導(dǎo)讀：火星是我們的太陽(yáng)系中除地球外最適宜人類居住的行星，一直以來(lái)，各國(guó)對(duì)火星的探索熱情一直居高不下。隨著3D打印技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們驚奇地發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)新技術(shù)有可能在未來(lái)的火星移民發(fā)揮出不可估量的潛力。

2022年5月3日，泰勒大學(xué)的工程師們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種3D打印機(jī)，據(jù)說(shuō)能夠更快地建造地外基地，并且是以超出目前其他任何打印系統(tǒng)的效率。

與限制在單一地點(diǎn)生產(chǎn)的地外棲息地建設(shè)平臺(tái)不同，該團(tuán)隊(duì)的 "移動(dòng)龍門"安裝在輪子上，使其能夠穿越行星表面并按需打印。由于這種靈活性和機(jī)器的"無(wú)軌龍門"布局，它的設(shè)計(jì)者表示它可以允許 "按順序建造"火星基地，在準(zhǔn)備完成的時(shí)候展開(kāi)作業(yè)區(qū)域。

△工程師的"Mud Dauber "移動(dòng)龍門式3D打印機(jī)原型。圖片來(lái)自泰勒大學(xué)。

為火星殖民做準(zhǔn)備

近年來(lái)，世界各地的航天機(jī)構(gòu)和承包商已經(jīng)開(kāi)始加速為新的探索任務(wù)做準(zhǔn)備。這不僅包括像美國(guó)宇航局的Artemis計(jì)劃，該計(jì)劃的目標(biāo)是在2025年之前將人類送回月球，還包括由美國(guó)、中國(guó)、俄羅斯、日本和印度等國(guó)的機(jī)構(gòu)組織的向火星發(fā)送軌道器和登陸器的計(jì)劃。

圍繞未來(lái)地外任務(wù)出現(xiàn)的許多問(wèn)題之一，是如何最好地在寒冷的太空真空中建立永久的、可居住的基地。如果在陸地上建造設(shè)施，并將其發(fā)射到月球或火星的著陸點(diǎn)，那么它們的發(fā)射成本將是天文數(shù)字，同時(shí)也會(huì)限制定居者的人口增長(zhǎng)。

同樣地，使用傳統(tǒng)的制造方法在行星表面上進(jìn)行建造會(huì)受到許多因素的影響，特別是建筑材料的運(yùn)輸，因此3D打印作為一種替代方法獲得了關(guān)注。至少?gòu)睦碚撋现v，通過(guò)該技術(shù)可以加工月球石等資源，加上其固有的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的模塊化結(jié)構(gòu)。

然而，泰勒大學(xué)團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)了現(xiàn)有的"固定基地徑向臂 "系統(tǒng)是如何受制于其有限的范圍，以及在建造完成之前無(wú)法在不同地點(diǎn)之間移動(dòng)。移動(dòng)機(jī)器人和基于龍門的方法也顯示出作為地外建筑機(jī)器的應(yīng)用前景，但工程師們說(shuō)這些方法分別"限制了棲息地的設(shè)計(jì) "和 "擁有有限的速度"。

△該機(jī)器的粗略定位（藍(lán)色）和精細(xì)定位（綠色）子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)允許在數(shù)百米范圍內(nèi)進(jìn)行精確的3D打印。

圖片來(lái)自泰勒大學(xué)。

引入移動(dòng)式龍門3D打印機(jī)

為了繞過(guò)目前建筑3D打印方法的限制，泰勒大學(xué)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)有效地決定將移動(dòng)和龍門單元背后的技術(shù)結(jié)合到一個(gè)系統(tǒng)中。在實(shí)踐中，這意味著他們的機(jī)器能夠通過(guò)滾動(dòng)創(chuàng)造一個(gè)X軸，然后使用棱形關(guān)節(jié)作為實(shí)現(xiàn)Y軸和Z軸運(yùn)動(dòng)的手段，并最終不依賴軌道進(jìn)行打印。為了確保移動(dòng)龍門架不會(huì)因跑偏而導(dǎo)致錯(cuò)誤，工程師們還為它安裝了一個(gè) "本地定位系統(tǒng)"，使它能夠確定其打印頭的位置、方向和速度。工程師們認(rèn)為，這將使機(jī)器能夠以無(wú)線方式操作，快速更新并精確地創(chuàng)建高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)，同時(shí)還能大踏步地應(yīng)對(duì)表面的顛簸。

研究人員已經(jīng)成功地以原型的形式實(shí)現(xiàn)了他們的概念，完成了地形補(bǔ)償、精細(xì)定位和3D打印子系統(tǒng)。在最初的測(cè)試中，這種 "泥漿噴射器 "的設(shè)計(jì)已被證明能夠穿越不平坦的地形，并使用具有三個(gè)自由度的笛卡爾定位系統(tǒng)，將硫磺混凝土漿液擠壓成復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

隨著進(jìn)一步的研發(fā)，工程師們相信，移動(dòng)龍門系統(tǒng)有可能實(shí)現(xiàn) "具有巨大內(nèi)部體積 "的場(chǎng)地的 "平行建設(shè)"，以及允許其擴(kuò)展的錐形連接點(diǎn)。鑒于其設(shè)計(jì)的尺寸和簡(jiǎn)單性，該團(tuán)隊(duì)還預(yù)計(jì)，在未來(lái)，他們的機(jī)器人可以成群部署，作為一種 "以更高的質(zhì)量更快地完成打印 "的方式。

△作為"MOONRISE項(xiàng)目 "的一部分而開(kāi)發(fā)的車載激光3D打印機(jī)的3D效果圖。圖片來(lái)自漢諾威激光中心。

月球3D打印的進(jìn)展

作為為月球上的定居者建造有彈性的、適合居住的基礎(chǔ)設(shè)施的一種手段，基于月球雷石的3D打印方法持續(xù)受到關(guān)注。就在去年，據(jù)透露，新南威爾士大學(xué)已經(jīng)開(kāi)展了一項(xiàng)合作研究，以幫助Luyten開(kāi)發(fā)其Platypus Galacticas 3D打印機(jī)，這是一個(gè)9x12m的龍門架系統(tǒng)，旨在幫助澳大利亞爭(zhēng)取月球居住權(quán)。與此同時(shí)，總部位于荷蘭的MX3D公司為歐洲航天局的月球定居點(diǎn)原型提出了一個(gè)骨架式3D打印月球地板概念。利用增材制造，該公司已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)其光滑的網(wǎng)狀設(shè)計(jì)，同時(shí)用輕質(zhì)鋼生產(chǎn)，據(jù)說(shuō)當(dāng)時(shí)有可能將功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)嵌入結(jié)構(gòu)中。

在其他地方，來(lái)自布倫瑞克技術(shù)大學(xué)和漢諾威激光中心的科學(xué)家們也開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有3D打印能力的月球車（更多在實(shí)驗(yàn)層面）。作為他們代號(hào)為 "MOONRISE "的項(xiàng)目的一部分，研究人員已經(jīng)成功地將激光器安裝到 "MIRA3D "車上，然后利用它將月塵熔化成大型球形原型結(jié)構(gòu)。

研究人員的發(fā)現(xiàn)在他們題為 " The Mobile Gantry: ARobotic Architecture for 3D Printing Structures on Mars"的論文中得到了詳細(xì)說(shuō)明，該論文由Peter Staritz、Caleb Miller和Josiah McClurg共同撰寫(xiě)。

相關(guān)論文鏈接：https://engrxiv.org/preprint/view/2313

來(lái)源：中國(guó)3D打印網(wǎng)