机载建筑技术的潜力：飞行机器人开启建筑新视野

快速阅读: 据《欧亚评论》最新报道，研究显示，空中机器人在复杂地形和高空作业中优势显著，可灵活搭建临时设施，保障安全并减少资源浪费。然而，其技术尚不成熟，需克服能源、材料及自主性等挑战。研究人员提出五阶段发展框架，推动空中增材制造与地面机器人的结合应用。

建筑工地上已经可以看到机器人手臂和3D打印龙门架的身影，尽管大多数是以重型、固定安装的地面系统形式存在。在复杂地形或高空作业时，这些设备很快就会达到极限。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团队，因此研究了未来如何利用空中机器人作为自主建筑平台。在这期《科学机器人》的封面文章中，研究人员展示了这项新技术的现状及其潜力。显然具有优势：建筑无人机可以到达传统机械无法到达的地方，无论是山区、屋顶、灾区，甚至遥远的行星。它们无需固定的建筑工地，能迅速在偏远地区搭建临时基础设施，因此提供了高度的灵活性和可扩展性。同时，它们还能缩短运输路线，减少材料消耗，并使建筑工地更加安全。

极端情况下的维修与操作，空中机器人特别适合于灾害救援行动——例如，在洪水或被摧毁的地区，常规车辆无法通行。空中机器人可以运输建筑材料并自主搭建紧急避难所。它们在难以接近的地方进行维修也非常有前景。它们可以自主检测并修复高层建筑外墙或桥梁上的裂缝，而无需脚手架。“现有的地面机器人通常重达数吨，设置时间长且工作半径有限，”该研究的主要作者、来自Empa和EPFL可持续机器人实验室的Yusuf Furkan Kaya解释说。“相比之下，建筑无人机轻便、移动灵活——但目前它们的技术成熟度较低，尚未用于工业用途。”

事实上，已经有许多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到电缆结构的张紧，再到建筑材料的逐层打印。例如，在Empa，飞行机器人已被编程为合作建造或修复结构物，通过逐层打印材料来实现。

无人机的潜力极具颠覆性——只要确保能源供应和材料运输，理论上它们可以在任何地方飞行和建造。而且它们能迅速扩展：在灾难发生时，数百个空中机器人能在偏远地区迅速搭建临时基础设施。与此同时，未来的无人机建筑也面临新的挑战。研究人员指出，关键技术的跨学科特性是一大障碍：空中增材制造（Aerial AM）需在三个领域同步推进：机器人技术、材料科学和建筑设计。Empa和EPFL可持续机器人实验室主任Mirko Kovac描述了这种互动关系：“即使无人机能精准飞行，但如果缺少轻量、稳定且易于加工的材料，它也无法充分发挥其潜力。即便如此，建筑设计仍需适应空中机器人精度有限的特点，以实现承重结构的构建。”

补充现有机器人之外，机器人技术本身还存在其他技术障碍，如飞行时间、载荷或自主性有限。因此，该研究提出了一个五阶段的自主框架——从简单的沿路径飞行到完全独立，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Yusuf Furkan Kaya的说法，这不仅是一个理论模型，也是一个明确的发展计划。“我们的目标是让空中机器人了解所用材料及其环境，并在建造过程中智能优化最终结构。”

目前，空中增材制造仍是现有地面机器人系统的补充方案。无人机能耗目前高出8至10倍，其建造体积也受到限制。因此，研究人员建议采取结合方式：常规系统负责建造结构的下部区域，而无人机则从一定高度开始，发挥其灵活性和范围的优势。

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