文｜觀察未來科技
1982年，Kodama公司在日本推出了第一臺(tái)3D打印機(jī)，此后，許多想法都成了現(xiàn)實(shí)。不過，3D打印雖然已經(jīng)存在很久了，但并沒有成為主流。如今，情況發(fā)生了改變，摩爾定律的出現(xiàn)和計(jì)算機(jī)價(jià)格的下降使所有技術(shù)的成本都降低了。
當(dāng)前，3D打印技術(shù)己被全方位應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括建筑產(chǎn)業(yè)，并且開始帶來了巨大的影響。現(xiàn)階段的3D打印建筑會(huì)在印出3D設(shè)計(jì)圖后組裝房子；早期，3D打印建筑使用的主要材料為塑膠，現(xiàn)在則開始用起了混凝土，業(yè)界也正在積極研究新材料。并且，如果3D打印技術(shù)與智能技術(shù)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，那人類將能利用這項(xiàng)技術(shù)建造更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)物。
實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)
實(shí)際上，建筑也是一門關(guān)于數(shù)學(xué)的學(xué)問。
斐波那契數(shù)列，又稱黃金分割數(shù)列，因數(shù)學(xué)家萊昂納多·斐波那契以兔子繁殖為例子而引入，故又稱為“兔子數(shù)列”。斐波那契數(shù)列以規(guī)律的方式展開，每個(gè)數(shù)字都是前兩個(gè)的總和，并以簡(jiǎn)單的規(guī)則生成序列，所以，數(shù)列的順序是1、1、2、3、5、8、13、21……計(jì)算機(jī)被指定這一規(guī)律后，就可以輕松地計(jì)算斐波那契數(shù)的長數(shù)列。
斐波那契數(shù)列在自然界中隨處可見。樹枝就按照這個(gè)順序分叉生長，蕨類植物和洋薊花的形狀，甚至漩渦和海帶波動(dòng)的模式都是如此。貝殼的螺旋線也是斐波那契數(shù)列的自然體現(xiàn)，無論外殼的大小是像乒乓球還是像大西瓜，其內(nèi)部的螺旋曲線往往具有相同的形狀。
基于此，如果想要模仿大自然的設(shè)計(jì)智慧，最有效的辦法之一，就是運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)律或算法生成形狀。盡管計(jì)算機(jī)生成的三維分形已經(jīng)誕生了幾十年，但是至今，三維分形仍然只存在于虛擬世界中。
而3D打印技術(shù)的誕生，則使得復(fù)雜抽象的模型有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)從虛擬世界走向現(xiàn)實(shí)世界這一構(gòu)想。當(dāng)前，隨著3D打印將數(shù)學(xué)模型和自然規(guī)律從抽象的束縛中解放出來，各種以前無法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)正逐步呈現(xiàn)。利用數(shù)據(jù)和算法的結(jié)合，設(shè)計(jì)師們可以創(chuàng)造出多種二維和三維的形狀和圖案，并通過3D打印使其成為實(shí)物。
不同于放在桌面或廚房的柜臺(tái)上的3D打印機(jī)，被用來打印房子的3D打印機(jī)，將像一輛皮卡車一樣巨大，又寬又平。3D打印機(jī)設(shè)備的一端是電腦，人們通過互聯(lián)網(wǎng)將設(shè)計(jì)發(fā)送過來；另外一端則用來吐出材料，它們被組裝到一起構(gòu)成房子的前面和側(cè)面。
如今，建筑學(xué)家們正在使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件和定制的3D打印機(jī)打印水泥房子——只不過，建筑物的3D打印機(jī)能夠制成迄今為止沒辦法制成的形狀，如改善通氣的渠道，特別的建筑特征以及千奇百怪的花樣裝飾，建筑物3D打印機(jī)能夠在一個(gè)更大的范圍內(nèi)打印奇特而不尋常的物理形狀。
斯蒂芬·托德和威廉·萊瑟姆在一本有關(guān)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的著作《進(jìn)化藝術(shù)和計(jì)算機(jī)》中解釋道：“計(jì)算機(jī)不會(huì)盲目地服從指令，它們只是用來提供建議，從而使藝術(shù)家們保留決定最終審美選擇的權(quán)利。”而下一代的智能設(shè)計(jì)軟件工具就會(huì)具備相同的設(shè)計(jì)效果。
