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文 | 觀察未來科技

1982年，Kodama公司在日本推出了第一台3D打印機，此後，許多想法都成了現實。不過，3D打印雖然已經存在很久了，但并沒有成為主流。如今，情況發生了改變，摩爾定律的出現和計算機價格的下降使所有技術的成本都降低了。

當前，3D打印技術己被全方位應用于各個領域，包括建築産業，并且開始帶來了巨大的影響。現階段的3D打印建築會在印出3D設計圖後組裝房子；早期，3D打印建築使用的主要材料為塑膠，現在則開始用起了混凝土，業界也正在積極研究新材料。并且，如果3D打印技術與智能技術産生協同效應，那人類将能利用這項技術建造更複雜的結構物。

實現更複雜的設計

實際上，建築也是一門關于數學的學問。

斐波那契數列，又稱黃金分割數列，因數學家萊昂納多·斐波那契以兔子繁殖為例子而引入，故又稱為“兔子數列”。斐波那契數列以規律的方式展開，每個數字都是前兩個的總和，并以簡單的規則生成序列，所以，數列的順序是1、1、2、3、5、8、13、21……計算機被指定這一規律後，就可以輕松地計算斐波那契數的長數列。

斐波那契數列在自然界中随處可見。樹枝就按照這個順序分叉生長，蕨類植物和洋薊花的形狀，甚至漩渦和海帶波動的模式都是如此。貝殼的螺旋線也是斐波那契數列的自然體現，無論外殼的大小是像乒乓球還是像大西瓜，其内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計智慧，最有效的辦法之一，就是運用數學規律或算法生成形狀。盡管計算機生成的三維分形已經誕生了幾十年，但是至今，三維分形仍然隻存在于虛拟世界中。

而3D打印技術的誕生，則使得複雜抽象的模型有機會實現從虛拟世界走向現實世界這一構想。當前，随着3D打印将數學模型和自然規律從抽象的束縛中解放出來，各種以前無法實現的設計正逐步呈現。利用數據和算法的結合，設計師們可以創造出多種二維和三維的形狀和圖案，并通過3D打印使其成為實物。

不同于放在桌面或廚房的櫃台上的3D打印機，被用來打印房子的3D打印機，将像一輛皮卡車一樣巨大，又寬又平。3D打印機設備的一端是電腦，人們通過互聯網将設計發送過來；另外一端則用來吐出材料，它們被組裝到一起構成房子的前面和側面。

如今，建築學家們正在使用傳統的設計軟件和定制的3D打印機打印水泥房子——隻不過，建築物的3D打印機能夠制成迄今為止沒辦法制成的形狀，如改善通氣的渠道，特别的建築特征以及千奇百怪的花樣裝飾，建築物3D打印機能夠在一個更大的範圍内打印奇特而不尋常的物理形狀。

斯蒂芬·托德和威廉·萊瑟姆在一本有關計算機圖形學的著作《進化藝術和計算機》中解釋道：“計算機不會盲目地服從指令，它們隻是用來提供建議，從而使藝術家們保留決定最終審美選擇的權利。”而下一代的智能設計軟件工具就會具備相同的設計效果。

不難想象，在将來的一天裡，人們設計的過程将會由智能響應型軟件或者“機器人設計師”進行輔助，這将加速實現設計解決方案。如今，計算機算法已經能夠提供超出設計師所能想象的更為複雜的設計解決方案。

一方面，未來，連接到3D打印機和數據源的機器人設計師将會改變設計師、藝術家或者建築師的角色，人們将不再花時間起草和測試可能的設計方案。另一方面，人們将擁有對設計目的、設計約束和設計内容具備較高水準的機器人設計師，而人們隻需要定義目标解決方案的參數，并通過3D打印機，使得建築設計達到一個嶄新的創作高度。

3D打印技術和計算機讓人們可以從自然系統中汲取養分，并将數學模型應用到設計過程中。設計師休·都百利總結道：“設計不再隻關心物體本身，漸漸變成關心系統，而現在是系統的系統，或者說生态系統。從某種意義上說，這些系統都是活的，它們不斷成長，共同進化。”

從低成本到按需打印

3D打印建築除了能實時地響應設計的變化外，還能夠獲得更好的建築材料、更有效的計算建模能力以及更強的變速數據分析能力，從而徹底重塑建築業。

首先，3D打印機能夠建造低成本住宅。根據《科技》雜志摩根·佩克的數據，在美國建一座2800平方英尺的标準兩層樓房需要花費6周到6個月的時間，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打印建築将會引進全新的材料，例如使用更厚的水泥和會白行支撐建築物的合成物的混合材料，以降低施工成本。

在理想的狀态下，3D打印的結構能夠采用本地可用資源制成，比如沙子或泥土——智能設計軟件能夠将材料混合。比如， 在大西洋的另一邊，意大利比薩斜塔的外面，意大利設計師和建築師恩裡科·迪尼就設計了一個計算機引導的3D打印施工方法，使用沙子和一種無機黏合劑來建造人造砂岩。

