工程師和建筑師最期待的10大未來(lái)建筑技術(shù)

  最早期的人類(lèi)居所由太陽(yáng)下烤干的泥和稻草做成的磚建造的。而最早用混凝土的是古羅馬人，他們把石灰和火山巖混合建造出萬(wàn)神殿這樣巍峨壯觀(guān)的建筑。萬(wàn)神殿至今都有世界上最大的無(wú)筋混凝土圓頂。

  在過(guò)去的幾個(gè)世紀(jì)里，工程師和建筑師們一直革新材料采用如鋼梁、抗震地基和玻璃幕墻等材料推陳出新構(gòu)建出了更高、更牢固和更漂亮的作品。

  但建筑技術(shù)的未來(lái)是什么？會(huì)有一天混凝土地基上的裂縫奇跡般地自我修復(fù)嗎？加油站會(huì)被自充電的道路上奔跑的電動(dòng)汽車(chē)取而代之嗎？

  接下來(lái)將列出在不久的將來(lái)會(huì)振奮人心的十項(xiàng)建筑創(chuàng)新，其中部分甚至已在今天有所應(yīng)用。

  Top 10 自修復(fù)混凝土

  如果混凝土可以自我修復(fù)，市政將節(jié)省很大開(kāi)支。

  混凝土是世界上最廣泛使用的建筑材料。事實(shí)上,它是水之后地球上第二大消費(fèi)品。試想一下我們每年有多少的混凝土住宅、辦公樓、教堂和橋梁建成呀?；炷劣辛畠r(jià)和廣泛適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn),但也容易開(kāi)裂，在極熱和極冷環(huán)境下抗壓性能會(huì)惡化。

  過(guò)去修復(fù)有裂縫的混凝土的唯一途徑就是修補(bǔ)它、加強(qiáng)它,或者把它敲下來(lái)從頭開(kāi)始。但以后將不需在這樣了。2010年, 羅德島大學(xué)的研究生和化學(xué)工程教授創(chuàng)建了一種新型“智能”混凝土，可以“智能”修復(fù)自身的裂縫。這是因?yàn)榛炷粱旌衔镏星度肓宋⑿退Ａz囊。當(dāng)裂紋產(chǎn)生時(shí),膠囊破裂并釋放一種凝膠狀愈合劑,變硬填補(bǔ)空隙，實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)。

  這不是自修復(fù)混凝土的唯一修復(fù)方法。其他研究人員利用細(xì)菌或嵌入玻璃毛細(xì)管或聚合物微膠囊達(dá)到類(lèi)似的效果。然而, 羅得島大學(xué)的研究人員認(rèn)為他們的方法是最劃算的。

  延長(zhǎng)混凝土的壽命能帶來(lái)巨大的環(huán)境效益。目前世界范圍內(nèi)的混凝土生產(chǎn)占全球二氧化碳排放的5%。智能混凝土不僅會(huì)使我們的結(jié)構(gòu)更安全，也可以減少溫室氣體的排放。

  Top 9 碳納米管

  碳納米管具有比地球上其它任何材料都高的比強(qiáng)度,可以拉伸超過(guò)厚度的一百萬(wàn)倍。

  一納米(nm)只有一米的十億分之一，這是微乎其微的小。一張紙的厚度是100,000 nm。人的指甲的生長(zhǎng)速度大約1 nm每秒。即使人的DNA鏈也只是2.5 nm寬。這樣看來(lái)構(gòu)造“納米”級(jí)的材料似乎是不可能的。但科學(xué)家和工程師通過(guò)使用電子束光刻技術(shù)等尖端技術(shù)，已經(jīng)成功的創(chuàng)造出壁厚只有1 nm的碳納米管。

  當(dāng)大的粒子變小時(shí)，其比表面積在不斷增加。這些碳納米管具有比地球上其它任何材料都高的比強(qiáng)度,可以拉伸超過(guò)厚度的一百萬(wàn)倍。碳納米管的質(zhì)量之輕和強(qiáng)度之高,使它們可以嵌入到其他金屬、混凝土、木材和玻璃等建筑材料中來(lái)增加材料密度和抗拉強(qiáng)度。工程師們甚至嘗試在建筑材料加入納米傳感器,這樣可以在材料破裂和開(kāi)裂之前監(jiān)測(cè)出來(lái)。

