美國陸軍與阿肯色大學(xué)聯(lián)合開發(fā)用于救災(zāi)結(jié)構(gòu)的建筑 3D 打印技術(shù)

2023年3月19日，南極熊獲悉，美國陸軍和阿肯色大學(xué) (U of A)簽署了一份價值 350 萬美元的合同，以開發(fā)用于救災(zāi)的建筑 3D 打印技術(shù)，也稱增材建造 (AC)技術(shù)。阿肯色大學(xué)土木工程系的Michelle Barry副教授、Cameron Murray助理教授和機(jī)械工程系的Wenchao Zhou副教授將一起開展這項研究，他的初創(chuàng)公司AMBOTS將參與該項目中軟件編程方面的工作。

事實上，350 萬美元的附屬資金只是美國陸軍工程師研發(fā)中心向Applied Research Associates (ARA) 提供的 1200 萬美元更大獎勵的一部分。ARA 是一家總部位于新墨西哥州的研究和工程公司，該公司開展AC技術(shù)的研究是為了探索救災(zāi)部隊在災(zāi)難現(xiàn)場使用當(dāng)?shù)夭牧?3D 打印水平建設(shè)項目（例如，涵洞、T 型墻和澤西路障）的可行性。

△澤西島上的路障

阿肯色大學(xué)團(tuán)隊將確定增材建造的最佳設(shè)計模式和可用的本地材料。此外，他們還將為要在現(xiàn)場部署的移動機(jī)器人創(chuàng)建代碼，以創(chuàng)建這些結(jié)構(gòu)。在接下來的兩年里，該團(tuán)隊將開發(fā)建筑原型，資金將用于購買一臺大幅面 3D 打印機(jī)和用于土壤和混凝土表征的其他設(shè)備。

使用本地材料

阿肯色大學(xué)顆粒材料研究實驗室的 Barry 將探索新的材料結(jié)構(gòu)和幾何配置，以實現(xiàn)最佳性能和效率。提出的概念包括仿生結(jié)構(gòu)，例如蜂窩圖案，旨在減少材料，同時優(yōu)化強(qiáng)度。

△Murray與美國陸軍一起參與了其他混凝土測試研究。圖片由阿肯色大學(xué)提供

Barry還將與專門研究混凝土的默里一起記錄和研究各種本土土壤與混凝土混合的能力，分析由此產(chǎn)生的成分并對用這些材料制成的物體進(jìn)行大規(guī)模測試。假設(shè)救災(zāi)部隊能夠使用當(dāng)?shù)夭牧纤�開發(fā)的混凝土材料和機(jī)器人3D 打印技術(shù)，而不是長距離運(yùn)輸水泥和骨料，可以減少成本、時間和環(huán)境影響。

Barry 說：“幾千年來，人類一直在使用土壤進(jìn)行建筑，但 3D 打印土壤使我們能夠以全新且令人興奮的方式使用土壤。我們可以在救災(zāi)區(qū)建造建筑物或道路，在那里您只需引入一件設(shè)備，因為您可能無法引入其他建筑材料。如果當(dāng)?shù)氐耐寥烙杏�，你就暫時用它們打印，人們得到庇護(hù)，一旦不需要，它就會溶解回原來的外觀�！�

用于建筑 3D 打印的 Swarm機(jī)器人

除了共同創(chuàng)立專注于群體機(jī)器人制造的 AMBOTS 之外，Zhou 還是亞利桑那大學(xué)先進(jìn)制造、建模和材料實驗室的主任。Zhou 將負(fù)責(zé)確保結(jié)構(gòu)的 CAD 文件正確無誤翻譯成機(jī)器代碼，供多臺機(jī)器協(xié)作 3D 打印各種材料。出于這個原因，AMBOTS 將領(lǐng)導(dǎo)機(jī)器人的軟件開發(fā)，這些機(jī)器人將被設(shè)計為獨立工作并相互協(xié)作，以適應(yīng)不同的組合。

△T 形墻運(yùn)往阿富汗的 KAF 大院。圖片由美國陸軍工程兵團(tuán)和 Karla Marshall 提供。

Zhou 說：“我們很高興有機(jī)會與ARA 合作，并利用他們的行業(yè)知識和經(jīng)驗來開發(fā)尖端的 3D 打印能力，這筆贈款將使我們能夠投資于研發(fā)，推動我們的群體 3D 打印技術(shù)的創(chuàng)新，并為建筑和其他行業(yè)的未來開啟新的可能性�！�

APA 是這個項目中一個有趣的合作伙伴，因為它已經(jīng)參與了基礎(chǔ)設(shè)施和國家安全。這包括“地面交通研究和開發(fā)、路面工程和測試、路面標(biāo)記服務(wù)、交通資產(chǎn)管理、交通監(jiān)控、巖土工程解決方案、風(fēng)險管理、政策和規(guī)劃、道路安全、自治以及創(chuàng)新培訓(xùn)解決方案和技術(shù)部署�！� 至于國家安全，該公司表示：“我們的根源始于 1979 年的軍事支持，模擬和分析武器效果并開發(fā)新的武器系統(tǒng)以提高我們部隊的技術(shù)優(yōu)勢。以建模和仿真為核心，ARA 已經(jīng)發(fā)展成為開發(fā)保護(hù)設(shè)施、提高作戰(zhàn)人員效能的公司�！�

△3D 打印和增材建造的趨勢

建筑3D打印涵洞結(jié)構(gòu)

阿肯色大學(xué)的項目也展示了建筑3D打印這一方向未來將是主流的技術(shù)趨勢。墨西哥混凝土巨頭 CEMEX 曾開發(fā)出一種專有混凝土配方，可以將當(dāng)?shù)氐墓橇虾退�泥用�?3D 打印結(jié)構(gòu)，正如 COBOD 最近的 AC 項目所證明的那樣。同時，WASP 專注于主要使用本土土壤和粘土來建造其空調(diào)結(jié)構(gòu)。鑒于全球水泥行業(yè)的碳足跡，以及整體資源日益稀缺，向當(dāng)?shù)赝粱�建筑材料的轉(zhuǎn)變是自然而然的。

我們還看到增材制造協(xié)作機(jī)器人的使用率有所下降。盡管公開使用它的公司數(shù)量很少，但我們只能想象，隨著用于材料擠壓和線弧增材制造的工業(yè)機(jī)械臂的快速增加，毫無疑問，它們最終將被整合到一個工廠或協(xié)作環(huán)境。

到目前為止，AMBOTS 是少數(shù)展示將協(xié)作機(jī)器人用于 3D 打印并結(jié)合更廣泛的制造技術(shù)的企業(yè)之一。另一個是 DivergentTechnologies，其制造單元尚未公開展示，但它依靠工業(yè)機(jī)械臂來組裝復(fù)雜的零件，這些零件是使用 SLMSolutions 的 12 激光 NXGXII 金屬 3D 打印機(jī)進(jìn)行 3D 打印的。該項目將為 AMBOTS 提供一個展示其大型機(jī)器人技術(shù)的機(jī)會。

用于基礎(chǔ)設(shè)施彈性的建筑 3D 打印

隨著全球變暖導(dǎo)致更多的極端天氣事件，快速應(yīng)對自然災(zāi)害情況的需求也將增加。在這種情況下，可以想象到美國陸軍工程兵團(tuán)將裝滿工業(yè)機(jī)器人手臂的集裝箱部署到災(zāi)難現(xiàn)場，以修復(fù)由颶風(fēng)破壞的海防工事。同樣的技術(shù)可以用于海外沖突地區(qū)，在崎嶇地形上建造基地。

到那時，AMBOTS 開發(fā)的程序可以移植到現(xiàn)場可能需要的其他機(jī)器人，例如材料運(yùn)輸或移動巡邏單元。事實上，這家初創(chuàng)公司甚至可以根據(jù)工程團(tuán)隊的需要在該地點制造新的機(jī)器人。畢竟，它之前的一個項目是看到一群機(jī)器人建造了一輛汽車，然后把它開出了迷你工廠車間。

增材建造技術(shù)有望成為在整個城市的關(guān)鍵點修復(fù)或建造彈性基礎(chǔ)設(shè)施的理想技術(shù)。正如3DPrint.com 宏觀分析師 Matt Kremenetsky 指出的那樣，國防部正在成為負(fù)責(zé)管理與加強(qiáng)供應(yīng)鏈相關(guān)的項目的部門，這是一個包括氣候適應(yīng)能力的總體概念。