前言
最早期的人類(lèi)居所由太陽(yáng)下烤干的泥和稻草做成的磚建造的。而最早用混凝土的是古羅馬人，他們把石灰和火山巖混合建造出萬(wàn)神殿這樣巍峨壯觀(guān)的建筑。萬(wàn)神殿至今都有世界上最大的無(wú)筋混凝土圓頂。
在過(guò)去的幾個(gè)世紀里，工程師和建筑師們一直革新材料采用如鋼梁、抗震地基和玻璃幕墻等材料推陳出新構建出了更高、更牢固和更漂亮的作品。
但建筑技術(shù)的未來(lái)是什么?會(huì )有一天混凝土地基上的裂縫奇跡般地自我修復嗎?加油站會(huì )被自充電的道路上奔跑的電動(dòng)汽車(chē)取而代之嗎?
接下來(lái)我們將列出在不久的將來(lái)會(huì )振奮人心的十項建筑創(chuàng )新，其中部分甚至已在今天有所應用。
Top 10 自修復混凝土
如果混凝土可以自我修復，市政將節省很大開(kāi)支
混凝土是世界上最廣泛使用的建筑材料。事實(shí)上,它是水之后地球上第二大消費品。試想一下我們每年有多少的混凝土住宅、辦公樓、教堂和橋梁建成呀。混凝土有廉價(jià)和廣泛適應性等優(yōu)點(diǎn),但也容易開(kāi)裂，在極熱和極冷環(huán)境下抗壓性能會(huì )惡化。
過(guò)去修復有裂縫的混凝土的唯一途徑就是修補它、加強它,或者把它敲下來(lái)從頭開(kāi)始。但以后將不需在這樣了。2010年, 羅德島大學(xué)的研究生和化學(xué)工程教授創(chuàng )建了一種新型“智能”混凝土，可以“智能”修復自身的裂縫。這是因為混凝土混合物中嵌入了微型水玻璃膠囊。當裂紋產(chǎn)生時(shí),膠囊破裂并釋放一種凝膠狀愈合劑,變硬填補空隙，實(shí)現自我修復。
這不是自修復混凝土的唯一修復方法。其他研究人員利用細菌或嵌入玻璃毛細管或聚合物微膠囊達到類(lèi)似的效果。然而, 羅得島大學(xué)的研究人員認為他們的方法是最劃算的。
延長(cháng)混凝土的壽命能帶來(lái)巨大的環(huán)境效益。目前世界范圍內的混凝土生產(chǎn)占全球二氧化碳排放的5%。智能混凝土不僅會(huì )使我們的結構更安全，也可以減少溫室氣體的排放。
Top 9 碳納米管
碳納米管具有比地球上其它任何材料都高的比強度,可以拉伸超過(guò)厚度的一百萬(wàn)倍。
一納米(nm)只有一米的十億分之一，這是微乎其微的小。一張紙的厚度是100,000 nm。人的指甲的生長(cháng)速度大約1 nm每秒。即使人的DNA鏈也只是2.5 nm寬。這樣看來(lái)構造“納米”級的材料似乎是不可能的。但科學(xué)家和工程師通過(guò)使用電子束光刻技術(shù)等尖端技術(shù)，已經(jīng)成功的創(chuàng )造出壁厚只有1 nm的碳納米管。
當大的粒子變小時(shí)，其比表面積在不斷增加。這些碳納米管具有比地球上其它任何材料都高的比強度,可以拉伸超過(guò)厚度的一百萬(wàn)倍。碳納米管的質(zhì)量之輕和強度之高,使它們可以嵌入到其他金屬、混凝土、木材和玻璃等建筑材料中來(lái)增加材料密度和抗拉強度。工程師們甚至嘗試在建筑材料加入納米傳感器,這樣可以在材料破裂和開(kāi)裂之前監測出來(lái)。
Top 8 透明鋁材
透明鋁材可以需要更小的內部支撐來(lái)建造高聳的玻璃幕墻摩天大樓。
幾十年來(lái),化學(xué)工程師夢(mèng)寐以求一種結合了金屬的強度和耐久性的與玻璃般透亮的材料。這樣一種“透明金屬”可以在內部支撐更少時(shí)來(lái)建造高聳的玻璃幕墻摩天大樓。軍事建筑可以安裝這種薄而透明的金屬窗戶(hù)經(jīng)受起最高級的炮火的攻擊。想象一下用這種材料建造出的巨大的水族館會(huì )是一幅怎樣的景象!
