一个国际团队探索了未来航空机器人如何能够在空中精确处理建筑材料的可能性——这一方法在难以到达的地点或高空作业中具有巨大潜力。这些飞行机器人并不打算替代现有的地面系统，而是旨在以有针对性的方式补充它们，比如用于维修或在灾区等地方。
机器人手臂和3D打印龙门架已经在建筑工地上找到应用——尽管大多数情况下它们是重型、永久安装在地面上的系统。在崎岖的地形或高空作业时，它们的局限性很快显现出来。由Empa和EPFL的可持续机器人实验室的研究人员领导的团队因此调查了未来航空机器人如何能够作为自主建筑平台使用。在当前Science Robotics期刊的封面故事中，研究人员展示了这一新兴技术的最新发展及潜力。优势显而易见：建筑无人机可以到达常规机械无法到达的地方，无论是在山上、屋顶上、灾区或甚至是遥远的行星上。它们也不需要固定的施工场地，可以以群体形式部署，因此提供了高度的灵活性和可扩展性。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操作
航空机器人尤其适合灾难救援作业——例如，在被淹没或毁坏的地区，传统车辆无法通过的情况下。航空机器人可以运输建筑材料并自主搭建临时住所。它们在难以到达的地方进行维修的应用也颇具前景。它们可以自主检测和修复高楼外墙或桥梁上的裂缝，而无需脚手架。“现有的地面机器人系统通常重达数吨，搭建时间长，工作半径有限，”来自Empa和EPFL可持续机器人实验室的首席作者Yusuf Furkan Kaya解释道。“而建筑无人机则轻便、灵活且移动性强——但到目前为止它们的技术成熟度仍然较低，尚未用于工业目的。”
事实上，已经有许多学术原型展示了不同的空中建筑方法，从单个建筑元素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，飞行机器人被编程为团队合作，逐层打印材料用于结构的建设或修复。
技术、材料与设计的相互作用
无人机的潜力是颠覆性的——理论上来说，它们可以在任何地方飞行和建造，前提是能源供应和材料运输得到保障。它们的可扩展性也很高：在灾难发生的情况下，数百架航空机器人可以立即在偏远地区建立临时基础设施。
与此同时，未来的无人机建筑面临新的挑战。研究人员指出，一个关键的障碍是技术的跨学科特性：航空增材制造（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。Empa和EPFL可持续机器人实验室的负责人Mirko Kovac描述了这种相互作用：“无人机可能能够精确飞行，但没有轻量、稳定且易于加工的材料，它无法发挥其全部潜力。即使两者都可用，建筑设计也必须适应航空机器人的有限精度，以使承重结构得以实现。”
补充现有机器人
除了这种跨学科的协调，机器人技术内部还存在其他技术障碍，例如飞行时间、载荷或自主性有限。因此，该研究提出了一个五阶段的自主性框架——从沿路线的简单飞行到完全独立，在此阶段航空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，还清晰地描绘了发展计划。“我们的目标是让航空机器人理解它们正在使用什么材料以及在何种环境中进行建造，并在施工过程中智能优化所产生的结构。”
暂时来说，航空增材制造仍然是现有地面机器人系统的补充解决方案。无人机的能耗目前高出八到十倍，它们的建筑体积也有限。因此，研究人员推荐一种联合方法：传统系统建设结构的下部区域，而无人机则在一定高度后接手，并在此施展灵活性和范围的优势。
