全屋机器

在南加州大学一个阳光明媚的实验室里，一个由机器人控制的喷嘴将混凝土挤压成一条条，铺在木板上。每隔两分十四秒，喷嘴就会完成一个回路，将新的一条挤压在上一条的上面。这样，一堵五英尺长的墙就建起来了——这堵墙是在没有人为干预的情况下建成的。

这堵墙虽然不起眼，但预示着未来。“如果你能盖一堵墙，你就能盖一栋房子，”工程学教授 Behrokh Khoshnevis 说，他一边看着灰色混合物从他称之为“轮廓成型器”的设备中整齐地喷出。这个设备大约有八英尺高，六英尺宽。如果一切顺利，Khoshnevis 将在今年晚些时候使用更大、更先进的版本来在一天内建成第一栋机器人建造的房屋。

Khoshnevis 相信他的轮廓成型器将彻底改变建筑施工，将其带入数字时代。如今，尽管出现了电动锯、机械起重机和气动钉枪等技术工具，但建筑施工本质上仍然是两万年来那种疲劳、艰辛的工作。工人仍然需要切割、抓取、吊装、放置和固定材料，这就是为什么劳动力成本占建筑成本的一半左右。这个过程危险、缓慢且浪费：每年有超过 40 万名美国建筑工人受伤，而典型的美国房屋需要至少六个月才能完工，产生约四吨废物。

54 岁的 Khoshnevis 是一位多产的发明家，他于 1974 年从伊朗移民而来，并在光学到机器人等领域拥有多项专利。1994 年北岭大地震后，他在家中客厅修补石膏裂缝时，就认为一定有更好的方法。“我当时想，抹刀，一种古老而简单的工具，真的可以做出光滑美观的表面。在制造业中，你总是追求这个。然而，没有一个自动化制造过程使用抹刀，”他说。

为了证明自动抹刀可以奏效，他发明了一个小型机器，用于制作不超过 20 英寸的物体。这个小型的轮廓成型器在计算机辅助设计程序的指导下，其喷嘴可以在三个轴上移动，像挤牙膏一样挤出陶瓷粘土。一对抹刀状的鳍片在层层堆叠时会抚平顶部和侧面的表面，从而产生由软件指定的立方体、盒子、碗、圆顶、圆锥体或其他形状。该设备与快速原型机相似，后者已被用于制造三维塑料模型约 15 年，但抹刀“允许对外表面进行新的控制程度，”Khoshnevis 说。

这个小型机器效果很好，所以这位工程师对自己说：“为什么不使用混凝土来建一栋完整的房子呢？”

在国家科学基金会的资助和工程学研究生 Dooil Hwang 的协助下，Khoshnevis 设计并建造了一台墙体制造机。“我给了自己三年时间来建造它，但只花了 18 个月，”Hwang 说。这台结实的机器使用了两份标准混凝土混合料（“你可以在家得宝直接买到，”Khoshnevis 说）、两份沙子和一份水，通过一个螺杆驱动的柱塞从钢制气缸中挤出。混合料会快速凝固，并在挤出后续层时轻松支撑自身重量。

仅仅一面墙并不能构成一栋房子。轮廓成型器在建造墙体时还需要插入水管、电线和通风管道。原型机无法做到这一点，但 Khoshnevis 认为这是一个小问题：“你手表上的秒针是机器人安装在微小轴上的。现代机器人可以实现高精度和极高的速度。所以，将管道段机器人地插入、堆叠在一起并在墙体上升时焊接在一起，这根本不是问题。”

最终，它的工作原理如下：在一个清理和平整的场地上，工人会铺设两条比最终建筑宽度宽几英尺的轨道，然后一台计算机控制的轮廓成型器就会接管。一台带有悬挂喷嘴和组件放置臂的龙门起重机将沿着轨道运行。喷嘴会分层喷出混凝土，形成空心墙，然后用额外的混凝土填充墙体，很可能是含有聚苯乙烯珠子的绝缘材料。放置臂会将钢筋、管道和通风轴插入墙体中留下的空腔，在建筑上升过程中将各部分焊接和拧紧。然后，手臂会将横梁放在已建成的墙体上方，形成楼板和屋顶。人类将负责安装门窗。

“你可以将其设置在现场建造一栋房屋或一整排房屋，”Khoshnevis 说。他还设计了一种可以爬行的轮廓成型器，可以建造摩天大楼。

尽管轮廓成型技术听起来很智能，但房屋需要的不仅仅是好的工程。如果它们看起来像混凝土掩体而不是优雅、优美的房屋，它们就不会受欢迎。Khoshnevis 指出，外部抹刀之后可以跟着一个滚压模具，在湿混凝土上印出砖块、瓦片或木板的图案，而内部则可以使用喷墨技术以任何颜色打印，甚至可以打印壁纸图案。混凝土本身也可以是各种类型，包括类似土坯或灰泥的版本。

通过更复杂的喷嘴结构，该机器不仅可以建造更便宜、更快捷的建筑，而且还更安全。例如，如今要使房屋防震，需要大量的材料，成本高昂且不精确。但是，一个轮廓成型的建筑“可以以一种智能的方式加强，”Khoshnevis 说。“钢筋甚至墙体的化学成分和厚度都可以实时改变，并在需要的地方精确地增加。”

一些建筑专业人士对此很热情。洛杉矶建筑师 Greg Lynn 专注于设计曲线、有机形状的建筑，他很高兴地发现“这台机器不在乎它是在做曲线还是直线。住在矩形里成为了一种选择，而不是强制性的。” Lynn 说，如果全屋机器今天就存在，“我现在就会使用它了。”

“这很令人兴奋，”洛杉矶建筑技术研发公司 Gehry Technologies 的首席技术官 Dennis Shelden 说。“这是向前迈出的下一步。”但他警告说，可能存在结构问题。“我们需要仔细研究层与层之间的粘合度有多好。”

Khoshnevis 相信这不成问题：“挤出的层可以作为结构材料填充层的模板。”由于填充层将是整体式混凝土板，“它将足够坚固，”他说。

甚至 NASA 也似乎很感兴趣。Khoshnevis 最近将一个原型墙体建造机运给了马歇尔太空飞行中心的工程师。他们想弄清楚轮廓成型技术是否可以利用月球尘埃在月球上建造建筑物。

回到地球，那些会突然失业的建筑工人怎么办？

“这种担忧并不新鲜，”Khoshnevis 说。“当汽车出现时，人们说‘那些马车夫怎么办？’但具有意义的技术通常会带来巨大的社会变革，而且是好的。这没有什么不同。”

Khoshnevis 从该技术在建造体面低收入住房方面的潜力中受到启发。“今天有十亿人没有足够的住所，”他说。使用从建筑工地挖出的、用水泥稳定的土壤，轮廓成型器可以建造经济实惠的、根据家庭需求定制的住所。

“这项技术就像我们推到悬崖顶上的一块石头，”Khoshnevis 说。“只需要轻轻一推，这个想法就会自行滚下去。”