工程师和建筑师最期待的10大未来建筑技术

  最早期的人类居所由太阳下烤干的泥和稻草做成的砖建造的。而最早用混凝土的是古罗马人，他们把石灰和火山岩混合建造出万神殿这样巍峨壮观的建筑。万神殿至今都有世界上最大的无筋混凝土圆顶。

  在过去的几个世纪里，工程师和建筑师们一直革新材料采用如钢梁、抗震地基和玻璃幕墙等材料推陈出新构建出了更高、更牢固和更漂亮的作品。

  但建筑技术的未来是什么？会有一天混凝土地基上的裂缝奇迹般地自我修复吗？加油站会被自充电的道路上奔跑的电动汽车取而代之吗？

  接下来将列出在不久的将来会振奋人心的十项建筑创新，其中部分甚至已在今天有所应用。

  Top 10 自修复混凝土

  如果混凝土可以自我修复，市政将节省很大开支。

  混凝土是世界上最广泛使用的建筑材料。事实上,它是水之后地球上第二大消费品。试想一下我们每年有多少的混凝土住宅、办公楼、教堂和桥梁建成呀。混凝土有廉价和广泛适应性等优点,但也容易开裂，在极热和极冷环境下抗压性能会恶化。

  过去修复有裂缝的混凝土的唯一途径就是修补它、加强它,或者把它敲下来从头开始。但以后将不需在这样了。2010年, 罗德岛大学的研究生和化学工程教授创建了一种新型“智能”混凝土，可以“智能”修复自身的裂缝。这是因为混凝土混合物中嵌入了微型水玻璃胶囊。当裂纹产生时,胶囊破裂并释放一种凝胶状愈合剂,变硬填补空隙，实现自我修复。

  这不是自修复混凝土的唯一修复方法。其他研究人员利用细菌或嵌入玻璃毛细管或聚合物微胶囊达到类似的效果。然而, 罗得岛大学的研究人员认为他们的方法是最划算的。

  延长混凝土的寿命能带来巨大的环境效益。目前世界范围内的混凝土生产占全球二氧化碳排放的5%。智能混凝土不仅会使我们的结构更安全，也可以减少温室气体的排放。

  Top 9 碳纳米管

  碳纳米管具有比地球上其它任何材料都高的比强度,可以拉伸超过厚度的一百万倍。

  一纳米(nm)只有一米的十亿分之一，这是微乎其微的小。一张纸的厚度是100,000 nm。人的指甲的生长速度大约1 nm每秒。即使人的DNA链也只是2.5 nm宽。这样看来构造“纳米”级的材料似乎是不可能的。但科学家和工程师通过使用电子束光刻技术等尖端技术，已经成功的创造出壁厚只有1 nm的碳纳米管。

  当大的粒子变小时，其比表面积在不断增加。这些碳纳米管具有比地球上其它任何材料都高的比强度,可以拉伸超过厚度的一百万倍。碳纳米管的质量之轻和强度之高,使它们可以嵌入到其他金属、混凝土、木材和玻璃等建筑材料中来增加材料密度和抗拉强度。工程师们甚至尝试在建筑材料加入纳米传感器,这样可以在材料破裂和开裂之前监测出来。

  Top 8 透明铝材

  透明铝材可以需要更小的内部支撑来建造高耸的玻璃幕墙摩天大楼。

  几十年来,化学工程师梦寐以求一种结合了金属的强度和耐久性的与玻璃般透亮的材料。这样一种“透明金属”可以在内部支撑更少时来建造高耸的玻璃幕墙摩天大楼。军事建筑可以安装这种薄而透明的金属窗户经受起最高级的炮火的攻击。想象一下用这种材料建造出的巨大的水族馆会是一幅怎样的景象!

