美国陆军与阿肯色大学联合开发用于救灾结构的建筑 3D 打印技术

2023年3月19日，南极熊获悉，美国陆军和阿肯色大学 (U of A)签署了一份价值 350 万美元的合同，以开发用于救灾的建筑 3D 打印技术，也称增材建造 (AC)技术。阿肯色大学土木工程系的Michelle Barry副教授、Cameron Murray助理教授和机械工程系的Wenchao Zhou副教授将一起开展这项研究，他的初创公司AMBOTS将参与该项目中软件编程方面的工作。

事实上，350 万美元的附属资金只是美国陆军工程师研发中心向Applied Research Associates (ARA) 提供的 1200 万美元更大奖励的一部分。ARA 是一家总部位于新墨西哥州的研究和工程公司，该公司开展AC技术的研究是为了探索救灾部队在灾难现场使用当地材料 3D 打印水平建设项目（例如，涵洞、T 型墙和泽西路障）的可行性。

△泽西岛上的路障

阿肯色大学团队将确定增材建造的最佳设计模式和可用的本地材料。此外，他们还将为要在现场部署的移动机器人创建代码，以创建这些结构。在接下来的两年里，该团队将开发建筑原型，资金将用于购买一台大幅面 3D 打印机和用于土壤和混凝土表征的其他设备。

使用本地材料

阿肯色大学颗粒材料研究实验室的 Barry 将探索新的材料结构和几何配置，以实现最佳性能和效率。提出的概念包括仿生结构，例如蜂窝图案，旨在减少材料，同时优化强度。

△Murray与美国陆军一起参与了其他混凝土测试研究。图片由阿肯色大学提供

Barry还将与专门研究混凝土的默里一起记录和研究各种本土土壤与混凝土混合的能力，分析由此产生的成分并对用这些材料制成的物体进行大规模测试。假设救灾部队能够使用当地材料所开发的混凝土材料和机器人3D 打印技术，而不是长距离运输水泥和骨料，可以减少成本、时间和环境影响。

Barry 说：“几千年来，人类一直在使用土壤进行建筑，但 3D 打印土壤使我们能够以全新且令人兴奋的方式使用土壤。我们可以在救灾区建造建筑物或道路，在那里您只需引入一件设备，因为您可能无法引入其他建筑材料。如果当地的土壤有用，你就暂时用它们打印，人们得到庇护，一旦不需要，它就会溶解回原来的外观。”

用于建筑 3D 打印的 Swarm机器人

除了共同创立专注于群体机器人制造的 AMBOTS 之外，Zhou 还是亚利桑那大学先进制造、建模和材料实验室的主任。Zhou 将负责确保结构的 CAD 文件正确无误翻译成机器代码，供多台机器协作 3D 打印各种材料。出于这个原因，AMBOTS 将领导机器人的软件开发，这些机器人将被设计为独立工作并相互协作，以适应不同的组合。

△T 形墙运往阿富汗的 KAF 大院。图片由美国陆军工程兵团和 Karla Marshall 提供。

Zhou 说：“我们很高兴有机会与ARA 合作，并利用他们的行业知识和经验来开发尖端的 3D 打印能力，这笔赠款将使我们能够投资于研发，推动我们的群体 3D 打印技术的创新，并为建筑和其他行业的未来开启新的可能性。”

APA 是这个项目中一个有趣的合作伙伴，因为它已经参与了基础设施和国家安全。这包括“地面交通研究和开发、路面工程和测试、路面标记服务、交通资产管理、交通监控、岩土工程解决方案、风险管理、政策和规划、道路安全、自治以及创新培训解决方案和技术部署。” 至于国家安全，该公司表示：“我们的根源始于 1979 年的军事支持，模拟和分析武器效果并开发新的武器系统以提高我们部队的技术优势。以建模和仿真为核心，ARA 已经发展成为开发保护设施、提高作战人员效能的公司。”

△3D 打印和增材建造的趋势

建筑3D打印涵洞结构

阿肯色大学的项目也展示了建筑3D打印这一方向未来将是主流的技术趋势。墨西哥混凝土巨头 CEMEX 曾开发出一种专有混凝土配方，可以将当地的骨料和水泥用于 3D 打印结构，正如 COBOD 最近的 AC 项目所证明的那样。同时，WASP 专注于主要使用本土土壤和粘土来建造其空调结构。鉴于全球水泥行业的碳足迹，以及整体资源日益稀缺，向当地土基建筑材料的转变是自然而然的。

我们还看到增材制造协作机器人的使用率有所下降。尽管公开使用它的公司数量很少，但我们只能想象，随着用于材料挤压和线弧增材制造的工业机械臂的快速增加，毫无疑问，它们最终将被整合到一个工厂或协作环境。

到目前为止，AMBOTS 是少数展示将协作机器人用于 3D 打印并结合更广泛的制造技术的企业之一。另一个是 DivergentTechnologies，其制造单元尚未公开展示，但它依靠工业机械臂来组装复杂的零件，这些零件是使用 SLMSolutions 的 12 激光 NXGXII 金属 3D 打印机进行 3D 打印的。该项目将为 AMBOTS 提供一个展示其大型机器人技术的机会。

用于基础设施弹性的建筑 3D 打印

随着全球变暖导致更多的极端天气事件，快速应对自然灾害情况的需求也将增加。在这种情况下，可以想象到美国陆军工程兵团将装满工业机器人手臂的集装箱部署到灾难现场，以修复由飓风破坏的海防工事。同样的技术可以用于海外冲突地区，在崎岖地形上建造基地。

到那时，AMBOTS 开发的程序可以移植到现场可能需要的其他机器人，例如材料运输或移动巡逻单元。事实上，这家初创公司甚至可以根据工程团队的需要在该地点制造新的机器人。毕竟，它之前的一个项目是看到一群机器人建造了一辆汽车，然后把它开出了迷你工厂车间。

增材建造技术有望成为在整个城市的关键点修复或建造弹性基础设施的理想技术。正如3DPrint.com 宏观分析师 Matt Kremenetsky 指出的那样，国防部正在成为负责管理与加强供应链相关的项目的部门，这是一个包括气候适应能力的总体概念。