在海洋中建造結(jié)構(gòu)物從來(lái)都不是件容易的事。深度、壓力和有限的能見(jiàn)度使得即使是常規(guī)的建造和維修工作也變得復(fù)雜而昂貴，尤其是對(duì)于隱藏在水下的基礎(chǔ)設(shè)施而言。康奈爾大學(xué)的研究人員正在探索能否通過(guò)原位建造來(lái)克服這些限制。該團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有將傳統(tǒng)的陸地建造方法應(yīng)用于水下環(huán)境，而是開(kāi)發(fā)了一種利用3D混凝土打印技術(shù)直接在水中制造結(jié)構(gòu)物的方法。這種方法有望實(shí)現(xiàn)在任何需要的地方建造海上基礎(chǔ)設(shè)施，而無(wú)需在陸地上進(jìn)行預(yù)制或從水面進(jìn)行部署。

如果成功，這種方法有望催生一種更安靜、更具適應(yīng)性的海洋施工模式，從而降低后勤復(fù)雜性并減少對(duì)環(huán)境的破壞。“我們希望在不干擾環(huán)境的前提下進(jìn)行建設(shè)，”康奈爾大學(xué)土木與環(huán)境工程系助理教授兼項(xiàng)目負(fù)責(zé)人斯里拉米亞·奈爾(Sriramya Nair)表示，“如果能使用遙控水下航行器以最小的海洋擾動(dòng)抵達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)，那么我們就能以更智能的方式進(jìn)行建設(shè)，而無(wú)需繼續(xù)沿用我們?cè)陉懙厣喜捎玫南嗤椒?。?/span>

這項(xiàng)由康奈爾大學(xué)牽頭、于2024年啟動(dòng)的計(jì)劃得到了美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的支持。DARPA設(shè)定了一個(gè)雄心勃勃的一年挑戰(zhàn)目標(biāo)：開(kāi)發(fā)一種可在水下數(shù)米處澆筑的3D打印混凝土。2025年，該團(tuán)隊(duì)獲得了140萬(wàn)美元的資助，但前提是必須滿足一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。他們正與其他五支隊(duì)伍展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。挑戰(zhàn)賽將于明年三月舉行，屆時(shí)每支隊(duì)伍都需要在水下3D打印一個(gè)混凝土拱門。

海洋沉積物作為原材料

DARPA提出了一項(xiàng)重要的限制條件：混凝土必須主要由海洋沉積物構(gòu)成，僅需少量水泥。值得注意的是，海洋沉積物主要包括巖石、卵石和礫石、沙子和淤泥。使用當(dāng)?shù)夭牧峡梢詼p少大量水泥的運(yùn)輸需求。這顯然在材料和工藝方面都帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。迄今為止，還沒(méi)有人成功地利用海洋沉積物進(jìn)行3D打印結(jié)構(gòu)混凝土?！澳壳斑€沒(méi)有人這樣做，”奈爾先生說(shuō)?！皼](méi)有人使用海洋沉積物進(jìn)行打印。這為我們重新構(gòu)想混凝土的形態(tài)開(kāi)辟了許多可能性?！?/span>

解決滲漏和水下能見(jiàn)度問(wèn)題

另一個(gè)主要障礙是滲濾，即水泥顆粒在充分粘合前分散到水中，從而削弱打印結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。化學(xué)添加劑可以幫助防止?jié)B濾，但它們也會(huì)增加粘度，使材料更難泵送和擠出。“添加這些化學(xué)物質(zhì)后，混合物會(huì)變得非常粘稠，無(wú)法泵送，”奈爾先生解釋說(shuō)?！澳惚仨氃诒盟托院涂骨治g性之間找到平衡，同時(shí)確保材料保持形狀并在層間良好粘合?！?/span>

為了更好地平衡各方面因素，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)常在康奈爾大學(xué)博韋土木基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)驗(yàn)室綜合樓的大型注水水槽中進(jìn)行打印測(cè)試。雖然這種受控環(huán)境能夠?qū)游环植肌?qiáng)度和幾何形狀進(jìn)行細(xì)致的檢查，但在水下真實(shí)條件下，這種實(shí)際評(píng)估是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

因此，研究人員也在開(kāi)發(fā)基于傳感器和機(jī)器人的控制系統(tǒng)，以便在打印過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整。一旦沉積物受到擾動(dòng)，水下能見(jiàn)度就會(huì)降至接近于零，這使得自主性成為必不可少而非可有可無(wú)的條件。

隨著最終演示的臨近，該項(xiàng)目讓我們得以一窺原位增材制造如何將大規(guī)模3D打印擴(kuò)展到世界上最具挑戰(zhàn)性的建筑環(huán)境之一。

編譯整理：3dnatives