  早在1980年代,科学家们就开始试验一种新型由铝、氧和氮混合粉体制得的陶瓷。陶瓷经过热处理和冷却的过程得到的硬度很高的晶体材料。他们将混合铝粉置于巨大的压力之下, 在2000 ℃(3632 F)高温加热数天,最后抛光生产出透明如玻璃一般又兼具铝的强度的新材料。这种被认为是透明铝材或者ALON的太空材料已经用于军队生产装甲窗户和光学透镜。

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  Top 7 透水混凝土

  较大颗粒和缺砂透水沥青 (如图所示)产生很多相互联通的空隙,允许水通过地表,可以减少雨水径流。

  当暴风雨袭来，会有成片的雨水落下来，浇落到马路、便道和停车场上，冲刷起大地表面的碎屑和污染物，把汽油这些潜在危险化学品直接冲到下水道和溪流中。美国环境保护署(EPA)已经确认城市地区的雨水径流是水质污染主要来源。

  自然有自己的方式,从雨水中过滤有毒物质。土壤是一个巨大的过滤器滤掉金属和其他无机物质。随着雨水的向下渗透穿过土壤层，微生物和植物根系吸收了过量的化学物质(来源:ESA)。了解这点后,工程师们创造出了一种新型的透水混凝土，它可以使雨水透过道路进入土壤,让大自然做它的过滤工作。

  透水混凝土由较大颗粒的岩石和沙子组成，使道路中有15至35%的开放空隙。透水混凝土的石板铺设在砾石或其他多孔基材之上,这样雨水会流入下面的土壤中。透水混凝土是停车场上沥青的一个很好的替代品。它不仅可以显着减少径流,其浅颜调还可以反射阳光，在夏天保持凉爽。

  Top 6 气凝胶隔热材料

  放在樱花上的气凝胶碳海绵，它比氦气还轻，却可以吸收自重250-900倍的油。

  如果米开朗基罗着名的大理石雕像大卫是由气凝胶构成的话,它将只有4磅(2公斤)!气凝胶是地球上最低密度的物质之一，是一种泡沫状固体材料，尽管几乎轻如空气确保有固定形状。有的气凝胶的密度只有空气的三倍，但通常气凝胶是空气的15倍重。

  你可能会认为凝胶是如发胶一般湿湿的物质。实际上气凝胶是通过排除凝胶中的液体制得的。除去99%到90%的空气以外，剩下的只是二氧化硅结构。气凝胶是几乎没有重量,但是可以拉长成薄片气凝胶织物。在建设项目中,气凝胶织物具有“超强隔热”的特性。其多孔结构使热量很难通过。测试表明气凝胶织物的隔热能力是传统的玻璃纤维或泡沫绝缘材料的两到四倍。一旦价格适中,它就可以广泛应用于建筑。

  Top 5 温控反应瓷砖

  由于桌子具有温度控制表面，当热的东西放在桌子上面时，桌面就会变色。

  只要你是生活在1991年,你就很可能拥有一件超色T恤( Hypercolor)。利用一个叫热致变色染料的科学奇迹，Hypercolor的设计师制出可以根据体温改变颜色的T恤。广告中这T恤衫看起来超级酷和性感：你的女朋友会把她热的手放在你的胸部,留下一个发光的标志。但在现实中你的身体最热的部分通常是你的腋窝。发光的腋窝可不那么超级性感。

  如今,一家公司生产着一种玻璃装饰瓷砖，瓷砖表面涂覆一种热致变色染料，可以像“活着”一般随表面温度发生变化。在室温下,瓷砖是一个光滑的黑色，但当你接触到瓷砖或者有光直射或温水接触时，瓷砖颜色就像北极光一样转变成彩虹般的蓝色、绿色和粉红色。最酷的应用一定是变色浴室了。对于移动颜色公司的好消息是房子可没有令人尴尬的腋窝……

  Top 4 机器人群体建筑

  2014年在芝加哥美国科学促进会的会议上哈佛大学人工智能学术研究员 Kirstin Petersen 演示了受白蚁启发而开发的机器人。

  自然界最巧妙的建筑者之一是不起眼的白蚁。它用只有沙子一般大小的大脑,与成千上万的同胞们一起工作建立起庞大复杂的泥巴结构。白蚁引起了哈佛大学机器人研究人员的注意，因为这种昆虫并不是听取来自蚁穴中央的命令，每个白蚁只是根据基因程序规定的行为工作。这一群专一的个体在一起创造出了不朽的“泥塑”作品。

