水蜘蛛、机器人、碳纤维与第四次工业革命

发布日期:2017-05-24 13:54
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碳纤维浸布2
德国斯图加特大学,Achim Menges带领的团队正致力于以机器人制造碳纤维建筑物的实验。这一实验看似简单,却已受到广泛关注。我们认为该实验至少能带来以下启发:
  1.向大自然学习永远是一项有效的创新方式。Achim Menges团队大量研究了海蜘蛛水泡、海胆外壳、甲虫翅膀等多种生物的结构特性,这是团队后来进行的多项建筑物实验的重要基础,也是仿生学在建筑结构中的又一次应用尝试。

  2.机器人将有效推进新材料的应用。新材料研发一直是制造业的一个重大课题。机器人的介入将有效推进这一进程。因为机器人的智能化、高精度、定制化特征有助于发掘新材料中的更多特性与功能,并拓展其应用范围,例如本文中提到的碳纤维材料。

  3.软件在机器人与建筑领域的应用日益重要。Achim Menges认为目前制约碳纤维在建筑业应用推广最大的制约来自于软件。这可能符合“硬件产品是软件的最小容器”的类似评论。最终,包括建筑业在内的产业进步必须依赖于软件开发与物理制造的融合发展。

  4.“跨界”是第四次工业革命的基本特征。Achim Menges团队的实验项目非常清晰地表明:不论是建筑业,还是其他产业,“跨界”都已经成为第四次工业革命的基本特征与要素。正因为如此,Achim Menges才会非常乐观的认为,碳纤维与机器将塑造第四次工业革命。从建筑业拓展开去,我们还将看多其他产业更多的“跨界”应用成果。

  

  建筑师与研究者Achim Menges表示,碳纤维是建筑业尚未开发的最大资源。同时,他声称,机器人可通过编程,使用纤维建筑材料建造体育场的屋顶。

  Menges是斯图加特大学计算设计研究所的负责人。他正在开发一个软件,以使机器人能够更多凭直觉从事建造工作,而且已经使用该系统尝试建造了一个碳纤维展示亭。
  Menges认为,此类结合数字技术和物理制造的项目,具有彻底变革建筑行业的潜力。

  他说:“这是一项非常新的技术,所以还没有人来实施并进行商业化,”他还补充:“我们不是在看关于制造事物的渐进的演化,这是一个非常重大的转变,是第四次工业革命的一种形式。”

  Menges认为,建筑行业利用碳纤维的全部可能性仍有待发掘,并声称机器人建造模式可以激发出这种潜力。

  他说:“这种材料中本来的可能性并没有被充分地挖掘出来,我们还没有脱离以新材料模仿旧材料的阶段。”
     Menges认为机器人建造模式可激发出碳纤维的潜力

  在过去几年中,Menges与工程师Jan Knippers一起工作,共同探索自然界中发现的结构是否可以作为未来建筑的一种启示。目前他们正与另一位工程师Thomas Auer和建筑师Moritz Dörstelmann一起,为伦敦V&A博物馆打造机器人制造的碳纤维构筑物。
 


     Achim Menges(右)团队正在为V&A博物馆打造碳纤维展示亭

  他们已经开发出的一项技术是:以机器自动编织的方式,将纤维暴露而不是嵌入在主体材料中——他们认为这一系统可能建造出巨大而结实的碳纤维结构,并足以构成体育场的屋顶。

  Menges说:“这可能在未来的建筑行业中得到应用。而主要的障碍在于:用于控制机器人建造过程的计算机软件的开发。”
 
    一对KUKA机器人正在建造V&A构筑物原型

  碳纤维是纤维增强复合材料的一部分,它与纤维水泥和玻璃纤维一样,是建筑业、革命性的材料之一。
  这种材料最早是在20世纪60年代开始崭露头角,其高强度使其成为家具和运输行业的理想选择。近年来,其应用日益广泛,第一辆大规模生产的碳纤维汽车和飞机——宝马i3和波音787梦想客机已经推向市场。

  Menges认为,碳纤维的大多数组成成分都是在模仿更多的传统材料。但是在相对新的材料领域使用老的技术,会使建筑业错过充分的探索机会。

  “(纤维材料)还没有在真正探索内在的材料特征和性能方面得到使用,”他说,“无论是它们的设计语言,还是结构能力。”
 
 
 
 

    机器人自动编织系统可能建造出巨大而结实的碳纤维结构,并足以构成体育场的屋顶


  他说,第一个进军碳纤维建筑领域的还包括Snøhetta,他们最近完成了旧金山现代艺术馆的相关项目,复制了汽车和航空工业的高光泽美学。

  据Menges说,模具的使用是非常昂贵的,对于一次性的建筑施工也是浪费的。

  不像汽车行业的机器人被教导来执行和重复一项任务,斯图加特的团队正在开发软件,使得机器人手臂的每次运动更加智能化,从而可用于定制化的建筑。
 
 
 
 

    机器人拉伸碳纤维和玻璃纤维,并缠绕到金属支架上


  Menges和Knippers已经探索了多种材料作为进一步实验材料的可能性,它们的结构受到了海胆外壳或甲虫翅膀生物结构的启示。

  部分研究结果已经在学校的年度构筑物系列中得到展示,这些成果由他们与学生一起采用计算设计、模拟和制造工艺生产出来。
 
 
   斯图加特团队为伦敦V&A博物馆制作的碳纤维馆基于对水蜘蛛网的早期研究。这一被称为“鞘翅丝亭(Elytra Filament Pavilion)”的构筑物目前正在仓库中由机器人制造,并将在博物馆的工程季竖立起来。

  人工智能学家Aitists

  人工智能学家是权威的前沿科技媒体和研究机构,2016年2月成立人工智能与互联网进化实验室(AIE Lab),重点研究互联网,人工智能,脑科学,虚拟现实,机器人,移动互联网等领域的未来发展趋势和重大科学问题。
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