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  • 科普中国
  • 海洋灾害之首 风暴潮 作者： 2022/09/22 11:26
  • “秋老虎”接棒“伏热”，江南夏秋连旱形势不乐观 最近一段时间，南方的高温又出了不少，但这“秋老虎”的出现并不出意外。（相关预测可参阅《盛夏高温迎来最后的疯狂》）从9月5日开始南方各地高温开始在长江中下游各地陆续出现了，从高温日数看，江南和华南北部最显著，特别是湖南，过去20天，大部地区出现了10天以上35℃的高温。8月31日以来全国高温日数8月31日以来全国最高气温实况相比而言江北的高温很短暂，湖北高温日数少于4天。但最高气温也都冲上了37℃，不过没有40℃以上的区域。从8月下到9月上的高温，为什么中间只经历了一周多的空挡，“伏热”就变性“秋老虎”了呢？经典说法用季节进程来解读，可以很简单的归结为出了三伏天（今年8月25日出伏）了，后面的热就是秋老虎；或者说6-8月是夏季，9月开始就是秋季。这没有问题，季节的转换意义正在于此。但在预报员眼中，两种高温的差异却不仅仅如此，而是有更多的意义。“秋老虎”与“伏热”在气象上的本质不同预报员眼中的天气与大众眼中的天气有一个最大的不同，就是它不仅包括了大众感知到的天气要素（比如说温度、湿度、云雨、能见度等），还包括了大众不知道的，造成这些天气要素的大气环流形势。天气要素方面，如果单从气温的角度，两者几乎没有差异，都是高温嘛。即便今年伏热因为极端性而比秋老虎气温高了很多，但也不足以区分两者。虽然最高气温不足以区分伏热与秋老虎，但实际上气温的日变化是可以区分的：伏热晚上也热，而秋老虎晚上就凉快很多了。另外，区分伏热和秋老虎的主要天气要素是湿度。简单说就是：伏热是闷/湿热，秋老虎是干热。以今年秋老虎最显著的湖南为例，选择其中最高气温与伏热天最接近的两天8月27日与9月5日（最高气温都在37-38℃左右）做个对比：2022年8月27日15时气温（红字）与相对湿度（白字）2022年9月5日15时气温（红字）与相对湿度（白字）伏热的8月27日相对湿度40%左右，而秋老虎的9月5日时20%左右。实际上，8月27日湖南40%左右的湿度并不算很大，是不太典型的伏热了，即便如此也比秋老虎要闷热许多。造成这种湿度差异的原因是控制两者的气团性质不同：伏热天实际上是海洋性气团控制，秋老虎是大陆性气团控制。传统上，前者来经常被说成是暖湿气流，后者来则是冷空气。可是这样一来，岂非就是：冷空气带来秋老虎高温天气？本质上其实确实如此，因为冷空气入侵并南下远去后就是高空下沉进而晴空日晒的天气，合适的情况干热的秋老虎就形成了。关于季风、气团的干湿冷暖属性其实是蛮复杂的，用最简单的概念来阐述就是：对于我国而言，大陆气团影响时，以低空的西北或东北风的冷空气形式为代表，干冷是主属性；而海洋气团控制时，以西南或东南夏季风的形式出现，暖湿是主属性。了解了这个，从下图展示的低空风就可以对于伏热和秋老虎的本质区别一目了然了。8月27日20时（左）和9月5日20时（右）850hPa风场（约1500米高度）上述海洋大陆两种气团的属性描述实际只在冬季成立，其它季节并不严格成立。比如说在夏季，在中低纬度，大陆气团是干热而海洋气团是冷湿的。在季节转换时自然更复杂。所以可以出现“冷空气造成秋老虎”的情况，这个问题比较复杂，因为牵涉到冷空气的变性，冷空气控制下的晴空日晒，冷空气控制下的下沉增温等多种因素，就不展开说了。但不管怎么说，如果抛开温度谈湿度，那么大陆气团的干和海洋气团的湿就是绝对准确的了，所以，综上，干湿的差异就是伏热与秋老虎的本质差异。正因为干，所以下面的问题就很突出了。江南地区夏秋连旱形势不乐观形势一直如气象部门在8月就做出的预测那样发展，伏热高温的结束没有中断南方的气象干旱，而秋老虎的到来又使得形势更加严峻。