把房子蓋到月球上去,，華中科技大學院士團隊研究機器人就地取材造月面基地

來源：長江日報

△周誠教授查看3D打印出來的“月壺尊”,。記者楊佳峰 攝

在月球上蓋樓你敢想嗎,？華中科技大學丁烈云院士團隊不但敢想還敢干。他們把中國在月球上建造的月面基地樣式定名為“月壺尊”,，這是一個外形酷似雞蛋殼的建筑,。計劃用月壤燒出月球磚，再用機器人砌筑,。

他們已制備出國內(nèi)首個模擬月壤真空燒結(jié)打印樣品,，實現(xiàn)“從0到1”的重大突破。丁烈云介紹,，“月壺尊”是先于人上月球還是后于人在月球上建造,，還沒有考慮成熟，現(xiàn)在的預研究是一種探索。

月面基地建筑物定型“月壺尊”
像個豎立的雞蛋殼

△“月壺尊”月面基地效果圖,，左邊為建造月壺尊的“月蜘蛛”,。(國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心供圖)

7月7日，在華中科技大學國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心,，長江日報記者見到了3D打印模型“月壺尊”,。從外面看，它像是一個放大的雞蛋殼豎立在地面,。

作為建筑物,，“月壺尊”里面并沒有承重的“四梁八柱”，蛋殼頂端是穹頂結(jié)構(gòu),，蛋殼體分內(nèi)外兩層,，中間夾一層類似于肋骨的結(jié)構(gòu)，以增強穩(wěn)定性,。

△“月壺尊”內(nèi)部構(gòu)造示意圖,。(國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心供圖)

華中科技大學土木與水利工程學院數(shù)字建造與工程管理系主任周誠教授介紹，記者眼前的“月壺尊”屬于縮小版,，它真實的長寬均為3米,，類似于一個圓形結(jié)構(gòu)的房子，房間分成上下兩層,，分成工作間和休息間,。

這個大膽的構(gòu)想是中國工程院院士、國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心首席科學家丁烈云提出的,。他們將中國傳統(tǒng)制磚砌筑的建造方式與3D打印建造方式相結(jié)合,，采用整體預制拼裝、局部打印連接的方式,，設計建造月面基地,。

“月面基地不可能從地球上攜帶建筑材料去建造，這樣的話建筑成本會極貴,�,！倍×以茖ⅰ霸聣刈稹倍ㄎ粸椤霸�位建造”，即主要建造材料來源于月球本身而不是地��,，“開始覺得難,，現(xiàn)在已經(jīng)有一些技術(shù)支撐，不像原來的那么難了,�,！�

由于月球上沒有大氣，再加上月面物質(zhì)的熱容量和導熱率又很低,，因而月球表面晝夜的溫差很大,。白天,，月球表面在陽光垂直照射的地方溫度最高可達127℃；夜晚,，其表面溫度可降低到零下183℃,。在這樣的地方建造房子無疑是一種考驗。

“建筑樣式應該充分考慮保溫隔熱,�,！敝苷\表示，在月面建什么樣的建筑,，他們一直在進行各種嘗試,。團隊起初嘗試了穹頂結(jié)構(gòu)、拱形結(jié)構(gòu)以及柱狀結(jié)構(gòu),，很多造型反復嘗試,，要符合月球表面的使用環(huán)境，又要方便建造,。

2021年底,，外形像豎立的雞蛋殼的“月壺尊”成為月面基地建筑物的定型樣式�,！斑@一點符合丁烈云院士要求的既體現(xiàn)中國元素又有科技感�,！爆F(xiàn)在,，周誠每天的研究工作都圍繞這枚“蛋殼”打交道，用什么材料,、用什么工具,、怎么建造。

上小學的兒子得知周誠研究“月壺尊”的用途后很興奮,，每天放學回家后就纏著父親問個不停,。在孩子眼中，嫦娥奔月,、吳剛伐桂,、天狗吞月這些都是傳說，還有什么比在月球上做房子更夢幻的事呢,！

