MIT全新机器系统颠覆传统建筑思路

自从3D打印技术大火之后，各路奇才脑洞大开，纷纷尝试将各种材料都用3D打印机打印个遍，在这其中，不仅仅包括人们在生活中常见的塑料、金属和玻璃等传统材料，甚至还有人用3D打印机来生产食物。

但近日，麻省理工学院的研究人员又一次赋予了3D打印技术新的使命，他们设计了一个全新的机械系统数字化建设平台（Digital Construction Platform，DCP），可以打印出整幢建筑的基本的立体结构，这似乎意味着以后连房子都可以“打印”了。



这项创新被发表于本周的科学杂志《Science Robotics》上，论文由多人合作完成，其中包括麻省理工学院媒体实验室Mediated Matter小组前成员，同时也领导了这项工作的Steven Keating、Mediated Matter小组助理研究员Julian Leland和Levi Cai以及Mediated Matter小组负责人、媒体艺术与科学小组助理教授Neri Oxman。



麻省理工学院的研究人员说，这种机械系统要比传统的建筑施工方式更加快速、廉价，最重要的是，房屋实现了完全的定制化，可以根据特定的场所和制造商的需求来进行“私人订制”。随着工艺的不断提升，即便日后建筑的内部结构需要进行修改，这套系统也可以匹配出相应密度、强度等性能的施工材料来保障整体建筑的最佳状况。



最终，从这项新技术中受益的不只是施工人员，就连建筑设计师也可以因为建造技术的升级而发挥更大的想象力，从而设计出更加前卫、新奇的建筑。这套系统的主体是一台履带式车辆，其上装配有一只大型的工业机器臂，末端则是一只十分小巧但异常精确的机器手，它们组合在一起被用来引导控制常规或非常规施工喷嘴进行精确浇筑。

例如，最典型的应用场景就是浇筑混凝土或喷涂绝缘材料，另外，在数字化的精确制造中，类似于铣头这样的末端执行器也在应用范围之内。



与典型的3D打印设备最大的不同则是，它并非是一个封闭的结构，而是一个可以自由移动的系统，所以从理论上来讲，它可以打印出任何尺寸的物品。为了验证这一点，研究人员使用原型机打印出了一个直径15米、3.6米高的环形墙体，而全程的制作时间也不过14个小时而已。

而为了使这套系统可以用于实际的施工之中，研究人员也是煞费苦心，在初步测试中，研究人员使用该系统制造出在混凝土结构施工中常见的泡沫绝缘框架。实验证明，这种泡沫模具填充混凝土的施工方法与传统的混凝土模板技术相似。

“所以，最后得出的结论就是该系统可以轻松适应现有的建筑工地和设备，而且不需要为适应现有的建筑规范而进行全新的评估。”Keating解释说。

在设计的考量上，这套系统可以说是做到了极致，它甚至还配备了一个挖掘器，以便在不同的环境下就地取材，直接进行施工，最典型的例子就是挖掘泥土建造夯土建筑。不仅如此，这套系统还是以电为最基本的动力，可以使用太阳能电池板供电。这么做可能会有悖常识，毕竟大部分的施工器械都是使用汽油或柴油来作为动力源。

然而，设计人员考虑到的却是这套系统的机动性，使用电力的好处是方便了它在偏远地区或震区等灾区的快速部署，这些地方都是迫切需要马上搭建起坚固可靠的房屋的。

但研究人员的描述至此并未结束，他们还有更加长远的愿景，“我们希望最终可以研发出完全自动化的智能系统，这样一来，就可以把它们送到南极、月球甚至火星上去了，然后这些系统就可以使用当地的原材料开始施工了。”Keating说到。

但与此同时，Keating也表示：“我们当下也想马上将其投入到实际应用之中去，这也是我们开发这个移动平台的目的，渐渐地，我们就可以把现代施工过程中最为关键的步骤用这套系统替换掉，”他说。“或许很快建筑施工的工地上就会出现这套系统的身影了。”



“整个建筑行业已经几百年没有发生大的变化了。”Keating说，“遵循着前辈的经验，经过一代代的传承，建筑设计工作已经被严格的标准化限定住了，在普通人眼里，建筑工作就是使用锯子和钉子把一种材料拼接起来的简单活动，而事实似乎也的确如此。”

“我们需要改变，”Keating所设想的是，在未来每一个建筑物都可以根据当地现场的环境数据进行个性化的设计。例如，建筑物的支柱可以根据雷达的探测分析来进行合理的摆放；建筑物的墙壁更是可以根据其所处的方位来进行不同的厚度设计，很典型的例子就是在北半球的高纬度地区，为了抵御严寒，房屋的北墙都会被设计的非常的厚。

这套被称为“数字化建设平台”系统的灵感来源于麻省理工学院媒体实验室的Mediate Matter小组，该小组的一个宏伟的愿景就是设计出不需要任何零构件的建筑物。按照这一思路，整个建筑的结构、墙体和门窗等部件都必须在建造中一次成型，而且，在实际运用中，它还要适应多个设计和施工同时进行。



“很显然，从建筑的角度来看，这套系统颠覆了传统的建造思路，不仅墙壁、地板和窗户等部件概念将不复存在，在DCP的影响下，一整个房屋就会是一个部件。”Oxman说。而为了达成这一设计目标，全新的3D打印系统的喷嘴做到了可以在浇筑过程中改变被浇注材料的密度，甚至还可以混合不同的材料。

在初始的测试案例中，这套系统就是首先打印出绝缘泡沫外壳，然后向其中浇筑混凝土，这样一来，装饰材料可以直接设置在泡沫外墙表面了。不仅如此，该系统甚至还可以创建出复杂的建筑形状和悬壁结构，同样是在测试实验中，管线都可以在混凝土浇注前就内置于泡沫外壳中，这极大地有利于保证墙体结构的完整。

同时，机械臂的灵敏度也是十分的高，它内置有温度、光线等传感器，可以做到实时采集数据以便对建筑结构作出调整。



Keating说，经过该团队的验证，这种施工方法的确可以做到比现有方法更快、更安全、成本更低。（建筑行业属于高危行业，但该系统需要较少的手动操作）。另外，由于可以根据需要进行形状和厚度上的结构优化，也就免去了预制木材和其他材料的麻烦，总的建筑用料也将会得到大大减少。

最后，Oxman还对这套系统的象征意义进行了升华，“它可不仅仅是在工程上做到了更快、更好、更廉价。通过数字化的设计和制造手段，可以用单一结构达成多功能的目标，这一转变本身就意味着从‘机械时代’向‘有机时代’的标志性过渡。

以前的建造过程被视作标准化部件的拼接，而现在，建筑成了一个有机体，它可以一点一点慢慢的生长，生物属性无疑变得更强了。”



“也正因此，它对我来说已不仅仅是一台打印机了，”她说，“它代表着一种全新的思维方式，数字化制造和建筑设计领域都将因此受益，而作为这次变革的先行者，我们所打造的这套系统也被寄予了更加深远的使命，希望它可以在人类改造地球、乃至其他星球的过程中带来更大的惊喜。”