可持续发展的自主建设：来自NASA3D打印人居挑战赛的经验教训

1972年12月11日下午，阿波罗17号登月舱降落在月球表面的金牛座-利特罗山谷。在接下来的三天里，宇航员尤金·塞尔南（Eugene Cernan）和哈里森·施密特（Harrison Schmitt）进行了三次月球漫步，每次超过七个小时，收集样本，读取读数并进行实验。在此期间，他们回到了登月舱，这是他们的大本营。该任务是阿波罗系列的最后一次，创造了许多记录，包括在月球行走上花费的最长时间和在月球上花费的最长时间。

为了更全面地探索月球和其他行星等天体，我们需要停留三天以上。这意味着为旅行的人们建立某种长期的栖息地。这是NASA工程师长期以来一直在思考的挑战，他们的目标是通过在人们到达之前找到一种建造栖息地的方法来解决。

美国宇航局的3D打印栖息地挑战赛是一项始于2016年的竞赛，要求来自工业界和学术界的团队不仅要设计一个结构，还要设计一个完整的自主外星建筑系统，特别是针对离地球最近的宜居行星火星。比赛分为多个阶段，第一阶段仅专注于设计，第二阶段专注于制造结构部件，第三个阶段于2019年完成，专注于三分之一比例模型的自主构建。

每个系统都需要：

• 是自主的，这意味着它可以在没有直接人类指导的情况下完成其功能。它不仅必须能够完成工作，还必须能够评估工作，了解不断变化的环境，并调整其计划以适应动态条件。换句话说，它必须知道自己的目标，但要适应以灵活的方式实现它，而无需人工干预。
• 使用现场发现的材料进行施工，即所谓的现场资源利用（ISRU）。将一公斤材料运送到月球的成本约为1200万美元 - 甚至更多到火星 - 因此从地球运输材料根本不可行。相反，团队需要找到使用火星上发现的高玄武岩土壤和其他材料进行建造的方法。
• 使用离网电源，主要意味着太阳能和地热选择，因为从地球采购燃料并不容易。

来自比赛的多个团队在欧特克大学主持了会议：

• AI SpaceFactory的联合创始人兼设计总监Michael Bentley主持了剧院讲座，使用可再生材料的3D打印：将课程从火星翻译成地球。
• 雅各布斯的Kurt Maldovan主持了剧院演讲，3D打印火星上的可居住结构为地球带来了新的可能性。
• 宾夕法尼亚州立大学的M. Naveen Kumar和Jose Duarte领导了课程，BIM在自治建设中的结合。

最终，AI SpaceFactory在比赛的第3阶段获得了最高荣誉，宾夕法尼亚州立大学获得亚军。归根结底，竞争与其说是获胜，不如说是推动创新。这些创新不仅可以应用于我们如何在其他星球上建造，还可以应用于我们如何在地球上建造。

“离网发电意味着更低的能源使用，”Bentley解释说。“自主施工将意味着减少工地上的浪费。就地资源利用意味着我们不必依赖混凝土和钢铁等污染严重的行业。

AI SpaceFactory的Michael Bentley在AU剧院展示了3D打印栖息地，该栖息地赢得了NASA的3D打印栖息地挑战赛。

可持续建筑的必要性

今天，地球人口为78亿，预计到2050年将接近100亿。麦肯锡全球研究所估计，到2025年，居住在城市的16亿人将难以找到合适的住房。为了满足需求，一些专家估计，未来20年我们需要建造与前2000栋房屋一样多的房屋。

问题出在哪里？根据建筑2030，建筑目前占全球温室气体排放量的11%。生产一吨波特兰水泥是当今最常用的一种，会产生半吨二氧化碳（C02），这是一种主要的温室气体。专家估计，建筑业负责垃圾填埋场30%或更多的材料。

简单地用当前的流程扩大生产规模也会在我们试图减少浪费和排放时扩大浪费和排放。我们需要找到新的建设方式，不损害我们的环境和居住在这里的社区。我们可以向NASA竞赛寻求如何更可持续地建造的创新想法。

将学习带回地球

竞赛中的每个团队都开发了自己的方法来解决自主建筑的挑战，结合了硬件、软件、传感器、人工智能和本地采购的材料。在非盟领导会议的三个团队没有使用混凝土，而是使用了可以从垃圾填埋场回收的塑料：例如，NASA Swamp Works选择了PETG，这是最常用于水瓶的那种。