中央气象台从8月18日首次发布今年的干旱预警以来，已经连续发了一个月。下图是昨日下午发布的气象干旱监测图：2022年9月20日全国气象干旱监测图（国家气候中心）气象干旱持续一个多月，农业干旱形势也不好：2022年9月20日全国气象干旱监测图（国家气象中心）中央气象台给出的农业气象预测与建议是：“未来10天，江淮、江南等地大部降雨依然稀少，降雨量一般不足10毫米，部分地区农业干旱将持续或发展；江南中南部、华南等地部分地区多35～37℃高温天气，对晚稻孕穗抽穗略有不利。”“长江中下游地区仍要立足防旱抗旱，科学调度水源，抓住时机做好人工增雨工作，确保农业生产用水；及时收获已成熟一季稻、棉花等秋收作物，并适时开展油菜播种育苗工作。西南地区要抓住降雨间隙加快秋收进度，注意通风储存、防止发芽霉变，并做好油菜播种等秋种工作。江南和华南晚稻产区要做好晚稻田间水肥管理和病虫害监测防治工作，采用以水调温、增施磷、钾肥等措施，促进晚稻生长发育。”2022年9月20日至29日农业气象关注重点（国家气象中心）虽然今天江南的秋老虎暂时南压下去到华南了，但是预计9月下旬江南地区总体仍然是少雨的，而且下旬中后期还会再来一波秋老虎高温。此外，根据国家气候中心的预测，10月上中旬的上述气象干旱的大部区域依然是气温偏高和降水偏少的区域。国家气候中心2022年9月19日发布的气候预测公报综上，可以明确一点：未来的一个月，以江南地区为主的气象干旱区域，旱情仍将持续且可能进一步发展。 作者： 2022/09/22 11:22
  • 生病了吃什么好？这个最常问的问题，今天有答案了！ 关于饮食，我们提倡要均衡，但对于常见的一些身体疾患，很多人最常问的其中一个问题就是“我吃什么好？”的确，除了药物，有一些食物能起到很好的帮助作用，今天就为您介绍那些具有“良效”的食物。分享到：             作者： 2022/09/22 11:21
  • 一副眼镜最多能戴几年？ 说起眼镜，很多人对它的使用期限没有概念。有些人一两年换一次，有些人好多年换一次，有些人只要不坏根本想不起来更换眼镜这回事。那么，眼镜到底需要多长时间更换更合理？用久的眼镜会不会影响视力呢？眼镜也有使用期限很多人认为，眼镜又不是食品药品，不存在使用期限。其实，相对其他物品，眼镜更是一种易损耗物品。首先，眼镜每日与我们朝夕相处，用久了镜架容易发生松动或变形；其次，镜片容易出现发黄、划痕、裂纹等磨损；再则，随着近视度数增长，旧眼镜无法正确矫正当下的视力。随之而来的影响也很多。如镜架变形，影响佩戴的舒适性；镜片磨损，容易因光线散色导致看东西不清楚，引起视力下降；而得不到正确矫正的视力，尤其是处于身体发育期的青少年，长期配戴模糊的眼镜，眼底视网膜会因为接收不到清晰物像的刺激，加速近视发展。眼镜多长时间更换通常来讲，如果出现眼睛度数加深，或镜片磨损、眼镜变形等情况，都需要及时更换镜片或镜框。青少年儿童：建议半年到一年更换一次镜片。青少年儿童处于生长发育期，日常学业负担重，近距离用眼需求大，近视度数容易加深。所以，18岁以下的孩子，应每半年进行一次视光检查，如果度数变化较大，或眼镜磨损严重，就要及时换镜。成年人：建议一年半更换一次镜片。一般而言，成年人的近视度数相对稳定，但并不代表一定不会变化。建议成年人每年进行至少一次视光检查，一是了解自己的眼部健康和视力情况，二是检查眼镜的磨损情况，并结合日常用眼环境及习惯，综合评判是否更换。如何延长眼镜保质期1、用双手摘、戴眼镜，放置桌上时将镜片凸面向上；2、经常检查眼镜框上的螺丝是否松动或镜框变形，出现问题及时调校；3、不要用眼镜布干擦镜片，建议使用眼镜专用洗剂或中性洗剂清洗；4、勿置于太阳直射或高温环境中，避免损伤镜片光学功能。温馨提示每个人的具体情况不一样，复查和更换眼镜的条件也不一样。专家建议：配镜后要定期保养和检查眼镜，有问题要及时更换，保证始终处于良好的学习和工作状态。 作者： 2022/09/22 11:19
