原標題:你以為畢業後還能去搬磚?別做夢了,機器人已經連房子都會蓋啦

作者:萬麗

編輯:明天

你以為畢業後還能去搬磚?別做夢了,機器人已經連房子都會蓋啦

機器人可以定製和砌築不規則體型的建築砌塊。圖片來源:參考文獻[1]

從設計到施工

在城市發展日新月異,城市建設如火如荼的今天,很多人都在絞盡腦汁地尋找更快更好地蓋房子的方法。人們發現,今天我們的建築設計已經實現了數字化,可以藉助電腦軟體建立3D模型,全方位立體地設計和展示各種形態的設計方案,但是絕大多數時候,我們的施工方法還停留在傳統的按照二維圖紙施工的階段。為了解決這個問題,科學家嘗試機器人身上尋找答案。

機器人的「泥瓦匠」和「鋼筋工」

說到蓋房子的工人,大家首先想到的肯定是砌磚的工人,也就是俗稱的「泥瓦匠」。科學家也設計出了可以完成砌磚工作的「機器人泥瓦匠」。和一般的泥瓦匠不同的是,「機器人泥瓦匠」可以讀取3D的房屋設計方案,如果是非常不規則的建築形體,他還可以根據方案分析和定製每一個特殊形狀的砌塊,然後把它們完美可靠地安裝到位。這種「機器人泥瓦匠」可以比人類更加高效準確地完成建造,還可以應對各種不規則的複雜形體的建築,讓更多看似異想天開的設計成為可能

有了「泥瓦匠」還不夠,目前我們常用的技能建造不規則形態,又能保證結構堅固的建造方式還有鋼筋混凝土現澆。但是常規的澆築需要先搭建模板,不僅不要使用大量的模板,而且不規則形態的模板搭建也是一個難題。這一款叫做In situ Fabricator (簡稱IF)的「機器人鋼筋工」就解決了這個問題。它可以自動彎折、剪切、焊接鐵絲,形成一個比較緻密的鐵絲網結構。這個結構代替了模板,成為混凝土現澆的模具和骨架。因為它比較緻密,並且有抗拉的力學性能,所以它既有混凝土模板的作用,也有混凝土裡面鋼筋的作用,混凝土剛好可以從鋼絲網的縫隙處漏出一點點,然後在後期表面處理的時候把鋼絲網包裹在裡面,可謂一舉兩得。

你以為畢業後還能去搬磚?別做夢了,機器人已經連房子都會蓋啦

IF機器人正在編織鋼絲網。圖片來源:參考文獻[2]

把房子3D列印出來

僅僅是讓機器人做砌磚和編鋼筋的工作還遠遠不能滿足人類的需(ye)求(xin)。既然我們實現了把數字化模型直接列印成實物的3D列印技術,為什麼不用這個技術來「列印」房子呢?於是科學家們又倒騰出了一種超大號的3D列印建築機器人。

這個機器人叫做數字化建造平台(Digital Construction Platform 簡稱DCP),它帶有一個液壓驅動的可以自由伸縮和移動的機械臂,可以搭載太陽能光電板,或者使用電源或電池。它的自身體積不大,可以被安裝在各種不同的環境和場地中,而且它但是非常靈活,機械臂的工作半徑可達10米以上,可以勝任各種複雜形體的建築建造工作。

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房子的3D印表機:數字化建造平台。圖片來源:參考文獻[3]

它的另一個好處是,可以根據輸入的3D模型,自動列印輸出,不需要人來控制。想象一下,工人把機器拖到施工現場,安裝就位,然後輸入今天需要列印的模型,按一下「開始」,就可以回家吃飯啦!等吃完飯,天色漸晚,再回去檢查一下成果,「打完收工!」嗯,其實也不一定需要收工,只要有電,人家還可以通宵達旦地工作呢!

