蜜蜂是自然界著名的“建筑师”，完美的六角形蜂巢被誉为生物建筑的巅峰之作，工蜂们一边飞行，一边用捣碎的木纤维混合着口水搭建巢穴。达尔文在其《物种起源》一书中，称其为“所有已知本能中最奇妙的”。蜜蜂的建筑技艺给人类带来了很多灵感，比如建筑师OleScheeren开发的DuoGalleria项目采用蜂巢作为外墙装饰，而建筑师Heatherwick设计的纽约市地标之一Vessel和新加坡南洋理工大学著名打卡地“小笼包”（LearningHub），也受到了蜂巢的启发。

从左到右：南洋理工大学LearningHub、纽约Vessel和新加坡DuoGalleria。图片来源：IFLAAPR[1]

科学家们也受到了蜜蜂筑巢的启发，从仿生多孔材料到功能分层结构[2-4]，从药物缓释到能源电极应用[5-8]，蜂巢设计兼顾了材料的微观拓扑结构和机械性能，经常成为论文的灵感来源。

皮亚诺曲线（皮亚诺曲线和什么雪花）

杂志封面。图片来源：ACSAppl.NanoMater.[8]

与以往研究多关注于模仿蜂巢结构不同，近日英国帝国理工学院及瑞士联邦材料科学与技术研究所（EMPA）的无人机专家MirkoKovac领导的国际研究团队另辟蹊径，他们将注意力放在蜜蜂——这些会飞的“建筑师”身上。蜜蜂会一边飞行一边相互协作筑巢，受此启发，该研究团队开发了一种空中增材制造技术（aerialadditivemanufacturing，Aerial-AM），基于无人机实现3D打印，在其飞行时建造或修复结构。该工作发表在Nature杂志上，并被选为封面文章。

当期封面。图片来源：Nature

为了提高生产率和安全性，自动化设备已广泛应用于建工土木领域。目前，现场施工主要依靠地面机械设备和龙门起重机系统。这些设备笨重且庞大，其尺寸一般都要比所需建设的工程体量还要大，从而难以并行操作、占用大量建筑场地且具有危险性。借助飞行器实现高空作业，或许可以优化建筑工程系统，大大提高作业效率。

建筑工程中，几种增材制造技术对比。图片来源：Nature

于是，该研究团队开发了利用无人机在空中完成3D打印的系统（Aerial-AM）。该系统使用两种空中无人机，BuilDrone和ScanDrone。前者是“施工队”，负责实现物理材料的自动沉积，而后者是“监察员”，则用于在每层材料沉积后进行空中扫描和观察，评估打印质量。

两种无人机协作。图片来源：Nature

膨胀泡沫材料，既适用于建筑保温，也适用于混凝土结构的浇筑模板。上面的动图中，研究者就是基于此材料3D打印出一个2.05米高的圆柱体，由72层快速固化绝缘泡沫材料构建而成，超过BuilDrone无人机本身高度的4倍。尽管BuilDrone能够精确飞行，但由于材料膨胀的不规则性，3D打印的泡沫材料层高会有所不同。为了减少前一层沉积的不规则性，ScanDrone对打印质量进行实时测量和反馈，并及时调整BuilDrone的飞行轨道。整个打印过程共花费29分钟，水平和垂直方向的最大绝对位置误差在0.014m和0.006?m以内。

空中3D打印圆柱体及实时反馈评估。图片来源：Nature

为了验证空中3D打印的分辨率，研究者将BuilDrone无人机进行了升级，加装了8mm的喷嘴尖端，可有效补偿位置偏差。3D打印的薄壁圆柱体外径为0.335m，采用皮亚诺曲线的设计，不但所需材料较少，而且即使沉积稍有偏差，相邻两层间仍可以保持良好的接触。实际测试中，打印速度为1cm?s?1，水平位置误差和垂直位置误差的中值分别为约4mm和1mm。

空中3D打印薄壁圆柱体。图片来源：Nature

空中3D打印系统还可以实现多台无人机的协同工作。研究者演示了利用三台无人机，合作打印一个直径为2.5m的抛物面几何体（下图a，图中紫色及蓝色线为无人机的运动轨迹）。该图形被分割成多个单独的打印作业，无人机按照各自的飞行路径同时执行，并实时调整和优化，防止碰撞。

多台无人机空中3D打印轨迹模拟。图片来源：Nature

“我们证明了利用无人机实现3D打印，以及协同工作来建造和维修建筑物的概念”，MirkoKovac说，“这种解决方案适合用于难以进入的区域或危险的建造项目，例如灾后救援及高层建筑施工”[9,10]。尽管研究者验证了空中3D打印系统的可行性，但这只是探索空中建造技术的第一步。如果要真正应用于建筑工程项目，还需要材料科学和机器人技术等各领域的重大进展。

未来愿景之在火星上3D打印。图片来源：ImperialCollegeLondon/Empa[10]

Aerialadditivemanufacturingwithmultipleautonomousrobots

KetaoZhang,PisakChermprayong,FengXiao,DimosTzoumanikas,BarrieDams,SebastianKay,BasaranBahadirKocer,AlecBurns,LachlanOrr,ChristopherChoi,DurgeshDattatrayDarekar,WenbinLi,StevenHirschmann,ValentinaSoana,ShamsiahAwangNgah,SinaSareh,AshutoshChoubey,LauraMargheri,VijayM.Pawar,RichardJ.Ball,ChrisWilliams,PaulShepherd,StefanLeutenegger,RobertStuart-Smith&MirkoKovac

Nature,2022,609,709-717.DOI:10.1038/s41586-022-04988-4

参考文献：

[1]ToBeeornottoBee,thatistheQuestion.

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[9]3Dprintingdronesworklikebeestobuildandrepairstructureswhileflying

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[10]Aswarmof3Dprintingdronesforconstructionandrepair

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（本文由小希供稿）