  • 全国科普日 | 《小厕所 大世界》 今天将带领大家一起领略小小厕所里的大世界一个土坑两块板，三尺土墙围四边接下来，将是一次重口味的知识狂奔请一起走进科学！中华文明悠悠五千年在很长的一段时间里都是和农耕文明交互交织而提到农耕文明，我们不得不提到厕所因为“庄稼一枝花，全靠粪当家”无论是“来也匆匆，去也冲冲”的厕所标语还是“厕所里的石头又臭又硬”的乡间俚语无不折射了厕所之于人类的重要空间下面一组脑洞大开的厕所标识送给大家以备不时之需关于厕所从来都不缺乏奇闻趣谈比如高跟鞋的发明有人说是为了骑马打仗也有人说是为了弥补路易十四的身高更有人说为了避免出门上街踩屎这些都已无从考证但是可以确定的是我国古代的晋景公是被粪坑淹死日本有一门专门的学科叫“厕所学”如此种种关于厕所你真的会用吗？比如，冲马桶的时候你是否会记得盖上盖子？否则以气溶胶形式存在的粪便细菌将充斥你的整个厕所时间都去哪儿了？据有关统计人的一生大约有3年的时间在厕所度过而厕所更是男人的天堂因此，如果你深爱他/她就请为他/她建造一个现代化的舒适厕所吧未来会怎样？随着现代智能化的高速发展我们可以肯定的是未来将颠覆你的想象让我们拭目以待新中国成立以来我们国家花大力气进行了厕所改造直至2014年厕所革命将农村厕所改造推上了快车道随着“厕所革命”的推进我们国家农村厕所的改造呈现了百家争鸣之势但是万变不离其宗都是在探寻节水和粪尿资源回收的并举之路近年来随着乡村振兴战略的提出我们国家越来越重视美丽乡村建设基于此，我们研发了一种新型的生态厕所并且，取得了广泛的社会赞誉稻花香里说丰年，研究厕所乐无边小小厕所四四方，底座坚固要用钢反复试验漏洞多，一代产品费波折二代产品细打磨，首要承重记心窝一个娃娃不够多，两个娃娃往上搁红外感应除臭气，轴流风机往外吸粪箱尿箱分两边，资源回收进农田全景天窗真神气，冬暖夏凉看星际 大作用小设计，造福一方出份力！虽然关于厕所的研究没有诗和远方但它属于人民的向往因此，我们的研究将一直在路上! 作者： 2022/09/22 11:19
  • 毅力号发现大量有机物，火星生命即将露面？科学家将要揭晓真相 近日，国际知名的《新科学家》杂志网站报道，毅力号探测器在火星上发现了大量有机分子。有机分子是生命组成的最基本含碳分子，由此科学家们认为火星存在生命的可能性越来越大。一石激起千层浪，人类已经寻找地外生命数十年，搜遍了整个太阳系，火星的探索也历经几十年，发射了数十艘探测飞船，六辆火星车在火星地表耕耘了二十多年，一直连一根地外生命之毛都没有发现，现在这根生命之毛就要出现了？毅力号真有这么大本事？它是一辆怎样的火星车，到达火星快到600天了，到底做了些什么？让我们一起来了解一下。毅力号是有史以来最厉害的火星车毅力号是NASA（美国航空航天局简称）派往火星的第五辆火星车，最早是1997年发射的Sojourner，被称为索杰纳号，意译为旅居者号；其后先后发射成功了勇气号、机遇号、好奇号，现在除了2012年发射的好奇号还在工作，其余火星车都已经退休了。从这些火星车的名字来看，NASA对火星的探索孜孜不倦，并充满着激情和信心。从最开始的“旅居”，到“勇气”倍增，再到希望和“机遇”并存，进一步“好奇”，到现在坚持的“毅力”，是步步为营，不断推进的。现在的毅力号是在好奇号基础上的增强版，配备了更先进的科学载荷，堪称史上最强火星车。与以往火星车最大的不同的是，这次毅力号带去了一架直升机，叫Ingenuity，昵称机智号，质量只有1.8千克，悬挂在毅力号肚子下面着陆。这是人类在地外星球首次采用空气动力学的飞行器，依靠火星上只有地球1%密度的稀薄大气飞行，开创了在地外行星上飞行的先例。