恩裡科把他的建築打印機命名為“D型自動化建造系統”。連接到D型打印機上的計算機運行計算機輔助設計軟件，可以引導自動化手臂在一片沙床上一點點移動。D型打印機通過許許多多的小打印頭将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。反複工作4遍之後，打印層開始凝固，再将新沙子撒到上面，重新校對自動化手臂，在第一層的上面重新塗一層黏合劑。

更重要的是，打印的牆壁凝固需要花費約1天的時間，黏合劑非常牢固，可以替代鐵來加工建築。由D型打印機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固、便宜。3D打印的砂岩結構比采用傳統建築材料建設更方便快捷。

并且，不同于建築起重機将鋼筋投放到指定位置的方式，一個3D打印的結構是由能适應壓力和負荷的建築材料的定制混合而成的。就像一塊不斷生長的骨頭，當在上面放置重物時，就會變厚，而3D打印則能夠随着壓力的增加而增厚。

Fabbaloo博客，作為一個關注3D打印的博客網站，其中的一篇文章就談到：“想象一下，建築用的大梁在需要堅固的地方堅固，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它的特有目的，應用最少的材料，提供最好的物理強度。”

此前，中國的盈創建築科有限公司就稱能夠打印建造房屋所需要的所有部件，然後使用這些部件在一天内組裝出一座房子。也許在未來，該公司可以在幾分鐘内建成一座房子。成品主要是由混凝土與其他材料制成。未來的建築将極大地拓展這方面的能力——按需打印，這将使勞動力和材料成本降至最低。

總的來說，3D住宅打印的優點遠多于現有建築方式。3D打印住宅的施工成本低，人們不但能大幅節省時間、精力、建材，減少廢棄物，還幾乎不需要投入勞動成本。由于施工時間短，人們得以迅速供應購房者住屋，建成3D打印住宅，甚至不需要花到一個星期。

在這樣的基礎上，3D打印機能夠應對各種現實挑戰。比如，3D打印機能夠為流動人口所用，如難民或自然災害的受害者，幫助他們建造避難場所。

當3D打印機打印3D打印機

當然，3D打印建築對人類社會更深遠的影響，還在于徹底改變人類社會的居住文化——在3D打印重塑建築業的基礎上，3D打印建築進一步發展的方向，就會是都市計劃。比如，中國建築公司盈創宣布，他們計劃用3D打印技術在中國建設100 座工廠，并在未來幾年内在20個國家建立工廠。

美國也有望同時建造智慧城市和3D打印城市，洛杉矶就是應用了智慧科技的典型例子。洛杉矶街上的路燈與政府的照明部門無線連結在一起，因此需要修理路燈或變更紅綠燈時，政府可以實時掌握情況。

此外。洛杉矶還計劃将3D打印建築技術用于透過數字生态系統無線連結的出租公寓。這些大樓内部将會事先安裝能幫助人們的生活變得更便利的前沿技術産品，包括智能型溫控裝置、聲音響應式保全設備、具備環繞聲道音效功能的超高畫質電視等。

顯然，3D打印遇到包括智能技術在内的新興技術時時，我們還将會迎來一個完整的生态系統，并根據人們的住房需要來提供住宅。當前，人口高齡化正在加速，與年輕人相比，由于老年人的動作比較遲緩，且經常會出于健康原因需要坐輪椅，結構複雜的房子經常會給老年人帶來不便，無論是家裡有樓梯，還是從玄關到前院的路上有樓梯或門檻，對老年人來說都是種阻礙。

這種時候，就會需要一個沒有任何門檻、地闆皆以平地相連的房子，而 3D打印技術很容易建造出這樣的房子，3D打印技術還能讓我們将室内設計成沒有房門的開放式結構或走道寬敞的結構，以便移動輪椅或移動式的床，因此與結構複雜的現有房屋相比，3D打印的簡約住房從各方面來說都很适合老年人居住。

另外，3D打印帶來的智能型和現場型的施工還将對未來軍事和太空探索大有益處。科幻小說家布魯斯·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資助了幾個探索在外太空建造建築物的可能辦法。或許，在未來某一天，人們就能夠通過3D打印建築在月球和火星上蓋房子。

最終，作為建築業的一種改善，3D打印機将能夠建造出生态友好型高密度舒适住宅。與此同時，3D打印技術還将在未來引發多克托羅效應，即3D打印機不僅能夠打印複雜的設備、建築材料等，還能精确複制3D打印機本身，那時人類又将抵達一個新的轉折點。當3D打印機可以打印3D打印機時，加上先進的下一代技術，未來的世界将以強有力的、目前的大腦還不能完全理解的方式被徹底改變，并帶來無盡的價值。（本文首發钛媒體APP）

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