早在1980年代,科學(xué)家們就開(kāi)始試驗一種新型由鋁、氧和氮混合粉體制得的陶瓷。陶瓷經(jīng)過(guò)熱處理和冷卻的過(guò)程得到的硬度很高的晶體材料。他們將混合鋁粉置于巨大的壓力之下, 在2000 ℃(3632 F)高溫加熱數天,最后拋光生產(chǎn)出透明如玻璃一般又兼具鋁的強度的新材料。這種被認為是透明鋁材或者ALON的太空材料已經(jīng)用于軍隊生產(chǎn)裝甲窗戶(hù)和光學(xué)透鏡。
Top 7 透水混凝土
較大顆粒和缺砂透水瀝青 (如圖所示)產(chǎn)生很多相互聯(lián)通的空隙,允許水通過(guò)地表,可以減少雨水徑流。(來(lái)源：BanksPhotos/ E+/ GettyImage)
當暴風(fēng)雨襲來(lái)，會(huì )有成片的雨水落下來(lái)，澆落到馬路、便道和停車(chē)場(chǎng)上，沖刷起大地表面的碎屑和污染物，把汽油這些潛在危險化學(xué)品直接沖到下水道和溪流中。美國環(huán)境保護署(EPA)已經(jīng)確認城市地區的雨水徑流是水質(zhì)污染主要來(lái)源。
自然有自己的方式,從雨水中過(guò)濾有毒物質(zhì)。土壤是一個(gè)巨大的過(guò)濾器濾掉金屬和其他無(wú)機物質(zhì)。隨著(zhù)雨水的向下滲透穿過(guò)土壤層，微生物和植物根系吸收了過(guò)量的化學(xué)物質(zhì)(來(lái)源:ESA)。了解這點(diǎn)后,工程師們創(chuàng )造出了一種新型的透水混凝土，它可以使雨水透過(guò)道路進(jìn)入土壤,讓大自然做它的過(guò)濾工作。
透水混凝土由較大顆粒的巖石和沙子組成，使道路中有15至35%的開(kāi)放空隙。透水混凝土的石板鋪設在礫石或其他多孔基材之上,這樣雨水會(huì )流入下面的土壤中。透水混凝土是停車(chē)場(chǎng)上瀝青的一個(gè)很好的替代品。它不僅可以顯著(zhù)減少徑流,其淺顏調還可以反射陽(yáng)光，在夏天保持涼爽。
Top 6 氣凝膠隔熱材料
放在櫻花上的氣凝膠碳海綿，它比氦氣還輕，卻可以吸收自重250-900倍的油。
如果米開(kāi)朗基羅著(zhù)名的大理石雕像大衛是由氣凝膠構成的話(huà),它將只有4磅(2公斤)!氣凝膠是地球上最低密度的物質(zhì)之一，是一種泡沫狀固體材料，盡管幾乎輕如空氣確保有固定形狀。有的氣凝膠的密度只有空氣的三倍，但通常氣凝膠是空氣的15倍重。
你可能會(huì )認為凝膠是如發(fā)膠一般濕濕的物質(zhì)。實(shí)際上氣凝膠是通過(guò)排除凝膠中的液體制得的。除去99%到90%的空氣以外，剩下的只是二氧化硅結構。氣凝膠是幾乎沒(méi)有重量,但是可以拉長(cháng)成薄片氣凝膠織物。在建設項目中,氣凝膠織物具有“超強隔熱”的特性。其多孔結構使熱量很難通過(guò)。測試表明氣凝膠織物的隔熱能力是傳統的玻璃纖維或泡沫絕緣材料的兩到四倍。一旦價(jià)格適中,它就可以廣泛應用于建筑。
Top 5 溫控反應瓷磚
由于桌子具有溫度控制表面，當熱的東西放在桌子上面時(shí)，桌面就會(huì )變色。
只要你是生活在1991年,你就很可能擁有一件超色T恤( Hypercolor)。利用一個(gè)叫熱致變色染料的科學(xué)奇跡，Hypercolor的設計師制出可以根據體溫改變顏色的T恤。廣告中這T恤衫看起來(lái)超級酷和性感：你的女朋友會(huì )把她熱的手放在你的胸部,留下一個(gè)發(fā)光的標志。但在現實(shí)中你的身體最熱的部分通常是你的腋窩。發(fā)光的腋窩可不那么超級性感。
如今,一家公司生產(chǎn)著(zhù)一種玻璃裝飾瓷磚，瓷磚表面涂覆一種熱致變色染料，可以像“活著(zhù)”一般隨表面溫度發(fā)生變化。在室溫下,瓷磚是一個(gè)光滑的黑色，但當你接觸到瓷磚或者有光直射或溫水接觸時(shí)，瓷磚顏色就像北極光一樣轉變成彩虹般的藍色、綠色和粉紅色。最酷的應用一定是變色浴室了。對于移動(dòng)顏色公司的好消息是房子可沒(méi)有令人尷尬的腋窩。。。
Top 4 機器人群體建筑
2014年在芝加哥美國科學(xué)促進(jìn)會(huì )的會(huì )議上哈佛大學(xué)人工智能學(xué)術(shù)研究員 Kirstin Petersen 演示了受白蟻啟發(fā)而開(kāi)發(fā)的機器人。
自然界最巧妙的建筑者之一是不起眼的白蟻。它用只有沙子一般大小的大腦,與成千上萬(wàn)的同胞們一起工作建立起龐大復雜的泥巴結構。白蟻引起了哈佛大學(xué)機器人研究人員的注意，因為這種昆蟲(chóng)并不是聽(tīng)取來(lái)自蟻穴中央的命令，每個(gè)白蟻只是根據基因程序規定的行為工作。這一群專(zhuān)一的個(gè)體在一起創(chuàng )造出了不朽的“泥塑”作品。
受到白蟻啟發(fā),哈佛大學(xué)自組織系統研究小組的研究人員組建了小型建筑機器人群體進(jìn)行工作。四輪機器人可以在空地上通過(guò)搬磚、爬墻和鋪磚砌出磚墻。它們有傳感器來(lái)檢測其他機器人的存在并按規則彼此互不干擾的工作。就像白蟻一般，沒(méi)有人“控制”它們,但它們按照程序齊心協(xié)作把設計變成現實(shí)。
想象一下這樣的應用場(chǎng)景:成群的機器人沿著(zhù)淹沒(méi)海岸線(xiàn)建造堤壩墻;成千上萬(wàn)的微型機器人在火星上建造出空間站，或者深海底天然氣管道被海里成群游蕩的機器人組裝完成。類(lèi)似的嘗試是用一群自主飛行機器人用來(lái)構建一個(gè)巧妙起伏的磚塔。
Top 3 3D打印房屋
馬義和(左)展示他公司在上海建造的房屋的3D打印墻體。他的公司計劃一天建造十幢這樣的房屋。
3D打印終于變成了主流。Makerbot出售的精致(也負擔得起)的桌面機器完全可以打印出3D塑料玩具、珠寶、機器零件和假肢。但是如果你想打印一些比鞋盒更大的東西呢?你能真實(shí)的造出一個(gè)足夠大的3D打印機打印出一個(gè)塑料房子嗎?