毅力号还有几个新突破：是有史以来最重的火星车，质量高达1025千克；首次在外星球采用“空中起重机”方式震撼着陆，并传回了登陆图像；搭载有七组科学载荷，被誉为一个功能强大的实验室；配备了23台摄录成像设备，其中工程相机9台、科学相机7台、降落着陆相机7台。毅力号登陆火星一年七个月，创造的奇迹一个接一个：拍摄传回了最壮观的火星表面高清图像，像素高达25亿（上图）；首次记录到火星声音，并测得火星音速为240米每秒，约为地球音速的70%；利用火星稀薄的二氧化碳大气，制造出了可供人类呼吸的氧气；首次拍摄到了火星日食画面，并传回了图像。日前传回的数据表明，毅力号通过对火星沉积岩的钻探和分析，发现了大量含有芳族化学物的复杂有机分子，正试图叩开火星生命之门。毅力号的任务是承前启后，探索火星生命毅力号的任务是承前启后，在过去发射的4组火星车探索发现基础上，主要以探索火星是否存在生命为重点。在此之前，经过几十年各种火星探测器和火星车的探测发现，已经基本确定了：火星上有水，但以地下和极地的冰冻水状态存在；有以二氧化碳为主，密度不到地球1%的稀薄大气；火星表面远古时期曾经有过大海和河流等等。火星由于距离太阳更远，因此比地球寒冷；火星黄赤倾角为24度，与地球23.44度极为接近，因此也有一年四季；火星自转一周约24.6小时，一个火星日与一个地球日相近；火星公转一周约687天，约为地球两年；火星有两颗卫星，即火卫一和火卫二。因此，火星被认为是在太阳系与地球环境最为接近的行星，是未来人类移民外星球的首选星球。但由于火星距离太阳比地球远，且个头比地球小，又有着许多与地球不一样的环境：首先，那里没有可供人类呼吸的空气；由于没有足够的大气层和地磁保护，火星地表广受太阳和星际高能辐射的侵袭；火星气温温差达到160摄氏度，冬季夜晚最低气温可达-133摄氏度，夏季白天赤道最高气温可达27摄氏度。在这样一种条件下，火星上的生命还能存在吗，人类未来移民火星的可行性如何？这是人类一直想弄清楚的问题，毅力号就背负着人类这个期望，前往火星，将穷尽自己一生，争取给人类一个比以往更清晰的答案。由此，它在火星主要做好两件事：首先，通过考察火星古老环境和岩石样本，了解火星远古气候特征，是否存在过宜居环境，揭示其地址变化过程，搜寻可能存在的生物信号；第二，利用火星上的自然资源，试验制造出人类登陆火星所需的氧气和燃料，探索人类登陆火星的可行性。毅力号不负众望，在一个叫斯金纳山脊的区域沉积岩中发现了大量有机物，并把分析数据传回了地球。NASA科学部门负责人托马斯·祖布臣认为：在沉积区域采集的这些样本，有助于解释火星是否存在生命这一核心问题。科学家们普遍认为，虽然这些物质不是生命的标志，但却意味着科学家们找对了地方，这些富含硫酸盐和黏土的岩石，能够很好地保存生物特征。这些物质，有可能是数十亿年前由流水从数百公里外带过来的。那么，这是否意味着生命即将被发现呢？下这个结论似乎还为时过早。NASA和欧空局的专家们表示，2026年会再次向火星发射两艘无人飞船，其中一艘于2028年在火星登陆，并与毅力号会合接收采集到的样品，随后将样品发射到火星轨道，交给在轨道等待的另一艘飞船。后者在收到样品后返航，2031年将样品送到科学家手中。这将是人类首次从火星往返，是人类登陆火星的前奏，到时又是一出大戏。科学家们通过对火星采集的样品进行精细的分析和研究，或许能够得到火星上到底存不存在生命的证据和推论。由此看来，要解开火星生命之谜还任重道远。不过，毅力号依然在行动，或许更多的发现会接踵而来。现在，毅力号不但发现了生命可能存在的线索，还利用带去的一个约半个微波炉大小的装置~MOXIE，采集火星稀薄的二氧化碳大气，每小时可制造出了10克氧气。虽然很少，只能供一个人呼吸20分钟，但却是一个惊天突破，它宣告了未来人类登陆火星完全可以在火星上制取可供呼吸的氧气。下一步，还要利用火星具有的冰冻水，制造出可供饮用的水，并且利用水里的氢氧元素，制造出可供飞船利用的能源~甲烷。