В облаке слов, которое могло бы описать технологии третьего десятилетия XXI века, заметные места займут беспилотные летательные аппараты и 3D-печать. На Хабре им соответствуют хабы «мультикоптеры» и «3D-принтеры». Но не так известно, что эти технологии удивительным образом сочетаются в области бионики: уже созданы аппараты, сочетающие черты 3D-принтера и небольшого дрона. Они действуют примерно по тому же принципу, по которому оса строит гнездо: подлетают к постройке и послойно покрывают её постепенно затвердевающим материалом. О современных проектах таких машин и их роёв — под катом.

3D-печать является частным случаем аддитивного производства, которое в настоящее время набирает популярность в строительной отрасли. В начале 2020-х были созданы первые 3D-печатные дома, и распространение этой технологии постепенно приводит к повышению точности сборки, а также к миниатюризации. 3D-печать в строительной отрасли всё активнее выполняется с применением роботов (дронов), так как дроны можно координировать по законам роевой робототехники, а также быстро заменять при поломках или масштабировать размеры роя. Дроны могут работать автономно, ремонтировать дома, заменять людей, тем самым позволяя сократить расходы и минимизировать травмы.

Модель работы роя дронов во многом вдохновлена работой ос, которые совместно строят гнездо.

Если вам доводилось трогать или разбирать на слои покинутое осиное гнездо, вы могли заметить, что по составу оно напоминает рыхлый серый картон, немного похожий по консистенции на решётку для яиц. Действительно, основным источником для гнезда бумажных ос является древесина.

Из целой осиной колонии зиму переживает только матка, способная впадать в спячку и живущая около десяти месяцев (срок жизни рабочих ос — около пары месяцев). Матка сначала подыскивает место для гнезда, а потом ищет поблизости источники древесного волокна. В таком качестве могут послужить деревья, поленья, заборы и, собственно, обычный картон. Оса соскребает древесину челюстями, а потом размачивает её слюной, пока из древесины не получается плотный бумагообразный комок. Затем она заносит этот полуфабрикат в нужное место и прикрепляет к несущей поверхности.

Рабочие осы помогают матке вылепить из бумагоподобной массы правильные ячейки, напоминающие по форме пчелиные соты. Высыхая, гнездо затвердевает; осы могут подмешивать к бумажной основе грязь, укрепляя её. По мере того, как колония увеличивается, гнездо надстраивается со всех сторон, в новых сотах селятся молодые осы. Вот так выглядит гнездо, населённое примерно 15000 ос (обнаружено в 2006 году в штате Алабама):

Такая деятельность не подразумевает никакого творчества, оно жёстко прошито в осиных инстинктах. Поэтому такое строительство легко алгоритмизируется и может быть реализовано в рое дронов, обладающих функцией 3D-принтера. Биологический аналог такой координации наблюдается в птичьих стаях и называется «мурмурация».

Рои дронов позволили бы превратить «строительство» помещений и конструкций в постепенное «наращивание» и могли бы работать в районах и на поверхностях, где в данный момент строить невозможно. Подход с использованием дронов исключает землекопные работы и вообще открывает возможность для строительства на отвесных стенах и в труднодоступных местах, где сначала требуется возвести «дом», а затем «лестницу», а не наоборот.  

При более традиционном строительстве (выращивании высоток) дроны позволили бы сэкономить строительные материалы (бетон) или ремонтировать щели или полости в железобетонных конструкциях с высокой точностью. Большая часть такой работы могла бы выполняться дистанционно, без применения промышленного альпинизма, и при этом контролироваться в режиме реального времени – каждый дрон может оборудоваться камерой, а общая картинка с камер всего роя — складываться в картинку на пульте оператора по принципу фасеточного зрения.

Поскольку все дроны в составе роя работали бы по одному и тому же алгоритму, точность их работы превосходила бы человеческую. Они аккуратно надстраивали бы этаж за этажом, действовали бы быстрее человеческих бригад. Такая скорость была бы полезна в условиях чрезвычайных ситуаций и стихийных бедствий. Например, рой дронов мог бы быстро укреплять здания после подземных толчков или, наоборот, быстрее человека прибывать к завалам и начинать их разбирать. Наиболее оперативно такой рой возводил бы типовые лёгкие и недолговечные сооружения. Именно такими свойствами (наряду с огнеупорностью) должны обладать временные укрытия для размещения пострадавших. Здесь отмечу, что традиционные японские дома также собираются из бумажных панелей, чтобы при обрушении во время землетрясения такие конструкции слабее травмировали оказавшихся под завалами.

Дополнительное достоинство дронов при чрезвычайной ситуации заключается в уже существующих алгоритмах, позволяющих всему рою обмениваться энергией. Таким образом, рой может работать на самообеспечении, даже когда никаких иных источников питания не осталось. Именно такая ситуация сложилась в 2011 году при аварии на АЭС «Фукусима».

Демонстрационная модель: Aerial-AM и BuilDrones

Итак, для практического воплощения обрисованной выше технологии требуется рой дронов-ос и система, которая позволяла бы координировать их работу. Одна из первых удачных реализаций этой идеи – заслуга коллаборации, в которую вошли исследователи из Имперского Колледжа в Лондоне и из швейцарской федеральной лаборатории материаловедения Empa. Проект был выполнен в 2022 году, статья о нём была опубликована в сентябре того же года в журнале «Nature».

