過去幾個(gè)世紀(jì)里，建筑材料在不斷地推陳出新，引領(lǐng)工程領(lǐng)域不斷創(chuàng)造出更美觀、更堅(jiān)固和更舒適的建筑作品。那么建筑技術(shù)的未來會(huì)是什么樣子？下面這十項(xiàng)在不久的將來振奮人心的建筑創(chuàng)新，其中部分甚至已在今天有所應(yīng)用。
一、自修復(fù)混凝土
混凝土是世界上使用最廣泛的建筑材料。事實(shí)上，它是水之后地球上第二大消費(fèi)品。混凝土有廉價(jià)和廣泛適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，但也容易開裂，在極熱和極冷環(huán)境下抗壓性能會(huì)惡化。
過去修復(fù)有裂縫的混凝土的唯一途徑就是修補(bǔ)它、加強(qiáng)它，或者把它敲下來從頭開始。但以后將不需再這樣了。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(fù)自身的裂縫。這是因?yàn)榛炷粱旌衔镏星度肓宋⑿退Ａz囊。當(dāng)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(bǔ)空隙，實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)。
這不是自修復(fù)混凝土的唯一修復(fù)方法。其他研究人員利用細(xì)菌或嵌入玻璃毛細(xì)管或聚合物微膠囊達(dá)到類似的效果。然而，羅得島大學(xué)的研究人員認(rèn)為他們的方法是最劃算的。
延長混凝土的壽命能帶來巨大的環(huán)境效益。目前世界范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)更安全，也可以減少溫室氣體的排放。
二、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(qiáng)度，可以拉伸超過厚度的一百萬倍。
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100000nm。人的指甲生長速度大約1nm每秒，即使人的DNA鏈也只是2.5nm寬。這樣看來構(gòu)造“納米”級(jí)的材料似乎是不可能的。但科學(xué)家和工程師通過使用電子束光刻技術(shù)等尖端技術(shù)，已經(jīng)成功地創(chuàng)造出壁厚只有1nm的碳納米管。
當(dāng)大的粒子變小時(shí)，其表面積在不斷增加。這些碳納米管具有比地球上其它任何材料都高的比強(qiáng)度，可以拉伸超過厚度的一百萬倍。碳納米管的質(zhì)量之輕和強(qiáng)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增加材料密度和抗拉強(qiáng)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裂之前監(jiān)測出來。
三、透明鋁材
透明鋁材可以需要更小的內(nèi)部支撐來建造高聳的玻璃幕墻摩天大樓。
幾十年來，化學(xué)工程師夢寐以求地開發(fā)一種結(jié)合了金屬的強(qiáng)度和耐久性的與玻璃般透亮的材料。
這種“透明金屬”可以以很小的內(nèi)部支撐來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經(jīng)受起最高級(jí)的炮火攻擊。而早在1980年代，科學(xué)家們就開始試驗(yàn)一種由鋁、氧和氮混合粉所形成的新型陶瓷。陶瓷經(jīng)過熱處理和冷卻過程得到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℃(3632F)高溫加熱數(shù)天，最后拋光生產(chǎn)出透明如玻璃一般又兼具鋁的強(qiáng)度的新材料。這種被認(rèn)為是透明鋁材或者ALON的太空材料已經(jīng)用于軍隊(duì)生產(chǎn)裝甲窗戶和光學(xué)透鏡。
四、透水混凝土
較大顆粒和缺砂透水瀝青產(chǎn)生很多相互聯(lián)通的空隙，允許水通過地表，可以減少雨水徑流。
當(dāng)暴風(fēng)雨襲來，會(huì)有成片的雨水落下來，澆落到馬路、便道和停車場上，沖刷起大地表面的碎屑和污染物，把汽油這些潛在危險(xiǎn)化學(xué)品直接沖到下水道和溪流中。美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)已經(jīng)確認(rèn)城市地區(qū)的雨水徑流是水質(zhì)污染主要來源。
從雨水中過濾有毒物質(zhì)，是一個(gè)既自然又有效的解決方法。土壤是一個(gè)巨大的過濾器，濾掉金屬和其他無機(jī)物質(zhì)。隨著雨水的向下滲透穿過土壤層，微生物和植物根系吸收了過量的化學(xué)物質(zhì)。
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，它可以使雨水透過道路進(jìn)入土壤，讓大自然做它的過濾工作。
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%的開放空隙。透水混凝土的石板鋪設(shè)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。透水混凝土是停車場上瀝青的一個(gè)很好替代品，它不僅可以顯著減少徑流，其淺顏色色調(diào)還可以反射陽光，在夏天保持涼爽。