这正是马斯克Space X公司的星舰不采用地球上很多的其他化学燃料，而采用甲烷为燃料的原因。一心想将人类送上火星的马斯克，早就准备好了利用火星资源制造往返的燃料了。毅力号已经在火星上孤独的工作快600天了，它的设计寿命只有1个火星年，也就是687天。那么毅力号就要寿终正寝了吗？我想不会的，因为它的前辈们实际寿命都远远大于设计寿命。如勇气号和机遇号设计寿命都是90天，结果分别干了7年和15年；好奇号设计寿命为1.88个火星年，结果从2012年登陆火星，至今仍在任劳任怨地工作着。有这么多前辈榜样的激励，相信毅力号会更有“毅力”。现在火星上除了毅力号，还有好奇号和我国祝融号在默默为人类工作，让我们借此机会，衷心祝愿这些人类AI朋友，工作顺利，健康长寿！各位有什么看法，欢迎讨论点评。时空通讯原创版权，请勿侵权抄袭，感谢理解支持。 作者： 2022/09/22 11:16
  • 长漫 | 三十而立正青春！回顾30载中国载人航天高光时刻 作者： 2022/09/22 11:14
  • 槟榔禁售，仅仅是因为致癌吗？？ 近日，“浙江义乌要求商家下架槟榔”一事，被炒得沸沸扬扬，引起广大网友热议。对此，义乌市市场监督管理局相关人士对媒体表示：“我们没有接到在全市下架槟榔的说法，而是要把槟榔当作‘槟榔制品’来销售，不得按照食品来销售。且要分区域售卖，槟榔不能跟食品混在一起售卖。有的网友就说了，那么多人喜欢吃槟榔，为什么要对槟榔进行监管呢？其实，槟榔不仅是著名的致癌物，是世卫组织列出的一级致癌物之一；还有一点就是——槟榔的成瘾性。今天就来和大家聊聊槟榔！01，槟榔的致癌性这一点是有数据支撑的，口腔癌的发病率在槟榔流行的国家和地区中往往名列前茅。比如印度是槟榔最大消费国，口腔癌发病率世界第一。巴布新几内亚是第二。中国台湾地区口腔癌发病率也非常高。在我国主要种植于海南、云南、福建和台湾。无论是中外，各项数据都支持这一统计学结果，即槟榔和口腔癌相关度极高，是口腔癌的显著风险因素.槟榔之所以致癌，主要有以下几方面因素1，反复咀嚼。槟榔需要反复咀嚼，所以往往会造成口腔表皮脱落，增加罹患癌症的风险2，槟榔碱。槟榔碱是槟榔的重要生物成分，这种成分会引导人体氧化损伤，从而导致口腔黏膜下纤维化病变继而诱发口腔癌。3，槟榔添加成分。不少时候槟榔会添加一些其他成分，比如石灰。这是因为新鲜槟榔味道苦涩，所以直接吃的话口感不太好，加入生石灰可以增加槟榔的味道。但是这种成分在口腔同样是强刺激物。这些因素叠加起来，就导致在嚼槟榔的时候反复对口腔产生伤害，最终成为口腔癌发生的诱因。02，槟榔的成瘾性槟榔的成瘾性是非常值得关注的一个事情，许多人嚼槟榔会出现成瘾现象，这一点在相关的统计数据中也得到了证实。关于槟榔的成瘾目前有不少研究，认为主要可能有两种因素。1，槟榔碱槟榔碱是槟榔中的重要成分，本身可能引发癌症发生，而槟榔碱的成瘾性不容低估。研究发现，槟榔碱是经典的非选择性毒蕈碱 (M) 受体激动剂，具有拟胆碱反应。而胆碱，是人体重要的神经递质，我们的神经兴奋传递就是和这东西有关。因此许多和胆碱有关的化学成分一定程度上有成瘾的可能性。像槟榔碱这种能够产生拟胆碱反应的成分，能够刺激中枢神经和自主神经系统产生愉悦、舒适的感觉，这也就有了成瘾的可能性。2，槟榔次碱。槟榔次碱是槟榔中的另一主要活性成分。这种成分是M受体激动剂，另外它还可以结合脑部的γ－氨基丁酸受体抑制的生理作用，阻断GABA的神经抑制作用。结果就是同样让机体产生愉悦。而这两种成分叠加，就会导致槟榔的成瘾性条件具备了。03，槟榔禁售问题综上所述，槟榔禁售似乎也在意料之中！当然，禁售槟榔这个行为，还是要徐徐图之。毕竟槟榔也是一个很大的产业链，涉及到了槟榔种植户，槟榔生产商和销售商，因此也是许多人的生计来源，这种情况下，如果直接禁掉，会造成许多人的生计受影响，那么就不大好了。我觉得对于槟榔产业，要慢慢来，逐步地过渡，最终让槟榔从业者能够寻找到新的生活渠道。 作者： 2022/09/22 11:11
