在城市发展日新月异,城市建设如火如荼的今天,很多人都在绞尽脑汁地寻找更快更好地盖房子的方法。人们发现,今天的建筑设计已经实现了数字化,可以借助电脑软件建立3D模型,全方位立体地设计和展示各种形态的设计方案,但是绝大多数时候,我们的施工方法还停留在传统的按照二维图纸施工的阶段。为了解决这个问题,科学家尝试在机器人身上寻找答案。
说到盖房子的工人,大家首先想到的肯定是砌砖的工人,也就是俗称的“泥瓦匠”。科学家也设计出了可以完成砌砖工作的“机器人泥瓦匠”。和一般的泥瓦匠不同的是,“机器人泥瓦匠”可以读取3D的房屋设计方案,如果是非常不规则的建筑形体,他还可以根据方案分析和定制每一个特殊形状的砌块,然后把它们完美可靠地安装到位。
这种“机器人泥瓦匠”可以比人类更加高效准确地完成建造,还可以应对各种不规则的复杂形体的建筑,让更多看似异想天开的设计成为可能。
有了“泥瓦匠”还不够,目前我们常用的技能建造不规则形态,又能保证结构坚固的建造方式还有钢筋混凝土现浇。但是常规的浇筑需要先搭建模板,不仅不要使用大量的模板,而且不规则形态的模板搭建也是一个难题。
这一款叫做In situ Fabricator (简称IF)的“机器人钢筋工”就解决了这个问题。它可以自动弯折、剪切、焊接铁丝,形成一个比较致密的铁丝网结构。这个结构代替了模板,成为混凝土现浇的模具和骨架。因为它比较致密,并且有抗拉的力学性能,所以它既有混凝土模板的作用,也有混凝土里面钢筋的作用,混凝土刚好可以从钢丝网的缝隙处漏出一点点,然后在后期表面处理的时候把钢丝网包裹在里面,可谓一举两得。
仅仅是让机器人做砌砖和编钢筋的工作还远远不能满足人类的需求。既然我们实现了把数字化模型直接打印成实物的3D打印技术,为什么不用这个技术来“打印”房子呢?于是科学家们又倒腾出了一种超大号的3D打印建筑机器人。这个机器人叫做数字化建造平台(Digital Construction Platform 简称DCP),它带有一个液压驱动的可以自由伸缩和移动的机械臂,可以搭载太阳能光电板,或者使用电源或电池。
它的自身体积不大,可以被安装在各种不同的环境和场地中,而且它非常灵活,机械臂的工作半径可达10米以上,可以胜任各种复杂形体的建筑建造工作。
它的另一个好处是,可以根据输入的3D模型,自动打印输出,不需要人来控制。想象一下,工人把机器拖到施工现场,安装就位,然后输入今天需要打印的模型,按一下“开始”,就可以回家吃饭啦!等吃完饭,天色渐晚,再回去检查一下成果,“打完收工!”嗯,其实也不一定需要收工,只要有电,人家还可以通宵达旦地工作呢!
为了测试机器,科学家用聚氨酯泡沫打印了一个直径14.6米,高3.7米的拱形结构,只用13.5个小时。
液体聚氨酯泡沫从机器臂的前端喷出以后,会迅速膨胀和硬化,是一种很好的“建筑打印”材料。拱形结构的墙体被打印成了中空结构,里面还可以添加钢筋、灌注混凝土,使之成为一个坚固的、永久性的建筑结构。即使在不灌注混凝土的情况下,墙体也已经有了一定的强度,足以承载一个成年人站在上面。而聚氨酯泡沫也可以起到很好的保温隔热作用。
这么厉害的盖房机器人,会不会又抢了人类的工作?
其实我们日常生活中的大多数房屋并不需要这样的机器人来建造,使用常规的建造技术足矣。目前这样的建筑机器人还有许多局限性,比如这台数字化建造平台的工作效果,就会受到天气的影响。在空气湿度太大导致结露以后,打印材料会发生粘接不牢而脱落的现象。而且一台机器244,500美元(折合人民币约168万)的造价也并不便宜。
虽然科学家经过计算,得出了机器人盖房子比较便宜的结论,但是注意,他们是在人工费比较高昂的西方发达国家,换到人工费低廉的发展中国家,帐就不能这么算了……
这样的建筑机器人的优势在于,一方面可以实现比较复杂扭曲的建筑形体的精确和快速建造,比较好的完成设计师原本的设计理念。另一方面可以进入一些比较危险或者人类无法到达的地区进行建造,只要有太阳,它们就可以工作,而且使用清洁能源,有益于节能减排。
科学家已经设想了几种将来有可能的建筑机器人工作场景。说不定在不久的将来,机器人会把房子盖到火星上去呢!