Команда под руководством Мирко Ковача сконструировала два вида дронов, названных BuilDrones и ScanDrones. Первые отвечают за послойную укладку строительного материала, вторые — за сбор сенсорной информации. Юниты BuilDrone выполняют 3D‑печать на лету. Координацию роя обеспечивает система  Aerial-AM (дословно: «воздушное аддитивное производство»). Рой дронов может как строить конструкции с нуля, так и ремонтировать уже существующие. Aerial-AM позволяет множеству дронов одновременно выполнять работу по заложенному инженером чертежу.

Вот как выглядят строительный и сканирующий дрон:

Дроны первого типа (BuilDrones) подлетают к конструкции и откладывают (доливают) строительный материал в нужную точку, в то время как дроны второго типа (ScanDrones) отслеживают их работу, контролируют производительность и подают команды о переходе к следующему этапу строительства либо корректирующие команды.

В Aerial‑AM заложены программные фреймворки как для 3D‑печати, так и для планирования пути. Поэтому рой может приспосабливаться к изменению формы объекта по ходу строительства. При работе дроны в режиме реального времени оценивают геометрию конструкции, чтобы наращивать именно те области, которые пока не достроены, не врезаться друг в друга и не сталкиваться с самой конструкцией. По умолчанию рой полностью автономен, но оператор в любой момент может переключить систему на ручное управление или остановить её.

Чтобы дроны могли действовать автономно и при этом скоординировано, инженеры организовали работу в два цикла. На первом цикле строительные дроны откладывают слой материала, далее начинается второй цикл, где они оценивают, насколько успешно прошла укладка — и только в случае положительной оценки уступают очередь строительным дронам. Работа всегда протекает с учётом актуальной степени готовности изделия, то есть зависит от контекста.

Было показано, что дроны‑строители, постоянно меняя траектории при полёте, могут безошибочно работать в течение 29-минутного цикла с точность 14 мм по горизонтали и 6 мм по вертикали. Для этого опыта были разработаны лёгкие цементоподобные смеси на основе полиуретана, напоминающие по свойствам быстро застывающую пену. В качестве простейших проектов авторы исследования сконструировали цилиндр высотой 2,05 м (72 слоя) и 18-сантиметровый цилиндр (28 слоёв). Кроме полиуретановой пены использовался более прочный цементоподобный раствор, состав которого не разглашается. Конструкция напоминает грубую башенку, которую мог бы вылепить ребёнок, а вблизи подобна плетёной корзине или ласточкиному гнезду.

Впоследствии авторы подготовили компьютерные симуляции, на основе которых шесть дронов смогли выстроить параболическую поверхность, напоминающую по форме напёрсток. Рой показал замечательный адаптивный потенциал — при искусственном увеличении роя до 10 машин‑строителей они сами оптимизировали траектории, избегая столкновений, а также вовремя приостанавливали работу, уступая место сканирующим роботам.

Более продвинутые проекты

Вышеописанная работа оживляет интерес к проектам по возведению мостов и эстакад без непосредственного участия человека. Подобные модели разрабатывались в рамках так называемой «параметрической архитектуры» в Лондонской ассоциации архитектуры и дизайна (AARDL) ещё в середине 2010-х. Рой дронов, способный одновременно анализировать не только меняющуюся геометрию возводимой конструкции, но и изменение погодных условий, в будущем может применяться для постройки мостов в труднодоступных местах. Прототип такого рода напоминает ячеистый жёлоб:

Такой мост мог бы использоваться для быстрой переброски лёгкого груза, в частности, колёсных роботов, а также подновляться или ремонтироваться тем же роем, который его построил. Подобные конструкции могут найти применение не только и не столько на Земле, сколько на Марсе или Титане, где гравитация значительно слабее земной, а любое строительство значительно безопаснее организовать в полностью роботизированном режиме.

В том же 2022 году американская компания Farsight предложила вариант применения 3D-печати с дронов в военных целях. В её проекте сканирующие дроны (группа из 4 машин) курсирует над полем боя или над местностью, где проводится разведка, одновременно передавая информацию о топографии и рельефе местности более крупному рою строительных дронов. Строительные дроны, находящиеся в безопасном месте (например, на командном пункте) воспроизводят модель полученного ландшафта, в особенности, возникшие на нём изменения. Так можно быстро и без риска для разведгрупп оценивать конфигурацию и размер возводимых инженерных и фортификационных сооружений. База для такой технологии уже подготовлена в рамках периферийных вычислений средствами Интернета Вещей (edge computing).

Заключение

Описанные проекты вписываются в более широкий контекст бионических исследований, интересный обзор которых около года назад сделал уважаемый @klimensky в статье «Какие сейчас есть микро-дроны и на что они способны». Эти удивительные результаты достижимы сегодня благодаря одновременному развитию распределённых и роевых вычислений, а также продолжающейся миниатюризации чипов с сохранением и даже улучшением их соединяемости в беспроводных сетях. Прямая аналогия такого роя с осиным наводит на мысль, что многие инновационные идеи просто лежат на поверхности. Они дожидаются того часа, пока на их реализацию хватит вычислительной мощности и найдётся инженер, который догадается, как алгоритмизировать очередной инстинкт.