  • 【可视化】9月21日为何对中国航空事业如此重要？ 作者： 2022/09/22 11:10
  • 无人机“建筑师”问世，半小时“盖”2米，或成未来火星建造者？ 在贪婪改造地球的同时，人类的火星梦也愈发强烈。自 20 世纪 60 年代以来，人类已经对火星实施了 40 余次探测任务，但至今也没有将任何一个人送上火星。今年 3 月，被寄予厚望的马斯克声称，希望在 2029 年将人类送上火星。（此前的计划时间分别为 2025 年和 2026 年。）然而，即使人类最终能够登上火星，稀薄的大气、寒冷的气候和漫天的沙尘等恶劣环境，也使得人类很难在火星表面长时间活动和作业，比如在火星极端条件下建造人类居住、活动场所等。今天，来自伦敦帝国理工学院（Imperial College London）、瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）的研究团队及其合作者，为未来的火星建造提供了一种新的可能——他们受蜜蜂启发提出了一种新型建造方法，即利用无人机在飞行中建造 3D 打印结构，帮助人类在地球内（外）的任何地方建造任意建筑。图｜火星建造概念图。（来源：研究团队）据介绍，这些 3D 打印无人机群由 BuilDrone（建造无人机）和 ScanDrone（扫描无人机）组成，前者在飞行过程中将建筑材料放置在建筑物表面，后者则主要承担质量控制任务，在飞行中测量前者的施工情况，并给出下一个施工建议。最重要的是，这些无人机“建筑师”可以在人类监管下集群自行建造 3D 结构。这一重磅成果，于今日以封面文章的形式发表在最新一期的 Nature 杂志上。图｜最新一期 Nature 封面。（来源：Nature）对此，论文通讯作者、伦敦帝国理工学院空中机器人实验室主任、Empa 机器人材料与技术中心负责人 Mirko Kovac 教授表示，“我们的解决方案是可扩展的，未来可以帮助我们在人类难以到达的地区（危险地区、极高处或有自然灾害风险的偏远地区）建造和修复建筑物。”建筑师，要无所不及当前，建筑构件的组装和自由形式的连续增材制造（additive manufacturing，AM），已被用于建筑的现场建造，因为相比于人类建筑人员，它们的安全问题更少，且生产力更高。与基于组装的方法相比，自由形式的连续增材制造能够实现几何可变设计的灵活生产，从而进一步提高材料利用率并降低成本。目前，用于现场施工的大型自由形式增材制造方法主要使用地面机器人和门式起重机系统。然而，这些技术需要将机器人硬件的尺寸扩大到比预期的制造围护结构更大的尺寸，这就使得并行操作变得困难，也会给建筑点的人和其他机器带来危险。此外，由于这些大型系统需要直接连接到电源，它们很难在偏远、难以到达的环境中完成检查、维修或制造等工作，而且在这些环境中运输或安装大型基础设施也是不可实现的。图｜北极。（来源：Pixabay）作为大型单机器人系统的替代方法，小型移动机器人团队具备更大的灵活性和可扩展性，可以构建比单个机器人本身更大的几何形状，同时具有在多个建筑点高效、并行地自适应分布的潜力。然而，使用机器人团队进行建筑的研究还处于发展的早期探索阶段，当前主要集中在建筑构件的组装上。此外，目前的多机器人增材制造方法主要使用移动地面机器人车辆，操作高度有限。而且这些移动系统同样受平台规模、最大建筑围护结构、并行制造能力和可访问性等诸多因素的限制。但是，与目前的人工机器人系统相比，自然界中的“建筑师”（比如蜜蜂、白蚁和家燕等）却可以在飞行中建造巢穴，表现得非常灵活。（来源：Pixabay）例如，一只燕子为搭建自己的巢穴，可以克服自身有限的载荷能力，在建筑材料来源处和未来巢穴点之间往返 1200 次；而白蚁、黄蜂等群居昆虫，则表现出了更强的适应性和灵活性。