不難想象，在將來的一天里，人們?cè)O(shè)計(jì)的過程將會(huì)由智能響應(yīng)型軟件或者“機(jī)器人設(shè)計(jì)師”進(jìn)行輔助，這將加速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)解決方案。如今，計(jì)算機(jī)算法已經(jīng)能夠提供超出設(shè)計(jì)師所能想象的更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)解決方案。
一方面，未來，連接到3D打印機(jī)和數(shù)據(jù)源的機(jī)器人設(shè)計(jì)師將會(huì)改變?cè)O(shè)計(jì)師、藝術(shù)家或者建筑師的角色，人們將不再花時(shí)間起草和測(cè)試可能的設(shè)計(jì)方案。另一方面，人們將擁有對(duì)設(shè)計(jì)目的、設(shè)計(jì)約束和設(shè)計(jì)內(nèi)容具備較高水準(zhǔn)的機(jī)器人設(shè)計(jì)師，而人們只需要定義目標(biāo)解決方案的參數(shù)，并通過3D打印機(jī)，使得建筑設(shè)計(jì)達(dá)到一個(gè)嶄新的創(chuàng)作高度。
3D打印技術(shù)和計(jì)算機(jī)讓人們可以從自然系統(tǒng)中汲取養(yǎng)分，并將數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到設(shè)計(jì)過程中。設(shè)計(jì)師休·都百利總結(jié)道：“設(shè)計(jì)不再只關(guān)心物體本身，漸漸變成關(guān)心系統(tǒng)，而現(xiàn)在是系統(tǒng)的系統(tǒng)，或者說生態(tài)系統(tǒng)。從某種意義上說，這些系統(tǒng)都是活的，它們不斷成長，共同進(jìn)化?！?/p>
從低成本到按需打印
3D打印建筑除了能實(shí)時(shí)地響應(yīng)設(shè)計(jì)的變化外，還能夠獲得更好的建筑材料、更有效的計(jì)算建模能力以及更強(qiáng)的變速數(shù)據(jù)分析能力，從而徹底重塑建筑業(yè)。
首先，3D打印機(jī)能夠建造低成本住宅。根據(jù)《科技》雜志摩根·佩克的數(shù)據(jù)，在美國建一座2800平方英尺的標(biāo)準(zhǔn)兩層樓房需要花費(fèi)6周到6個(gè)月的時(shí)間，成本的一大部分來自于原材料，另外一塊成本及困難源自施工過程和施工人員成本。而3D打印建筑將會(huì)引進(jìn)全新的材料，例如使用更厚的水泥和會(huì)白行支撐建筑物的合成物的混合材料，以降低施工成本。
在理想的狀態(tài)下，3D打印的結(jié)構(gòu)能夠采用本地可用資源制成，比如沙子或泥土——智能設(shè)計(jì)軟件能夠?qū)⒉牧匣旌?。比如?nbsp;在大西洋的另一邊，意大利比薩斜塔的外面，意大利設(shè)計(jì)師和建筑師恩里科·迪尼就設(shè)計(jì)了一個(gè)計(jì)算機(jī)引導(dǎo)的3D打印施工方法，使用沙子和一種無機(jī)黏合劑來建造人造砂巖。
恩里科把他的建筑打印機(jī)命名為“D型自動(dòng)化建造系統(tǒng)”。連接到D型打印機(jī)上的計(jì)算機(jī)運(yùn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，可以引導(dǎo)自動(dòng)化手臂在一片沙床上一點(diǎn)點(diǎn)移動(dòng)。D型打印機(jī)通過許許多多的小打印頭將液體黏合劑擠壓到沙床上，黏合劑含有催化劑能夠快速黏合沙子。反復(fù)工作4遍之后，打印層開始凝固，再將新沙子撒到上面，重新校對(duì)自動(dòng)化手臂，在第一層的上面重新涂一層黏合劑。
更重要的是，打印的墻壁凝固需要花費(fèi)約1天的時(shí)間，黏合劑非常牢固，可以替代鐵來加工建筑。由D型打印機(jī)打印的人造石頭能夠由任何一種沙子支撐，而且比普通水泥更堅(jiān)固、便宜。3D打印的砂巖結(jié)構(gòu)比采用傳統(tǒng)建筑材料建設(shè)更方便快捷。
并且，不同于建筑起重機(jī)將鋼筋投放到指定位置的方式，一個(gè)3D打印的結(jié)構(gòu)是由能適應(yīng)壓力和負(fù)荷的建筑材料的定制混合而成的。就像一塊不斷生長的骨頭，當(dāng)在上面放置重物時(shí)，就會(huì)變厚，而3D打印則能夠隨著壓力的增加而增厚。
Fabbaloo博客，作為一個(gè)關(guān)注3D打印的博客網(wǎng)站，其中的一篇文章就談到：“想象一下，建筑用的大梁在需要堅(jiān)固的地方堅(jiān)固，在需要輕巧的地方輕巧，或者在稀疏的部分不用任何材料。造出的每一塊都能夠根據(jù)它的特有目的，應(yīng)用最少的材料，提供最好的物理強(qiáng)度?！?/p>
