在海洋中建造結(jié)構(gòu)物從來都不是件容易的事。深度、壓力和有限的能見度使得即使是常規(guī)的建造和維修工作也變得復(fù)雜而昂貴，尤其是對于隱藏在水下的基礎(chǔ)設(shè)施而言?？的螤柎髮W(xué)的研究人員正在探索能否通過原位建造來克服這些限制。該團隊并沒有將傳統(tǒng)的陸地建造方法應(yīng)用于水下環(huán)境，而是開發(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。這種方法有望實現(xiàn)在任何需要的地方建造海上基礎(chǔ)設(shè)施，而無需在陸地上進行預(yù)制或從水面進行部署。

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)雜性并減少對環(huán)境的破壞。“我們希望在不干擾環(huán)境的前提下進行建設(shè)，”康奈爾大學(xué)土木與環(huán)境工程系助理教授兼項目負責(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抵達施工現(xiàn)場，那么我們就能以更智能的方式進行建設(shè)，而無需繼續(xù)沿用我們在陸地上采用的相同方法?！?/span>

這項由康奈爾大學(xué)牽頭、于2024年啟動的計劃得到了美國國防高級研究計劃局（DARPA）的支持。DARPA設(shè)定了一個雄心勃勃的一年挑戰(zhàn)目標(biāo)：開發(fā)一種可在水下數(shù)米處澆筑的3D打印混凝土。2025年，該團隊獲得了140萬美元的資助，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伍展開競爭。挑戰(zhàn)賽將于明年三月舉行，屆時每支隊伍都需要在水下3D打印一個混凝土拱門。

海洋沉積物作為原材料

DARPA提出了一項重要的限制條件：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少大量水泥的運輸需求。這顯然在材料和工藝方面都帶來了巨大的挑戰(zhàn)。迄今為止，還沒有人成功地利用海洋沉積物進行3D打印結(jié)構(gòu)混凝土?！澳壳斑€沒有人這樣做，”奈爾先生說?！皼]有人使用海洋沉積物進行打印。這為我們重新構(gòu)想混凝土的形態(tài)開辟了許多可能性?！?/span>

解決滲漏和水下能見度問題

另一個主要障礙是滲濾，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)的強度?；瘜W(xué)添加劑可以幫助防止?jié)B濾，但它們也會增加粘度，使材料更難泵送和擠出。“添加這些化學(xué)物質(zhì)后，混合物會變得非常粘稠，無法泵送，”奈爾先生解釋說?！澳惚仨氃诒盟托院涂骨治g性之間找到平衡，同時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，研究團隊經(jīng)常在康奈爾大學(xué)博韋土木基礎(chǔ)設(shè)施實驗室綜合樓的大型注水水槽中進行打印測試。雖然這種受控環(huán)境能夠?qū)游环植?、強度和幾何形狀進行細致的檢查，但在水下真實條件下，這種實際評估是無法實現(xiàn)的。

因此，研究人員也在開發(fā)基于傳感器和機器人的控制系統(tǒng)，以便在打印過程中進行實時監(jiān)控和調(diào)整。一旦沉積物受到擾動，水下能見度就會降至接近于零，這使得自主性成為必不可少而非可有可無的條件。

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

編譯整理：3dnatives