特别是，由蜂群完成的空中建造展示了高效和直接的路径优化，在整个建造过程中降低了对先前建筑结构的依赖和限制。特别是，由蜂群完成的空中建造展示了高效和直接的路径优化，在建造过程中降低了对先前建筑结构的依赖和限制。受这些自然系统的启发，Kovac 团队及其合作者提出了一种名为“空中增材制造（Aerial-AM）”的集体建造新方法，使用不受束缚的移动机器人网络作为一个多主体系统来运行。相比于传统方法，Aerial-AM（下图虚线框内）可以在人类难以到达的地点以不受区域限制的方式进行并行制造。图｜不同增材制造机器人平台的比较，红色向蓝色的渐变表示建造规模、灵活性和可访问性的改进。（来源：该论文）无人机群根据预设程序系统工作，在飞行中完成建造任务。它们在飞行时是完全自主的，但受人类控制者监控。控制者根据无人机提供的信息检查建造进度，并在必要时进行干预。29分钟，2.05米高据论文描述，Aerial-AM 使用 3D 打印技术和路径规划框架来帮助无人机在建造过程中适应结构的几何变化。无人机使用泡沫和水泥样材料建造了概念验证的圆柱体，在整个建造过程中，实时评估打印的几何图形，并调整其行为，以确保符合制造规格，建造精度达到了 5 毫米（在英国建筑要求中是可接受的）。图｜利用 Aerial-AM 方法的增量制造原理，可以通过部署多个 BuilDrone 来建造更大的结构。其中，概念验证圆柱体包括一个使用聚氨酯泡沫材料 3D 打印出的 2.05 米高圆柱体（72 层），以及一个使用定制设计的结构胶凝材料建造的 18 厘米高圆柱体（28 层）。图｜无人机 ScanDrone（小）、BuilDrone（大）和 3D 打印的泡沫结构，BuilDrone 打印 1 层需要 24 秒，打印 72 层共计耗费 29 分钟。（来源：研究团队）作为一种自主的、可扩展的、灵活的增材制造方法，Aerial-AM 可适应几何类型、规模和机器人数量的变化。使用 BuilDrone 进行材料沉积，使用 ScanDrone 对打印结构进行环内定性评估，对 2.05 米高的高圆筒进行打印，证明了 Aerial-AM 方法制造大尺寸几何图形的能力。此外，其他制造试验证明，Aerial-AM 具有精度高（5 毫米位置误差）、并行能力强等特点，可以有效地打印各种几何结构。虽然这些实验成功验证了 Aerial-AM 的可行性，但它们只是探索使用空中机器人进行建筑的潜力的第一步。要想使用此次研究提出的方法实现建筑几何结构的全面制造，需要机器人技术和材料科学方面取得重大进展。特别是，支撑材料的沉积、活性材料的固化以及多机器人之间的任务共享，有待进一步取得突破。图｜森林建造概念图。（来源：研究团队）同时，结构有效的几何结构的设计和工程，以及打印几何结构行为的系统分析，仍然需要进一步的研究。为了使研究成果走出实验室，研究团队计划在未来为 Aerial-AM 增加一个多传感器同步定位和测绘（SLAM）系统与差分全球定位系统（GPS），从而提供一个高精度的户外定位服务。同时，建筑规模的增大需要材料和电池补给在未来实现自动化；也需要新的分析方法，来进一步评估分布式制造相对于制造对象的规模和所使用的机器人平台的效率。尽管如此，该研究提出的系统实现了自动 Aerial-AM 的概念验证，并可能会为使用集体多机器人增材制造系统完成建造提供基础。未来，Aerial-AM 或将成为支撑偏远地区住房和重要基础设施建设的替代手段。在这些地区，全球变暖、自然灾害和恶劣气候频发，使得现有建筑方法遭遇了前所未有的挑战。在接下来的工作中，为进一步验证这一解决方案，研究团队将与建筑公司合作，继续探索这一方案的建造和修复能力。最后，一起欣赏下这些“建筑师”们的劳动成果吧。 作者： 2022/09/22 11:09
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