  Top 8 透明鋁材

  透明鋁材可以需要更小的內(nèi)部支撐來(lái)建造高聳的玻璃幕墻摩天大樓。

  幾十年來(lái),化學(xué)工程師夢(mèng)寐以求一種結(jié)合了金屬的強(qiáng)度和耐久性的與玻璃般透亮的材料。這樣一種“透明金屬”可以在內(nèi)部支撐更少時(shí)來(lái)建造高聳的玻璃幕墻摩天大樓。軍事建筑可以安裝這種薄而透明的金屬窗戶(hù)經(jīng)受起最高級(jí)的炮火的攻擊。想象一下用這種材料建造出的巨大的水族館會(huì)是一幅怎樣的景象!

  早在1980年代,科學(xué)家們就開(kāi)始試驗(yàn)一種新型由鋁、氧和氮混合粉體制得的陶瓷。陶瓷經(jīng)過(guò)熱處理和冷卻的過(guò)程得到的硬度很高的晶體材料。他們將混合鋁粉置于巨大的壓力之下, 在2000 ℃(3632 F)高溫加熱數(shù)天,最后拋光生產(chǎn)出透明如玻璃一般又兼具鋁的強(qiáng)度的新材料。這種被認(rèn)為是透明鋁材或者ALON的太空材料已經(jīng)用于軍隊(duì)生產(chǎn)裝甲窗戶(hù)和光學(xué)透鏡。

[Page]

  Top 7 透水混凝土

  較大顆粒和缺砂透水瀝青 (如圖所示)產(chǎn)生很多相互聯(lián)通的空隙,允許水通過(guò)地表,可以減少雨水徑流。

  當(dāng)暴風(fēng)雨襲來(lái)，會(huì)有成片的雨水落下來(lái)，澆落到馬路、便道和停車(chē)場(chǎng)上，沖刷起大地表面的碎屑和污染物，把汽油這些潛在危險(xiǎn)化學(xué)品直接沖到下水道和溪流中。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)已經(jīng)確認(rèn)城市地區(qū)的雨水徑流是水質(zhì)污染主要來(lái)源。

  自然有自己的方式,從雨水中過(guò)濾有毒物質(zhì)。土壤是一個(gè)巨大的過(guò)濾器濾掉金屬和其他無(wú)機(jī)物質(zhì)。隨著雨水的向下滲透穿過(guò)土壤層，微生物和植物根系吸收了過(guò)量的化學(xué)物質(zhì)(來(lái)源:ESA)。了解這點(diǎn)后,工程師們創(chuàng)造出了一種新型的透水混凝土，它可以使雨水透過(guò)道路進(jìn)入土壤,讓大自然做它的過(guò)濾工作。

  透水混凝土由較大顆粒的巖石和沙子組成，使道路中有15至35%的開(kāi)放空隙。透水混凝土的石板鋪設(shè)在礫石或其他多孔基材之上,這樣雨水會(huì)流入下面的土壤中。透水混凝土是停車(chē)場(chǎng)上瀝青的一個(gè)很好的替代品。它不僅可以顯著減少?gòu)搅?其淺顏調(diào)還可以反射陽(yáng)光，在夏天保持涼爽。

  Top 6 氣凝膠隔熱材料

  放在櫻花上的氣凝膠碳海綿，它比氦氣還輕，卻可以吸收自重250-900倍的油。

  如果米開(kāi)朗基羅著名的大理石雕像大衛(wèi)是由氣凝膠構(gòu)成的話(huà),它將只有4磅(2公斤)!氣凝膠是地球上最低密度的物質(zhì)之一，是一種泡沫狀固體材料，盡管幾乎輕如空氣確保有固定形狀。有的氣凝膠的密度只有空氣的三倍，但通常氣凝膠是空氣的15倍重。

