应空中机器人有限的精度，才能构建承重结构。”

补充现有机器人

除了这种跨学科协作之外，机器人技术还面临其他技术障碍，例如飞行时间、有效载荷或自主性限制。因此，该研究提出了一个分为五个阶段的自主框架——从简单的沿路线飞行到完全独立，空中机器人可以分析施工环境、检测误差，甚至实时调整设计。Yusuf Furkan Kaya表示，这不仅是一个理论模型，更是一个清晰的发展规划。“我们的目标是让空中机器人能够理解它们在何种环境下使用何种材料进行建造，并在施工过程中智能地优化最终结构。”

DroneHub上的测试墙采用模块化组件，用于飞行建筑机器人实验。

目前，空中增材制造仍然是现有地面机器人系统的补充解决方案。无人机的能耗目前比地面机器人系统高出8~10倍，而且其施工体积也有限。因此，研究人员建议采用一种组合方法：传统系统负责建造建筑物的低矮部分，而无人机则从一定高度接管，并在那里发挥其灵活性和作业范围的优势。 （航柯）