周誠表示,，月表地震頻繁，“月壺尊”造型的穩(wěn)定性可以抗擊小地震,，也恰好滿足了建筑物保溫隔熱的效能,。中國的探月工程表明，月球南極可能有連續(xù)光照的區(qū)域,，可作為月球基地的理想選址,。

用月壤燒制帶有榫卯結(jié)構(gòu)的磚
機器人進行拼裝建造

△韓文彬展示他們打印的有榫卯結(jié)構(gòu)的月壤磚,。記者楊佳峰 攝

國際上對月球建造的共識是，不從地球上帶物質(zhì)上去,，盡可能使用月球上的材料進行原位建造,。丁烈云團隊此前在吉林一個火山口尋獲到的火山灰，成為建造“月壺尊”的模擬月壤,。

今年暑假期間,，國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心同樣熱火朝天。室內(nèi)兩名博士生韓文彬和王宇向正圍著電加熱爐,，觀看模擬月壤燒結(jié)成型磚塊的過程,，看看燒結(jié)產(chǎn)品在月面環(huán)境下可不可靠。

燒結(jié)完成后,，韓文彬?qū)Ξa(chǎn)品的強度,、熱學性能、耐久性等進行研究,，而王宇向則在導師周誠教授的安排下專注于3D打印工藝的進一步優(yōu)化,。

“月球造房最大的挑戰(zhàn)在于極端環(huán)境�,！敝苷\列舉了月表環(huán)境對建造“月壺尊”的5大挑戰(zhàn),。除了晝夜巨大溫差對房子的結(jié)構(gòu)性能影響外，還有散熱規(guī)律不同于地球的真空環(huán)境,、時間更長和頻率更高的“月震”,、隕石對月表的頻繁沖擊、月表重力會改變材料與結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)等不利因素,。

團隊最初設想采用兩種方式在月表建造“月壺尊”,。一種采用3D打印施工，先在月表用注漿加固法打地基,，然后在地基上打印結(jié)構(gòu),，穹頂采用氣囊放置法固定，再在氣囊上打印穹頂,，最終打印成型,；另一種方式主要采用機械臂拼裝施工，將太陽能或者激光燒結(jié)好的月壤磚通過機械臂一塊塊拼接起來,，并提前做好“月壺尊”穹頂,。

兩種施工方式各有優(yōu)勢。3D打印需要從地球上攜帶黏結(jié)劑到月球上去,，一般黏結(jié)劑的重量占到整個建筑材料10%到15%,。“假若‘月壺尊’,；有20噸,，那么3D打印至少需要2噸以上的黏結(jié)劑,。”韓文彬說,，2噸黏結(jié)劑加上300千克的3D打印設備,，總共2.3噸材料送往月球，合計需要費用154億元人民幣,，每平方米建筑成本8.5億元人民幣,，遠遠高于地面建筑成本。

△使用機械臂試驗完成月壤磚的拼裝,。國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心供圖

機械臂拼裝施工則需要用高能束（太陽能或者激光）燒結(jié)月壤,，鋪一層月壤燒結(jié)一次，如此往復,，直到“月壺尊”全部拼裝成型,。好處是建造成本相對便宜，只需要機械臂和燒制設備,，比3D打印送往月球的材料要輕,，建造成本也降低。但是這種施工風險較高,，很難克服月表溫差影響,，容易造成結(jié)構(gòu)變形。

周誠介紹,，國外建造月面基地的技術(shù)體系是3D打印,。這個工藝可以建造各種形狀的月球基地結(jié)構(gòu)，但3D打印是個連續(xù)過程,，一旦打印過程出現(xiàn)被打印結(jié)構(gòu)破損開裂的情況，整個結(jié)構(gòu)就失效了,。一次性成型的風險很高,，同時耗能太大。