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。
如果米開朗基羅著名的大理石雕像大衛(wèi)是由氣凝膠構(gòu)成的話，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3倍，但通常氣凝膠是空氣的15倍重。
你可能會(huì)認(rèn)為凝膠是如發(fā)膠一般濕濕的物質(zhì)。實(shí)際上氣凝膠是通過排除凝膠中的液體制得的。除去90%到99%的空氣以外，剩下的只是二氧化硅結(jié)構(gòu)。氣凝膠幾乎沒有重量，但是可以拉長成薄片氣凝膠織物。在建設(shè)項(xiàng)目中，氣凝膠織物具有“超強(qiáng)隔熱”的特性，其多孔結(jié)構(gòu)使熱量很難通過。測試表明氣凝膠織物的隔熱能力是傳統(tǒng)玻璃纖維或泡沫絕緣材料的2到4倍。一旦價(jià)格適中，它就可以廣泛應(yīng)用于建筑。
六、溫控反映瓷磚
由于桌子具有溫度控制表面，當(dāng)熱的東西放在桌子上面時(shí)，桌面就會(huì)變色。
而如今，一家名為移動(dòng)顏色(MovingColor)的公司生產(chǎn)著一種玻璃裝飾瓷磚，瓷磚表面涂覆著一種熱致變色染料，可以像“活著”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(dāng)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(zhuǎn)變成彩虹般的藍(lán)色、綠色和粉紅色。
七、機(jī)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KirstinPetersen演示了受白蟻啟發(fā)而開發(fā)的機(jī)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，與成千上萬的“同胞們”一起工作建立起龐大復(fù)雜的泥巴結(jié)構(gòu)。白蟻現(xiàn)象引起了哈佛大學(xué)機(jī)器人研究人員的注意，因?yàn)檫@種昆蟲并不是聽取來自蟻穴中央的命令，每個(gè)白蟻只是根據(jù)基因程序規(guī)定的行為工作。這一群專一的個(gè)體在一起創(chuàng)造出了不朽的“泥塑”作品。
受白蟻啟發(fā)，哈佛大學(xué)自組織系統(tǒng)研究小組的研究人員組建了小型建筑機(jī)器人群體進(jìn)行工作。四輪機(jī)器人可以在空地上通過搬磚、爬墻和鋪磚砌出磚墻。它們有傳感器來檢測其他機(jī)器人的存在并按規(guī)則彼此互不干擾地工作。就像白蟻一般，沒有人“控制”它們，但它們按照程序齊心協(xié)力把設(shè)計(jì)變成現(xiàn)實(shí)。
想象一下這樣的應(yīng)用場景：成群的機(jī)器人沿著淹沒海岸線建造堤壩墻;成千上萬的微型機(jī)器人在火星上建造空間站，或者深海海底天然氣管道被海里成群游蕩的機(jī)器人組裝完成。
八、智能公路
一家新西蘭公司已經(jīng)建成一個(gè)大型“能源墊”，可以給停著的電動(dòng)車無線充電。下一步就是將無線充電技術(shù)嵌入到實(shí)際路面里，這樣電動(dòng)汽車可以在行進(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實(shí)現(xiàn)，比如路面吸收陽光發(fā)電，或者把壓電材料嵌入道路，捕捉過往車輛的振動(dòng)能，并將其轉(zhuǎn)換為可用的能源。
九、二氧化碳建筑
由發(fā)電廠和機(jī)動(dòng)車排放出的二氧化碳是人造溫室氣體的最大來源。每年，我們約有300億公噸的二氧化碳排到大氣中。目前，一組麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員已經(jīng)成功地利用轉(zhuǎn)基因酵母將二氧化碳?xì)怏w轉(zhuǎn)化為了固體碳基建筑材料。
像哈佛大學(xué)的“白蟻”團(tuán)隊(duì)一樣，麻省理工學(xué)院的研究人員用滿滿一燒杯的轉(zhuǎn)基因酵母就可以利用只有1磅(0.5公斤)的二氧化碳產(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。
十、3D打印房屋
3D打印房屋終于變成了現(xiàn)實(shí)。
最近，一家荷蘭建筑公司已經(jīng)啟動(dòng)了一項(xiàng)雄心勃勃的公共藝術(shù)項(xiàng)目來建造一幢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(jī)，稱為Kamermaker或“房屋制造者”。Kamermaker使用塑料為原料，可以打印出像樂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。再一次像樂高積木一樣，把各房間固定在一起，加上打印成型的外部設(shè)計(jì)使房屋看起來像傳統(tǒng)的荷蘭式傍水小宅。
而在更早些時(shí)候，國內(nèi)一家企業(yè)已經(jīng)早就開始使用3D打印機(jī)建造房屋了。十大建筑創(chuàng)新技術(shù)，正在逐漸成為現(xiàn)實(shí)。
