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把房子盖到月球上去,华中科技大学院士团队研究机器人就地取材造

来源:未知 编辑:机器人之家 时间:2022-07-14



△周诚教授查看3D打印出来的“月壶尊”。记者杨佳峰 摄
       在月球上盖楼你敢想吗?华中科技大学丁烈云院士团队不但敢想还敢干。他们把中国在月球上建造的月面基地样式定名为“月壶尊”,这是一个外形酷似鸡蛋壳的建筑。计划用月壤烧出月球砖,再用机器人砌筑。他们已制备出国内首个模拟月壤真空烧结打印样品,实现“从0到1”的重大突破。丁烈云介绍,“月壶尊”是先于人上月球还是后于人在月球上建造,还没有考虑成熟,现在的预研究是一种探索。
月面基地建筑物定型“月壶尊”
像个竖立的鸡蛋壳



△“月壶尊”月面基地效果图,左边为建造月壶尊的“月蜘蛛”。(国家数字建造技术创新中心供图)
      7月7日,在华中科技大学国家数字建造技术创新中心,长江日报记者见到了3D打印模型“月壶尊”。从外面看,它像是一个放大的鸡蛋壳竖立在地面。作为建筑物,“月壶尊”里面并没有承重的“四梁八柱”,蛋壳顶端是穹顶结构,蛋壳体分内外两层,中间夹一层类似于肋骨的结构,以增强稳定性。

△“月壶尊”内部构造示意图。(国家数字建造技术创新中心供图)
      华中科技大学土木与水利工程学院数字建造与工程管理系主任周诚教授介绍,记者眼前的“月壶尊”属于缩小版,它真实的长宽均为3米,类似于一个圆形结构的房子,房间分成上下两层,分成工作间和休息间。这个大胆的构想是中国工程院院士、国家数字建造技术创新中心首席科学家丁烈云提出的。他们将中国传统制砖砌筑的建造方式与3D打印建造方式相结合,采用整体预制拼装、局部打印连接的方式,设计建造月面基地。“月面基地不可能从地球上携带建筑材料去建造,这样的话建筑成本会极贵。”丁烈云将“月壶尊”定位为“原位建造”,即主要建造材料来源于月球本身而不是地球,“开始觉得难,现在已经有一些技术支撑,不像原来的那么难了。”
       由于月球上没有大气,再加上月面物质的热容量和导热率又很低,因而月球表面昼夜的温差很大。白天,月球表面在阳光垂直照射的地方温度最高可达127℃;夜晚,其表面温度可降低到零下183℃。在这样的地方建造房子无疑是一种考验。“建筑样式应该充分考虑保温隔热。”周诚表示,在月面建什么样的建筑,他们一直在进行各种尝试。团队起初尝试了穹顶结构、拱形结构以及柱状结构,很多造型反复尝试,要符合月球表面的使用环境,又要方便建造。
        2021年底,外形像竖立的鸡蛋壳的“月壶尊”成为月面基地建筑物的定型样式。“这一点符合丁烈云院士要求的既体现中国元素又有科技感。”现在,周诚每天的研究工作都围绕这枚“蛋壳”打交道,用什么材料、用什么工具、怎么建造。上小学的儿子得知周诚研究“月壶尊”的用途后很兴奋,每天放学回家后就缠着父亲问个不停。在孩子眼中,嫦娥奔月、吴刚伐桂、天狗吞月这些都是传说,还有什么比在月球上做房子更梦幻的事呢!
周诚表示,月表地震频繁,“月壶尊”造型的稳定性可以抗击小地震,也恰好满足了建筑物保温隔热的效能。中国的探月工程表明,月球南极可能有连续光照的区域,可作为月球基地的理想选址。
用月壤烧制带有榫卯结构的砖
机器人进行拼装建造



△韩文彬展示他们打印的有榫卯结构的月壤砖。记者杨佳峰 摄
     国际上对月球建造的共识是,不从地球上带物质上去,尽可能使用月球上的材料进行原位建造。丁烈云团队此前在吉林一个火山口寻获到的火山灰,成为建造“月壶尊”的模拟月壤。今年暑假期间,国家数字建造技术创新中心同样热火朝天。室内两名博士生韩文彬和王宇向正围着电加热炉,观看模拟月壤烧结成型砖块的过程,看看烧结产品在月面环境下可不可靠。烧结完成后,韩文彬对产品的强度、热学性能、耐久性等进行研究,而王宇向则在导师周诚教授的安排下专注于3D打印工艺的进一步优化。
        “月球造房最大的挑战在于极端环境。”周诚列举了月表环境对建造“月壶尊”的5大挑战。除了昼夜巨大温差对房子的结构性能影响外,还有散热规律不同于地球的真空环境、时间更长和频率更高的“月震”、陨石对月表的频繁冲击、月表重力会改变材料与结构的受力状态等不利因素。
        团队最初设想采用两种方式在月表建造“月壶尊”。一种采用3D打印施工,先在月表用注浆加固法打地基,然后在地基上打印结构,穹顶采用气囊放置法固定,再在气囊上打印穹顶,最终打印成型;另一种方式主要采用机械臂拼装施工,将太阳能或者激光烧结好的月壤砖通过机械臂一块块拼接起来,并提前做好“月壶尊”穹顶。
        两种施工方式各有优势。3D打印需要从地球上携带黏结剂到月球上去,一般黏结剂的重量占到整个建筑材料10%到15%。“假若‘月壶尊’;有20吨,那么3D打印至少需要2吨以上的黏结剂。”韩文彬说,2吨黏结剂加上300千克的3D打印设备,总共2.3吨材料送往月球,合计需要费用154亿元人民币,每平方米建筑成本8.5亿元人民币,远远高于地面建筑成本。