答案是肯定的。一家荷蘭建筑公司已經(jīng)啟動(dòng)了一項雄心勃勃的公共藝術(shù)項目來(lái)建造一幢3D打印的房子。但首先他們必須建立起一個(gè)世界上最大的3D打印機，稱(chēng)為 Kamermaker或“房屋制造者”。 Kamermaker使用塑料為原料，可以打印出像樂(lè )高積木一樣的大塑料組件，之后將其組裝成大房子的各個(gè)房間。再一次像樂(lè )高積木一樣，把各房間固定在一起，加上打印成型的外部設計使房屋看起來(lái)像傳統的荷蘭式傍水小宅。
同時(shí)，一家中國建筑企業(yè)也在使用巨大的3D打印機建造房屋。這個(gè)巨大的3D打印機能?chē)娡克鄬雍徒ㄖU料來(lái)組裝的房屋。這家建筑公司介紹說(shuō)房子將花費不到5000美元，而且它一天可以產(chǎn)生多達10套這樣的房屋。
Top 2 智能公路
如果我們發(fā)明出可以給新能源汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電的道路，那我們就不再需要鋪滿(mǎn)太陽(yáng)能電池板的汽車(chē)了。
一項最令人興奮的新想法是道路可以作為電動(dòng)車(chē)的充電器。一家新西蘭公司已經(jīng)建成一個(gè)大型“能源墊”,可以給停著(zhù)的電動(dòng)車(chē)無(wú)線(xiàn)充電。下一步就是將無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)嵌入到實(shí)際路面里,這樣電動(dòng)汽車(chē)可以在行進(jìn)中充電，而不會(huì )再需要充電站!
其他有趣的想法也可能在將來(lái)實(shí)現，比如路面吸收陽(yáng)光發(fā)電，或者更酷的是把壓電材料嵌入道路，捕捉過(guò)往車(chē)輛的振動(dòng)能，并將其轉換為可用的能源。
Top 1 CO2建筑
鮑魚(yú)的硬殼啟發(fā)了MIT的研究人員把鮑魚(yú)用來(lái)礦化CO2建筑自身外殼的酶分離出來(lái)。某一天我們或許可以利用CO2來(lái)生產(chǎn)碳磚。
由發(fā)電廠(chǎng)和機動(dòng)車(chē)排放出的二氧化碳(CO2)是人造溫室氣體的最大來(lái)源。每年，我們排除超過(guò)300億公噸的CO2到大氣中，加速了全球變暖的危害。在能源行業(yè)進(jìn)行著(zhù)的誘捕或“封存”二氧化碳進(jìn)行地下排放的試驗的同時(shí)，一組麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員已經(jīng)成功地利用轉基因酵母將CO2氣體轉化為了固體碳基建筑材料。
像哈佛大學(xué)的“白蟻”團隊一樣，麻省理工學(xué)院的研究人員也受到了自然的啟發(fā)，不過(guò)這次是鮑魚(yú)。和其他甲殼類(lèi)動(dòng)物一樣，鮑魚(yú)能把海水中得二氧化碳和礦物質(zhì)轉化為碳酸鈣來(lái)構建他們的堅硬如巖石的貝殼。研究人員分離出鮑魚(yú)用于礦化二氧化碳的酶，并用它改造了一批酵母菌生產(chǎn)。滿(mǎn)滿(mǎn)一燒杯的轉基因酵母可以利用只有1磅(0.5公斤)的CO2產(chǎn)生出2磅(1公斤)的固體碳酸鹽。想象它們能利用300億噸的二氧化碳生產(chǎn)出多少碳磚!
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