  你可能會(huì)認(rèn)為凝膠是如發(fā)膠一般濕濕的物質(zhì)。實(shí)際上氣凝膠是通過(guò)排除凝膠中的液體制得的。除去99%到90%的空氣以外，剩下的只是二氧化硅結(jié)構(gòu)。氣凝膠是幾乎沒(méi)有重量,但是可以拉長(zhǎng)成薄片氣凝膠織物。在建設(shè)項(xiàng)目中,氣凝膠織物具有“超強(qiáng)隔熱”的特性。其多孔結(jié)構(gòu)使熱量很難通過(guò)。測(cè)試表明氣凝膠織物的隔熱能力是傳統(tǒng)的玻璃纖維或泡沫絕緣材料的兩到四倍。一旦價(jià)格適中,它就可以廣泛應(yīng)用于建筑。

  Top 5 溫控反應(yīng)瓷磚

  由于桌子具有溫度控制表面，當(dāng)熱的東西放在桌子上面時(shí)，桌面就會(huì)變色。

  只要你是生活在1991年,你就很可能擁有一件超色T恤( Hypercolor)。利用一個(gè)叫熱致變色染料的科學(xué)奇跡，Hypercolor的設(shè)計(jì)師制出可以根據(jù)體溫改變顏色的T恤。廣告中這T恤衫看起來(lái)超級(jí)酷和性感：你的女朋友會(huì)把她熱的手放在你的胸部,留下一個(gè)發(fā)光的標(biāo)志。但在現(xiàn)實(shí)中你的身體最熱的部分通常是你的腋窩。發(fā)光的腋窩可不那么超級(jí)性感。

  如今,一家公司生產(chǎn)著一種玻璃裝飾瓷磚，瓷磚表面涂覆一種熱致變色染料，可以像“活著”一般隨表面溫度發(fā)生變化。在室溫下,瓷磚是一個(gè)光滑的黑色，但當(dāng)你接觸到瓷磚或者有光直射或溫水接觸時(shí)，瓷磚顏色就像北極光一樣轉(zhuǎn)變成彩虹般的藍(lán)色、綠色和粉紅色。最酷的應(yīng)用一定是變色浴室了。對(duì)于移動(dòng)顏色公司的好消息是房子可沒(méi)有令人尷尬的腋窩……

  Top 4 機(jī)器人群體建筑

  2014年在芝加哥美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)的會(huì)議上哈佛大學(xué)人工智能學(xué)術(shù)研究員 Kirstin Petersen 演示了受白蟻啟發(fā)而開(kāi)發(fā)的機(jī)器人。

  自然界最巧妙的建筑者之一是不起眼的白蟻。它用只有沙子一般大小的大腦,與成千上萬(wàn)的同胞們一起工作建立起龐大復(fù)雜的泥巴結(jié)構(gòu)。白蟻引起了哈佛大學(xué)機(jī)器人研究人員的注意，因?yàn)檫@種昆蟲(chóng)并不是聽(tīng)取來(lái)自蟻穴中央的命令，每個(gè)白蟻只是根據(jù)基因程序規(guī)定的行為工作。這一群專(zhuān)一的個(gè)體在一起創(chuàng)造出了不朽的“泥塑”作品。

  受到白蟻啟發(fā),哈佛大學(xué)自組織系統(tǒng)研究小組的研究人員組建了小型建筑機(jī)器人群體進(jìn)行工作。四輪機(jī)器人可以在空地上通過(guò)搬磚、爬墻和鋪磚砌出磚墻。它們有傳感器來(lái)檢測(cè)其他機(jī)器人的存在并按規(guī)則彼此互不干擾的工作。就像白蟻一般，沒(méi)有人“控制”它們,但它們按照程序齊心協(xié)作把設(shè)計(jì)變成現(xiàn)實(shí)。

  想象一下這樣的應(yīng)用場(chǎng)景:成群的機(jī)器人沿著淹沒(méi)海岸線(xiàn)建造堤壩墻;成千上萬(wàn)的微型機(jī)器人在火星上建造出空間站，或者深海底天然氣管道被海里成群游蕩的機(jī)器人組裝完成。類(lèi)似的嘗試是用一群自主飛行機(jī)器人用來(lái)構(gòu)建一個(gè)巧妙起伏的磚塔。

  Top 3 3D打印房屋

  3D打印終于變成了主流。Makerbot出售的精致(也負(fù)擔(dān)得起)的桌面機(jī)器完全可以打印出3D塑料玩具、珠寶、機(jī)器零件和假肢。但是如果你想打印一些比鞋盒更大的東西呢?你能真實(shí)的造出一個(gè)足夠大的3D打印機(jī)打印出一個(gè)塑料房子嗎?