△使用机械臂试验完成月壤砖的拼装。国家数字建造技术创新中心供图
        机械臂拼装施工则需要用高能束(太阳能或者激光)烧结月壤,铺一层月壤烧结一次,如此往复,直到“月壶尊”全部拼装成型。好处是建造成本相对便宜,只需要机械臂和烧制设备,比3D打印送往月球的材料要轻,建造成本也降低。但是这种施工风险较高,很难克服月表温差影响,容易造成结构变形。周诚介绍,国外建造月面基地的技术体系是3D打印。这个工艺可以建造各种形状的月球基地结构,但3D打印是个连续过程,一旦打印过程出现被打印结构破损开裂的情况,整个结构就失效了。一次性成型的风险很高,同时耗能太大。
         他们团队借鉴中国传统砌筑和榫卯连接方式,提出利用月壤烧结出带有榫卯结构的月壤砖,再进行拼装建造,通过烧结月球砖把一次性成型的风险分散掉,然后由机器人砌筑,同时用3D打印加强连接来完成结构,避免结构变形。丁烈云团队最后将两种施工方案融入一种名为“月蜘蛛”的机器人身上。周诚说,“月蜘蛛”属于3D打印机器人,远看像蜘蛛,上部分是混联机械臂,下部分是多足平台。按照设计要求,机械臂有200千克,底盘有500千克,施工时机械臂也可换成3D打印机。地面打印“月壶尊”和月面打印的步骤是一样的,不同的是施工环境差异,月面施工需要将结构和材料一体考虑。
      王宇向也向记者透露了降低成本的设想。他说,占比10%至15%的黏结剂是否可以减少到10%以内,强度依然不变;机械臂拼装施工可以设计一个更为轻质的设备减小地月运输成本。利用月球自身材料建造,会大大降低成本,国外也是这条路径。周诚说,“在月球上造房子,不一定是我们这一代就能完成的事,但未来会有人解决这个问题。月球基地建造的研究也可以催生出新的技术和业态,如3D打印建造、机器人砌筑等。”

没有将设想停留在纸面
带领团队说干就干



△“月壶尊”有夹层结构。记者杨佳峰 摄
      建造月面基地的设想起始于2015年。当时,专注于数字建造研究的丁烈云院士在研究中发现,“建筑转型升级最重要的一个方面就是3D打印,而在月面打印基地的设想是一个很自然的想法。”一些建筑景观或者小型构筑物采用人工往往没办法去做,而采用3D打印则很容易完成,这让丁烈云院士敏锐意识到无人的3D打印只有在极端环境才能发挥价值。极端环境在哪?他首先想到的是地外极端环境,例如在月球或者火星上。他说,“这是很自然的想法,而不是突发奇想。”
       丁烈云院士没有将设想停留在纸面,瞄准月面基地建造带领团队说干就干。“当时是我们自己研究,自己投入。”周诚向记者回忆,他们开启这个项目的研究后,丁烈云院士带领他们去有关部委对接,对方都很“吃惊”。
中国探月工程总设计师、中国工程院院士吴伟仁关注到这个科研项目,认为在月面打印基地的设想——“轻量化可重构月面建造方法研究”属于基础性研究,很有价值。科技部2021年底将“轻量化可重构月面建造方法研究”列入重点研发计划,成为“工程科学与综合交叉”的重点专项。华中科技大学成为该项目的首席科学家单位。
       “月面基地建造工程化是一个长远的目标,目前按照课题目标,我们是有信心实现的。”丁烈云告诉记者,目前课题项目还有一系列的问题要解决,比方说打印好了“月壶尊”以后里面充气设施如何工作、建造“月壶尊”的月面具体选址问题等,好多问题都需要解决。“目前我们所做的就是从0到1的探索,不能说马上就能使用,这是一个相对长远的规划。通过进一步月球勘探,或许会取得更多资料,说不定未来会变更技术路线,或者采用更新的技术路径来建造月球基地。”丁烈云说。


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