一鍵批量蓋樓？麻省理工全新機器系統顛覆傳統建造思路

自從3D列印技術大火之後，各路奇才腦洞大開，紛紛嘗試將各種材料都用3D印表機列印個遍，在這其中，不僅僅包括人們在生活中常見的塑料、金屬和玻璃等傳統材料，甚至還有人用3D印表機來生產食物。

但近日，麻省理工學院的研究人員又一次賦予了3D列印技術新的使命，他們設計了一個全新的機械系統數字化建設平台（Digital Construction Platform，DCP），可以列印出整幢建築的基本的立體結構，這似乎意味著以後連房子都可以「列印」了。

圖 | 典型的3D列印

這項創新被發表於本周的科學雜誌《Science Robotics》上，論文由多人合作完成，其中包括麻省理工學院媒體實驗室Mediated Matter小組前成員，同時也領導了這項工作的Steven Keating、Mediated Matter小組助理研究員Julian Leland和Levi Cai以及Mediated Matter小組負責人、媒體藝術與科學小組助理教授Neri Oxman。

圖 | 該項目領導者Steven Keating

麻省理工學院的研究人員說，這種機械系統要比傳統的建築施工方式更加快速、廉價，最重要的是，房屋實現了完全的定製化，可以根據特定的場所和製造商的需求來進行「私人訂製」。

隨著工藝的不斷提升，即便日後建築的內部結構需要進行修改，這套系統也可以匹配出相應密度、強度等性能的施工材料來保障整體建築的最佳狀況。

視頻 | 3D列印試驗的全過程

最終，從這項新技術中受益的不只是施工人員，就連建築設計師也可以因為建造技術的升級而發揮更大的想像力，從而設計出更加前衛、新奇的建築。

這套系統的主體是一台履帶式車輛，其上裝配有一隻大型的工業機器臂，末端則是一隻十分小巧但異常精確的機器手，它們組合在一起被用來引導控制常規或非常規施工噴嘴進行精確澆築。

例如，最典型的應用場景就是澆築混凝土或噴塗絕緣材料，另外，在數字化的精確製造中，類似於銑頭這樣的末端執行器也在應用範圍之內。

圖 | 3D印表機器系統

與典型的3D列印設備最大的不同則是，它並非是一個封閉的結構，而是一個可以自由移動的系統，所以從理論上來講，它可以列印出任何尺寸的物品。為了驗證這一點，研究人員使用原型機列印出了一個直徑15米、3.6米高的環形牆體，而全程的製作時間也不過14個小時而已。

而為了使這套系統可以用於實際的施工之中，研究人員也是煞費苦心，在初步測試中，研究人員使用該系統製造出在混凝土結構施工中常見的泡沫絕緣框架。實驗證明，這種泡沫模具填充混凝土的施工方法與傳統的混凝土模板技術相似。

「所以，最後得出的結論就是該系統可以輕鬆適應現有的建築工地和設備，而且不需要為適應現有的建築規範而進行全新的評估。」Keating解釋說。

圖 | 3D列印環形建築

在設計的考量上，這套系統可以說是做到了極致，它甚至還配備了一個挖掘器，以便在不同的環境下就地取材，直接進行施工，最典型的例子就是挖掘泥土建造夯土建築。

不僅如此，這套系統還是以電為最基本的動力，可以使用太陽能電池板供電。這麼做可能會有悖常識，畢竟大部分的施工器械都是使用汽油或柴油來作為動力源。

然而，設計人員考慮到的卻是這套系統的機動性，使用電力的好處是方便了它在偏遠地區或震區等災區的快速部署，這些地方都是迫切需要馬上搭建起堅固可靠的房屋的。

但研究人員的描述至此並未結束，他們還有更加長遠的願景，「我們希望最終可以研發出完全自動化的智能系統，這樣一來，就可以把它們送到南極、月球甚至火星上去了，然後這些系統就可以使用當地的原材料開始施工了。」Keating說到。

但與此同時，Keating也表示：「我們當下也想馬上將其投入到實際應用之中去，這也是我們開發這個移動平台的目的，漸漸地，我們就可以把現代施工過程中最為關鍵的步驟用這套系統替換掉，」他說。「或許很快建築施工的工地上就會出現這套系統的身影了。」

圖 | 利用不同的材料都可以列印

「整個建築行業已經幾百年沒有發生大的變化了。」Keating說，「遵循著前輩的經驗，經過一代代的傳承，建築設計工作已經被嚴格的標準化限定住了，在普通人眼裡，建築工作就是使用鋸子和釘子把一種材料拼接起來的簡單活動，而事實似乎也的確如此。」

「我們需要改變，」Keating所設想的是，在未來每一個建築物都可以根據當地現場的環境數據進行個性化的設計。例如，建築物的支柱可以根據雷達的探測分析來進行合理的擺放；建築物的牆壁更是可以根據其所處的方位來進行不同的厚度設計，很典型的例子就是在北半球的高緯度地區，為了抵禦嚴寒，房屋的北牆都會被設計的非常的厚。

這套被稱為「數字化建設平台」系統的靈感來源於麻省理工學院媒體實驗室的Mediate Matter小組，該小組的一個宏偉的願景就是設計出不需要任何零構件的建築物。

按照這一思路，整個建築的結構、牆體和門窗等部件都必須在建造中一次成型，而且，在實際運用中，它還要適應多個設計和施工同時進行。

圖 | 利用該3D列印系統列印出MIT的標誌

「很顯然，從建築的角度來看，這套系統顛覆了傳統的建造思路，不僅牆壁、地板和窗戶等部件概念將不復存在，在DCP的影響下，一整個房屋就會是一個部件。」Oxman說。

而為了達成這一設計目標，全新的3D列印系統的噴嘴做到了可以在澆築過程中改變被澆注材料的密度，甚至還可以混合不同的材料。

在初始的測試案例中，這套系統就是首先列印出絕緣泡沫外殼，然後向其中澆築混凝土，這樣一來，裝飾材料可以直接設置在泡沫外牆表面了。

不僅如此，該系統甚至還可以創建出複雜的建築形狀和懸壁結構，同樣是在測試實驗中，管線都可以在混凝土澆注前就內置於泡沫外殼中，這極大地有利於保證牆體結構的完整。

同時，機械臂的靈敏度也是十分的高，它內置有溫度、光線等感測器，可以做到實時採集數據以便對建築結構作出調整。

圖 | 3D列印系統部件細節

Keating說，經過該團隊的驗證，這種施工方法的確可以做到比現有方法更快、更安全、成本更低。（建築行業屬於高危行業，但該系統需要較少的手動操作）。另外，由於可以根據需要進行形狀和厚度上的結構優化，也就免去了預製木材和其他材料的麻煩，總的建築用料也將會得到大大減少。

最後，Oxman還對這套系統的象徵意義進行了升華，「它可不僅僅是在工程上做到了更快、更好、更廉價。通過數字化的設計和製造手段，可以用單一結構達成多功能的目標，這一轉變本身就意味著從『機械時代』向『有機時代』的標誌性過渡。

以前的建造過程被視作標準化部件的拼接，而現在，建築成了一個有機體，它可以一點一點慢慢的生長，生物屬性無疑變得更強了。」

圖 | 利用3D列印改造世界

「也正因此，它對我來說已不僅僅是一台印表機了，」她說，「它代表著一種全新的思維方式，數字化製造和建築設計領域都將因此受益，而作為這次變革的先行者，我們所打造的這套系統也被寄予了更加深遠的使命，希望它可以在人類改造地球、乃至其他星球的過程中帶來更大的驚喜。」

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