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機械手臂花式炫技:看我左手右手一個慢動作!圖片來源:參考文獻[3]

為了測試機器,科學家用聚氨酯泡沫列印了一個直徑14.6米,高3.7米的拱形結構,只用13.5個小時。液體聚氨酯泡沫從機器臂的前端噴出以後,會迅速膨脹和硬化,是一種很好的「建築列印」材料。拱形結構的牆體被列印成了中空結構,裡面還可以添加鋼筋、灌注混凝土,使之成為一個堅固的、永久性的建築結構。即使在不灌注混凝土的情況下,牆體也已經有了一定的強度,足以承載一個成年人站在上面。而聚氨酯泡沫也可以起到很好的保溫隔熱作用。

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數字化建造平台「列印」出來的拱形結構。圖片來源:參考文獻[3]

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「列印」出來的牆體是中空的,如果需要的話,還可以做色彩的變化。圖片來源:參考文獻[3]

機器人又一次讓人類丟了工作?

這麼厲害的蓋房機器人,會不會又搶了人類的工作?其實我們日常生活中的大多數房屋並不需要這樣的機器人來建造,使用常規的建造技術足矣。目前這樣的建築機器人還有許多局限性,比如這台數字化建造平台的工作效果,就會受到天氣的影響。在空氣濕度太大導致結露以後,列印材料會發生粘接不牢而脫落的現象。而且一台機器244,500美元(摺合人民幣約168萬)的造價也並不便宜。雖然科學家經過計算,得出了機器人蓋房子比較便宜的結論,但是注意,他們是在人工費比較高昂的西方發達國家,換到人工費低廉的發展中國家,帳就不能這麼算了……

你以為畢業後還能去搬磚?別做夢了,機器人已經連房子都會蓋啦

哎呀,有露水,整岔劈了……圖片來源:參考文獻[3]

這樣的建築機器人的優勢在於,一方面可以實現比較複雜扭曲的建築形體的精確和快速建造,比較好的完成設計師原本的設計理念。另一方面可以進入一些比較危險或者人類無法到達的地區進行建造,只要有太陽,它們就可以工作,而且使用清潔能源,有益於節能減排。

科學家已經設想了幾種將來有可能的建築機器人工作場景。說不定在不久的將來,機器人會把房子蓋到火星上去呢!

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未來的工作場景1:數字化建造平台和「機器人鋼筋工」的完美合作。圖片來源:參考文獻[3]

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未來的工作場景2:數字化建造平台在寒冷地區「列印」冰屋。圖片來源:參考文獻[3]

你以為畢業後還能去搬磚?別做夢了,機器人已經連房子都會蓋啦未來的工作場景3:用沙子做原料列印分形結構,以便沉入海中幫助珊瑚礁的生長。圖片來源:參考文獻[3]

這些設想裡面我最喜歡的第三個,它向我們傳達了一種資訊:機器人不僅可以幫人類蓋房子,也可以幫珊瑚蟲蓋房子。也許將來機器人還會在更多領域走入我們的生活,希望不管是機器人的設計者還是使用者都能明白,使用機器的目的是幫助我們完成高難度但是很有必要的工作,幫助我們減輕人類活動對環境造成的負面影響,幫助我們實現更多創造性的工作,讓不同階層的人更體面更有尊嚴地生活,保護我們免於危險,激發我們的人性和愛。如果不是這樣,我寧願步子走得慢一點,再花點時間想一想。

說到底,技術這把雙刃劍,總是掌握在人類這個還很不成熟的孩子手中啊!

作者名片

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排版:曉嵐

題圖來源:參考文獻[3]

參考文獻:

[1] Yang, G. Z. (2017). Digital architecture and robotic construction.

[2] Loveridge, R., Coray, T. (2017). Robots on construction sites: The potential and challenges of on-site digital fabrication. Science Robotics, 2(5), eaan3674.

[3] Keating, S. J., Leland, J. C., Cai, L., Oxman, N. (2017). Toward site-specific and self-sufficient robotic fabrication on architectural scales. Science Robotics, 2(5), eaam8986.

[4] Pawar, V. M., Stuart-Smith, R., Scully, P. (2017). Toward autonomous architecture: The convergence of digital design, robotics, and the built environment. Science Robotics, 2(5), eaan3686.

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