  受到白蚁启发,哈佛大学自组织系统研究小组的研究人员组建了小型建筑机器人群体进行工作。四轮机器人可以在空地上通过搬砖、爬墙和铺砖砌出砖墙。它们有传感器来检测其他机器人的存在并按规则彼此互不干扰的工作。就像白蚁一般，没有人“控制”它们,但它们按照程序齐心协作把设计变成现实。

  想象一下这样的应用场景:成群的机器人沿着淹没海岸线建造堤坝墙;成千上万的微型机器人在火星上建造出空间站，或者深海底天然气管道被海里成群游荡的机器人组装完成。类似的尝试是用一群自主飞行机器人用来构建一个巧妙起伏的砖塔。

  Top 3 3D打印房屋

  3D打印终于变成了主流。Makerbot出售的精致(也负担得起)的桌面机器完全可以打印出3D塑料玩具、珠宝、机器零件和假肢。但是如果你想打印一些比鞋盒更大的东西呢?你能真实的造出一个足够大的3D打印机打印出一个塑料房子吗?

  答案是肯定的。一家荷兰建筑公司已经启动了一项雄心勃勃的公共艺术项目来建造一幢3D打印的房子。但首先他们必须建立起一个世界上最大的3D打印机，称为 Kamermaker或“房屋制造者”。 Kamermaker使用塑料为原料，可以打印出像乐高积木一样的大塑料组件，之后将其组装成大房子的各个房间。再一次像乐高积木一样，把各房间固定在一起，加上打印成型的外部设计使房屋看起来像传统的荷兰式傍水小宅。

  同时，一家中国建筑企业也在使用巨大的3D打印机建造房屋。这个巨大的3D打印机能喷涂水泥层和建筑废料来组装的房屋。这家建筑公司介绍说房子将花费不到5000美元，而且它一天可以产生多达10套这样的房屋。

  Top 2 智能公路

  如果我们发明出可以给新能源汽车无线充电的道路，那我们就不再需要铺满太阳能电池板的汽车了。

  一项最令人兴奋的新想法是道路可以作为电动车的充电器。一家新西兰公司已经建成一个大型“能源垫”,可以给停着的电动车无线充电。下一步就是将无线充电技术嵌入到实际路面里,这样电动汽车可以在行进中充电，而不会再需要充电站!

  其他有趣的想法也可能在将来实现，比如路面吸收阳光发电，或者更酷的是把压电材料嵌入道路，捕捉过往车辆的振动能，并将其转换为可用的能源。

  Top 1 CO₂建筑

  鲍鱼的硬壳启发了MIT的研究人员把鲍鱼用来矿化CO₂建筑自身外壳的酶分离出来。某一天我们或许可以利用CO₂来生产碳砖。

  由发电厂和机动车排放出的二氧化碳(CO₂)是人造温室气体的最大来源。每年，我们排除超过300亿公吨的CO₂到大气中，加速了全球变暖的危害。在能源行业进行着的诱捕或“封存”二氧化碳进行地下排放的试验的同时，一组麻省理工学院(MIT)的研究人员已经成功地利用转基因酵母将CO₂气体转化为了固体碳基建筑材料。

  像哈佛大学的“白蚁”团队一样，麻省理工学院的研究人员也受到了自然的启发，不过这次是鲍鱼。和其他甲壳类动物一样，鲍鱼能把海水中得二氧化碳和矿物质转化为碳酸钙来构建他们的坚硬如岩石的贝壳。研究人员分离出鲍鱼用于矿化二氧化碳的酶，并用它改造了一批酵母菌生产。满满一烧杯的转基因酵母可以利用只有1磅(0.5公斤)的CO₂产生出2磅(1公斤)的固体碳酸盐。想象它们能利用300亿吨的二氧化碳生产出多少碳砖!