他們團隊借鑒中國傳統(tǒng)砌筑和榫卯連接方式,，提出利用月壤燒結(jié)出帶有榫卯結(jié)構(gòu)的月壤磚,，再進行拼裝建造，通過燒結(jié)月球磚把一次性成型的風險分散掉,，然后由機器人砌筑,，同時用3D打印加強連接來完成結(jié)構(gòu)，避免結(jié)構(gòu)變形,。

丁烈云團隊最后將兩種施工方案融入一種名為“月蜘蛛”的機器人身上,。周誠說，“月蜘蛛”屬于3D打印機器人,，遠看像蜘蛛,，上部分是混聯(lián)機械臂,，下部分是多足平臺。按照設計要求,，機械臂有200千克,，底盤有500千克，施工時機械臂也可換成3D打印機,。地面打印“月壺尊”和月面打印的步驟是一樣的,，不同的是施工環(huán)境差異，月面施工需要將結(jié)構(gòu)和材料一體考慮,。

王宇向也向記者透露了降低成本的設想,。他說，占比10%至15%的黏結(jié)劑是否可以減少到10%以內(nèi),，強度依然不變,；機械臂拼裝施工可以設計一個更為輕質(zhì)的設備減小地月運輸成本。

利用月球自身材料建造,，會大大降低成本,，國外也是這條路徑。周誠說,，“在月球上造房子,，不一定是我們這一代就能完成的事，但未來會有人解決這個問題,。月球基地建造的研究也可以催生出新的技術(shù)和業(yè)態(tài),，如3D打印建造、機器人砌筑等,�,！�

沒有將設想停留在紙面
帶領團隊說干就干

△“月壺尊”有夾層結(jié)構(gòu)。記者楊佳峰　攝

建造月面基地的設想起始于2015年,。當時,，專注于數(shù)字建造研究的丁烈云院士在研究中發(fā)現(xiàn)，“建筑轉(zhuǎn)型升級最重要的一個方面就是3D打印,，而在月面打印基地的設想是一個很自然的想法,。”一些建筑景觀或者小型構(gòu)筑物采用人工往往沒辦法去做,，而采用3D打印則很容易完成,，這讓丁烈云院士敏銳意識到無人的3D打印只有在極端環(huán)境才能發(fā)揮價值。極端環(huán)境在哪,？他首先想到的是地外極端環(huán)境,，例如在月球或者火星上。他說,，“這是很自然的想法,，而不是突發(fā)奇想,。”

丁烈云院士沒有將設想停留在紙面,，瞄準月面基地建造帶領團隊說干就干,。“當時是我們自己研究,，自己投入,。”周誠向記者回憶,，他們開啟這個項目的研究后,，丁烈云院士帶領他們?nèi)ビ嘘P(guān)部委對接，對方都很“吃驚”,。

中國探月工程總設計師,、中國工程院院士吳偉仁關(guān)注到這個科研項目，認為在月面打印基地的設想——“輕量化可重構(gòu)月面建造方法研究”屬于基礎性研究,，很有價值,。

科技部2021年底將“輕量化可重構(gòu)月面建造方法研究”列入重點研發(fā)計劃，成為“工程科學與綜合交叉”的重點專項,。華中科技大學成為該項目的首席科學家單位,。

“月面基地建造工程化是一個長遠的目標，目前按照課題目標,，我們是有信心實現(xiàn)的,。”丁烈云告訴記者,，目前課題項目還有一系列的問題要解決,，比方說打印好了“月壺尊”以后里面充氣設施如何工作、建造“月壺尊”的月面具體選址問題等,，好多問題都需要解決,。

“目前我們所做的就是從0到1的探索，不能說馬上就能使用,，這是一個相對長遠的規(guī)劃。通過進一步月球勘探,，或許會取得更多資料,，說不定未來會變更技術(shù)路線，或者采用更新的技術(shù)路徑來建造月球基地,�,！倍×以普f。