火星上建造房屋，德克薩斯農(nóng)工大學(xué)3D打印合成地衣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)棲息地自主建造

導(dǎo)讀：長(zhǎng)久以來(lái)，在火星上定居一直是科幻小說(shuō)中描繪的未來(lái)幻想。然而，過(guò)去半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，人類在火星上的成功登陸，讓這個(gè)看似遙不可及的想法變得越來(lái)越切實(shí)可行。

2025年6月27日，南極熊獲悉，德克薩斯農(nóng)工大學(xué)和內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的研究人員正在開(kāi)發(fā)一種新的地衣自生長(zhǎng)技術(shù)：可以通過(guò)利用火星當(dāng)?shù)刭Y源和微生物活體3D 打印地衣系統(tǒng)，最終在火星上實(shí)現(xiàn)房屋自主建造。項(xiàng)目由金孔睿博士領(lǐng)導(dǎo)，旨在利用這顆紅色星球的原生土壤——風(fēng)化層——來(lái)制造建筑材料，無(wú)需人工干預(yù)。

團(tuán)隊(duì)的研究成果以題為“Bio-Manufacturing ofEngineered Living Materials for Martian Construction: Design of the SyntheticCommunity”的論文發(fā)表在《制造科學(xué)與工程雜志》上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1115/1.4068792

這項(xiàng)研究由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的創(chuàng)新先進(jìn)概念項(xiàng)目資助，旨在應(yīng)對(duì)在距離地球數(shù)百萬(wàn)英里的地方建造棲息地的挑戰(zhàn)，因?yàn)樵谀抢镞\(yùn)輸建筑材料成本高昂，物流也十分困難。金博士強(qiáng)調(diào)了這種新方法的意義：“這種自我生長(zhǎng)技術(shù)在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期外星探索和殖民方面具有巨大的潛力。”

金博士是德克薩斯農(nóng)工大學(xué)機(jī)械與制造工程技術(shù)項(xiàng)目的助理教授。內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的合作者包括理查德·威爾遜博士、尼莎·羅卡亞和艾琳·卡爾。該研究得到了德克薩斯農(nóng)工大學(xué)官方研究機(jī)構(gòu)——工程實(shí)驗(yàn)站（TEES）的支持。

△可以借助自主生長(zhǎng)技術(shù)建造合成棲息地，利用當(dāng)?shù)刭Y源和微生物在火星上自主形成結(jié)構(gòu)。圖片來(lái)自德克薩斯農(nóng)工大學(xué)工程學(xué)院

空間建設(shè)的新方法

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種由工程生物材料組成的合成棲息地系統(tǒng)，能夠在沒(méi)有外部幫助的情況下將火星風(fēng)化層（由塵埃、沙子和巖石組成）轉(zhuǎn)化為功能性建筑組件。

金博士說(shuō)：“我們可以通過(guò)模仿天然棲息地來(lái)構(gòu)建一個(gè)合成群落。我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種構(gòu)建合成棲息地的方法，可以制造出將火星風(fēng)化層顆粒粘合成結(jié)構(gòu)的生物材料。然后，通過(guò)3D打印，可以制造各種各樣的結(jié)構(gòu)，例如建筑物、房屋和家具。”

△火星。圖片來(lái)自華盛頓州立大學(xué)。

先前方法的局限性和合成社區(qū)的創(chuàng)新

早期研究探索了將火星土壤與各種化學(xué)粘合劑（例如鎂基粘合劑、硫基粘合劑和地質(zhì)聚合物）粘合在一起。這些方法通常需要人工干預(yù)，在火星上的實(shí)用性受到限制。其他研究則涉及微生物介導(dǎo)的自生長(zhǎng)技術(shù)，包括細(xì)菌生物礦化和真菌菌絲體作為天然粘合劑。盡管這些方法前景光明，但它們通常依賴于需要持續(xù)營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的單一微生物物種，這對(duì)完全自主運(yùn)行構(gòu)成了挑戰(zhàn)。

為了克服這些挑戰(zhàn)，金教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)完全自主的、由多個(gè)物種組成的合成微生物群落。地衣系統(tǒng)通過(guò)將異養(yǎng)絲狀真菌（能夠產(chǎn)生生物礦物質(zhì)并耐受惡劣環(huán)境）與光自養(yǎng)固氮藍(lán)藻（能夠固定二氧化碳和氮?dú)庖援a(chǎn)生營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣）配對(duì)，消除了對(duì)外部營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充的需求。

在這個(gè)共生系統(tǒng)中，藍(lán)藻將大氣氣體轉(zhuǎn)化為支持真菌生長(zhǎng)的有機(jī)化合物，而真菌則將金屬離子結(jié)合到細(xì)胞壁上，促進(jìn)生物礦物的形成。真菌還通過(guò)提供水、礦物質(zhì)和二氧化碳來(lái)促進(jìn)藍(lán)藻的生長(zhǎng)。這兩種微生物都會(huì)分泌生物聚合物，增強(qiáng)火星風(fēng)化層顆粒之間的粘附力和凝聚力，從而形成一種適用于建筑的固結(jié)材料。

項(xiàng)目已進(jìn)入下一階段：開(kāi)發(fā)基于風(fēng)化層的墨水，利用直接墨水書(shū)寫3D打印技術(shù)打印生物結(jié)構(gòu)。這一進(jìn)展旨在進(jìn)一步提升未來(lái)火星任務(wù)及其他地外環(huán)境可持續(xù)自主建造的可行性。

太空棲息地建設(shè)的進(jìn)展

此前，NASA曾與中佛羅里達(dá)大學(xué)（UCF）合作，探索在火星上3D打印建筑結(jié)構(gòu)的方法。研究人員認(rèn)為，可以將火星土壤加工成一個(gè)腔室，加熱到約3000華氏度（1648攝氏度），以產(chǎn)生氧氣和熔融金屬。

奧地利應(yīng)用科學(xué)大學(xué)旗下的研究公司Fotec也朝著 3D 打印太空結(jié)構(gòu)的方向邁出了一步，他們用含有“火星塵埃”的復(fù)合材料3D 打印了一個(gè)微型冰屋和墻角。這些物體是歐洲航天局 (ESA) 技術(shù)研究計(jì)劃的一部分。

NASA 建立人類棲息地的努力遠(yuǎn)不止火星。NASA 與總部位于德克薩斯州的建筑技術(shù)公司ICON合作，計(jì)劃在 2040 年前使用由當(dāng)?shù)仫L(fēng)化層（月球表面的巖屑、礦物碎片和塵埃）制成的混凝土建造月球棲息地。這項(xiàng)名為“奧林匹斯計(jì)劃”的計(jì)劃已獲得 NASA 的大量資助，包括 2020 年的 3000 萬(wàn)美元和 2022 年的5720 萬(wàn)美元，用于開(kāi)發(fā)能夠建造耐用永久月球建筑的 3D 打印系統(tǒng)。

△美國(guó)宇航局的“奧林匹斯計(jì)劃”。圖片來(lái)自 ICON。