雅各布斯是一家全球工程和建筑服务公司，几十年来一直为美国宇航局马歇尔太空飞行中心提供工程支持。在他的非盟剧院演讲中，雅各布斯的数字工程负责人Kurt Maldovan分享了他们为NASA挑战开发的自动化添加剂系统如何比传统的建筑工艺“更安全，产生更少的废物，需要更少的人员”。根据Maldovan的说法，根据定义，添加剂技术可以减少60-90%的建筑垃圾，并且可以将建造计划压缩80%，从五天缩短到一天。

他们开发的系统，他们称之为远征结构自动建造（ACES），虽然不是完全自主的，但打印速度为每分钟500英寸，并将对建筑材料的需求减少了一半，从5吨减少到2.5吨。与美国军方的几个部门共同开发的相关系统使只有四个人的快速部署小组能够在40小时内建造一个500平方英尺的结构;使用以前的系统，十人团队需要五天时间。同一系统也可以在救灾中发挥重要作用。

建筑转型

在建筑转型方面，关于可持续性的教训可能是最大的价值。AI SpaceFactory 3D的获胜系统打印了一种名为MARSHA（火星栖息地的缩写）的圆柱形结构，该结构由粉碎的玄武岩风化层和PLA塑料（一种可以由玉米或甘蔗制成的生物聚合物）的组合制成。根据Bentley的说法，这使得它“既可回收又可堆肥”。“所以《玛莎》一下来，我们就决定把它磨碎，在纽约市附近重印，作为泰拉——玛莎的地上表亲。

地面版本非常节能 - 仅用了7，200千瓦时即可建成。为PLA材料种植植物可以从环境中吸收8.5吨碳。使用由回收来源制成的PLA使用7，500磅的塑料废物。

宾利称之为“一种从摇篮到摇篮的新建筑和施工方法。你可以种植这种材料，用它打印栖息地，多次回收，然后最终将材料放入工业堆肥机中，并将其恢复为生物质。他称之为“在地球上建造的新方式”。

到火星和返回

1972年12月14日，宇航员塞尔南和施密特从月球表面升空，重新加入阿波罗17号飞船。四天后，他们回到了地球。这次任务取得了成功，是阿波罗太空计划许多科学和工程成就的高潮。这也是人类最后一次踏上月球——或者地球以外的任何行星。

美国宇航局的阿尔忒弥斯计划旨在到2024年将人类送回月球。从那里，美国宇航局的科学家正在研究将我们带到火星的计划，在那里漫游车已经在绘制火星地图。这些任务可以告诉我们更多关于我们的太阳系，我们的宇宙，以及其他星球上生命的可能性。在NASA3D打印人居挑战赛期间开发的系统在实现这种可能性方面还有很长的路要走。

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但载人火星任务充其量是几十年之后的事。在那之前，我们的重点仍然是地球上发生的事情。NASA挑战赛竞争对手采用的方法和流程可能不是您在下一个建筑项目中采用的方法和流程，但自主建筑技术正在上市，从可以在动态建筑工地导航以执行激光扫描等任务的四足机器人到可以从BIM在混凝土板上打印墙壁布局的自主机器人。 模型。在未来的几年和几十年里，这些创新和其他类似的创新可能会成为重要的策略，以更快地满足不断增长的全球需求，同时减少负面影响。

“增材制造技术有可能彻底改变我们在地球上的建筑方式，”曾在NASA Swamp Works系统上工作的Autodesk高级研究科学家Massimiliano Moruzzi说。“如果我们能够重新利用塑料污染，并利用现成的自然资源来机器人打印其他星球上的房屋，我们就可以用同样的方法可持续地建造街道、人行道、游乐场，甚至在家里建造建筑物。

迈克尔·本特利（Michael Bentley）认为NASA竞赛的结果可能是一个转折点。“我们无法进入太空，”他谈到他的团队和他们的设计时说。“但是我们能够非常仔细地思考在这种极端环境中在另一个星球上建造意味着什么。我们意识到，我们在黑客挑战中学到的经验教训可能有助于我们如何以更可持续和负责任的方式在地球上进行建设。