  答案是肯定的。一家荷蘭建筑公司已經(jīng)啟動(dòng)了一項(xiàng)雄心勃勃的公共藝術(shù)項(xiàng)目來(lái)建造一幢3D打印的房子。但首先他們必須建立起一個(gè)世界上最大的3D打印機(jī)，稱(chēng)為 Kamermaker或“房屋制造者”。 Kamermaker使用塑料為原料，可以打印出像樂(lè)高積木一樣的大塑料組件，之后將其組裝成大房子的各個(gè)房間。再一次像樂(lè)高積木一樣，把各房間固定在一起，加上打印成型的外部設(shè)計(jì)使房屋看起來(lái)像傳統(tǒng)的荷蘭式傍水小宅。

  同時(shí)，一家中國(guó)建筑企業(yè)也在使用巨大的3D打印機(jī)建造房屋。這個(gè)巨大的3D打印機(jī)能?chē)娡克鄬雍徒ㄖU料來(lái)組裝的房屋。這家建筑公司介紹說(shuō)房子將花費(fèi)不到5000美元，而且它一天可以產(chǎn)生多達(dá)10套這樣的房屋。

  Top 2 智能公路

  如果我們發(fā)明出可以給新能源汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電的道路，那我們就不再需要鋪滿(mǎn)太陽(yáng)能電池板的汽車(chē)了。

  一項(xiàng)最令人興奮的新想法是道路可以作為電動(dòng)車(chē)的充電器。一家新西蘭公司已經(jīng)建成一個(gè)大型“能源墊”,可以給停著的電動(dòng)車(chē)無(wú)線(xiàn)充電。下一步就是將無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)嵌入到實(shí)際路面里,這樣電動(dòng)汽車(chē)可以在行進(jìn)中充電，而不會(huì)再需要充電站!

  其他有趣的想法也可能在將來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如路面吸收陽(yáng)光發(fā)電，或者更酷的是把壓電材料嵌入道路，捕捉過(guò)往車(chē)輛的振動(dòng)能，并將其轉(zhuǎn)換為可用的能源。

  Top 1 CO₂建筑

  鮑魚(yú)的硬殼啟發(fā)了MIT的研究人員把鮑魚(yú)用來(lái)礦化CO₂建筑自身外殼的酶分離出來(lái)。某一天我們或許可以利用CO₂來(lái)生產(chǎn)碳磚。

  由發(fā)電廠(chǎng)和機(jī)動(dòng)車(chē)排放出的二氧化碳(CO₂)是人造溫室氣體的最大來(lái)源。每年，我們排除超過(guò)300億公噸的CO₂到大氣中，加速了全球變暖的危害。在能源行業(yè)進(jìn)行著的誘捕或“封存”二氧化碳進(jìn)行地下排放的試驗(yàn)的同時(shí)，一組麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員已經(jīng)成功地利用轉(zhuǎn)基因酵母將CO₂氣體轉(zhuǎn)化為了固體碳基建筑材料。

  像哈佛大學(xué)的“白蟻”團(tuán)隊(duì)一樣，麻省理工學(xué)院的研究人員也受到了自然的啟發(fā)，不過(guò)這次是鮑魚(yú)。和其他甲殼類(lèi)動(dòng)物一樣，鮑魚(yú)能把海水中得二氧化碳和礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化為碳酸鈣來(lái)構(gòu)建他們的堅(jiān)硬如巖石的貝殼。研究人員分離出鮑魚(yú)用于礦化二氧化碳的酶，并用它改造了一批酵母菌生產(chǎn)。滿(mǎn)滿(mǎn)一燒杯的轉(zhuǎn)基因酵母可以利用只有1磅(0.5公斤)的CO₂產(chǎn)生出2磅(1公斤)的固體碳酸鹽。想象它們能利用300億噸的二氧化碳生產(chǎn)出多少碳磚!