此前，中國的盈創(chuàng)建筑科有限公司就稱能夠打印建造房屋所需要的所有部件，然后使用這些部件在一天內(nèi)組裝出一座房子。也許在未來，該公司可以在幾分鐘內(nèi)建成一座房子。成品主要是由混凝土與其他材料制成。未來的建筑將極大地拓展這方面的能力——按需打印，這將使勞動(dòng)力和材料成本降至最低。
總的來說，3D住宅打印的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)多于現(xiàn)有建筑方式。3D打印住宅的施工成本低，人們不但能大幅節(jié)省時(shí)間、精力、建材，減少廢棄物，還幾乎不需要投入勞動(dòng)成本。由于施工時(shí)間短，人們得以迅速供應(yīng)購房者住屋，建成3D打印住宅，甚至不需要花到一個(gè)星期。
在這樣的基礎(chǔ)上，3D打印機(jī)能夠應(yīng)對(duì)各種現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。比如，3D打印機(jī)能夠?yàn)榱鲃?dòng)人口所用，如難民或自然災(zāi)害的受害者，幫助他們建造避難場(chǎng)所。
當(dāng)3D打印機(jī)打印3D打印機(jī)
當(dāng)然，3D打印建筑對(duì)人類社會(huì)更深遠(yuǎn)的影響，還在于徹底改變?nèi)祟惿鐣?huì)的居住文化——在3D打印重塑建筑業(yè)的基礎(chǔ)上，3D打印建筑進(jìn)一步發(fā)展的方向，就會(huì)是都市計(jì)劃。比如，中國建筑公司盈創(chuàng)宣布，他們計(jì)劃用3D打印技術(shù)在中國建設(shè)100座工廠，并在未來幾年內(nèi)在20個(gè)國家建立工廠。
美國也有望同時(shí)建造智慧城市和3D打印城市，洛杉磯就是應(yīng)用了智慧科技的典型例子。洛杉磯街上的路燈與政府的照明部門無線連結(jié)在一起，因此需要修理路燈或變更紅綠燈時(shí)，政府可以實(shí)時(shí)掌握情況。
此外。洛杉磯還計(jì)劃將3D打印建筑技術(shù)用于透過數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)無線連結(jié)的出租公寓。這些大樓內(nèi)部將會(huì)事先安裝能幫助人們的生活變得更便利的前沿技術(shù)產(chǎn)品，包括智能型溫控裝置、聲音響應(yīng)式保全設(shè)備、具備環(huán)繞聲道音效功能的超高畫質(zhì)電視等。
顯然，3D打印遇到包括智能技術(shù)在內(nèi)的新興技術(shù)時(shí)時(shí)，我們還將會(huì)迎來一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)，并根據(jù)人們的住房需要來提供住宅。當(dāng)前，人口高齡化正在加速，與年輕人相比，由于老年人的動(dòng)作比較遲緩，且經(jīng)常會(huì)出于健康原因需要坐輪椅，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的房子經(jīng)常會(huì)給老年人帶來不便，無論是家里有樓梯，還是從玄關(guān)到前院的路上有樓梯或門檻，對(duì)老年人來說都是種阻礙。
這種時(shí)候，就會(huì)需要一個(gè)沒有任何門檻、地板皆以平地相連的房子，而 3D打印技術(shù)很容易建造出這樣的房子，3D打印技術(shù)還能讓我們將室內(nèi)設(shè)計(jì)成沒有房門的開放式結(jié)構(gòu)或走道寬敞的結(jié)構(gòu)，以便移動(dòng)輪椅或移動(dòng)式的床，因此與結(jié)構(gòu)復(fù)雜的現(xiàn)有房屋相比，3D打印的簡(jiǎn)約住房從各方面來說都很適合老年人居住。
另外，3D打印帶來的智能型和現(xiàn)場(chǎng)型的施工還將對(duì)未來軍事和太空探索大有益處?？苹眯≌f家布魯斯·斯特林有一句名言：“就像白蟻在地球上建造城堡一樣，機(jī)器人也可以在月球上建立起摩天大樓。”基于太空旅行的想法，美國國家航空航天局已經(jīng)資助了幾個(gè)探索在外太空建造建筑物的可能辦法?；蛟S，在未來某一天，人們就能夠通過3D打印建筑在月球和火星上蓋房子。
最終，作為建筑業(yè)的一種改善，3D打印機(jī)將能夠建造出生態(tài)友好型高密度舒適住宅。與此同時(shí)，3D打印技術(shù)還將在未來引發(fā)多克托羅效應(yīng)，即3D打印機(jī)不僅能夠打印復(fù)雜的設(shè)備、建筑材料等，還能精確復(fù)制3D打印機(jī)本身，那時(shí)人類又將抵達(dá)一個(gè)新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)3D打印機(jī)可以打印3D打印機(jī)時(shí)，加上先進(jìn)的下一代技術(shù)，未來的世界將以強(qiáng)有力的、目前的大腦還不能完全理解的方式被徹底改變，并帶來無盡的價(jià)值。