移動式龍門3D打印機，助力實現(xiàn)未來火星移民

導讀：火星是我們的太陽系中除地球外最適宜人類居住的行星，一直以來，各國對火星的探索熱情一直居高不下。隨著3D打印技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們驚奇地發(fā)現(xiàn)這項新技術(shù)有可能在未來的火星移民發(fā)揮出不可估量的潛力。

2022年5月3日，南極熊獲悉，泰勒大學的工程師們已經(jīng)開發(fā)出一種3D打印機，據(jù)說能夠更快地建造地外基地，并且是以超出目前其他任何打印系統(tǒng)的效率。

與限制在單一地點生產(chǎn)的地外棲息地建設平臺不同，該團隊的 "移動龍門"安裝在輪子上，使其能夠穿越行星表面并按需打印。由于這種靈活性和機器的"無軌龍門"布局，它的設計者表示它可以允許 "按順序建造"火星基地，在準備完成的時候展開作業(yè)區(qū)域。

△工程師的"Mud Dauber "移動龍門式3D打印機原型。圖片來自泰勒大學。

為火星殖民做準備

近年來，世界各地的航天機構(gòu)和承包商已經(jīng)開始加速為新的探索任務做準備。這不僅包括像美國宇航局的Artemis計劃，該計劃的目標是在2025年之前將人類送回月球，還包括由美國、中國、俄羅斯、日本和印度等國的機構(gòu)組織的向火星發(fā)送軌道器和登陸器的計劃。

圍繞未來地外任務出現(xiàn)的許多問題之一，是如何最好地在寒冷的太空真空中建立永久的、可居住的基地。如果在陸地上建造設施，并將其發(fā)射到月球或火星的著陸點，那么它們的發(fā)射成本將是天文數(shù)字，同時也會限制定居者的人口增長。

同樣地，使用傳統(tǒng)的制造方法在行星表面上進行建造會受到許多因素的影響，特別是建筑材料的運輸，因此3D打印作為一種替代方法獲得了關注。至少從理論上講，通過該技術(shù)可以加工月球石等資源，加上其固有的靈活性，可以實現(xiàn)獨特的模塊化結(jié)構(gòu)。

然而，泰勒大學團隊強調(diào)了現(xiàn)有的"固定基地徑向臂 "系統(tǒng)是如何受制于其有限的范圍，以及在建造完成之前無法在不同地點之間移動。移動機器人和基于龍門的方法也顯示出作為地外建筑機器的應用前景，但工程師們說這些方法分別"限制了棲息地的設計 "和 "擁有有限的速度"。

△該機器的粗略定位（藍色）和精細定位（綠色）子系統(tǒng)的設計允許在數(shù)百米范圍內(nèi)進行精確的3D打印。圖片來自泰勒大學。

引入移動式龍門3D打印機

為了繞過目前建筑3D打印方法的限制，泰勒大學的團隊已經(jīng)有效地決定將移動和龍門單元背后的技術(shù)結(jié)合到一個系統(tǒng)中。在實踐中，這意味著他們的機器能夠通過滾動創(chuàng)造一個X軸，然后使用棱形關節(jié)作為實現(xiàn)Y軸和Z軸運動的手段，并最終不依賴軌道進行打印。

為了確保移動龍門架不會因跑偏而導致錯誤，工程師們還為它安裝了一個 "本地定位系統(tǒng)"，使它能夠確定其打印頭的位置、方向和速度。工程師們認為，這將使機器能夠以無線方式操作，快速更新并精確地創(chuàng)建高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)，同時還能大踏步地應對表面的顛簸。

研究人員已經(jīng)成功地以原型的形式實現(xiàn)了他們的概念，完成了地形補償、精細定位和3D打印子系統(tǒng)。在最初的測試中，這種 "泥漿噴射器 "的設計已被證明能夠穿越不平坦的地形，并使用具有三個自由度的笛卡爾定位系統(tǒng)，將硫磺混凝土漿液擠壓成復雜結(jié)構(gòu)。

隨著進一步的研發(fā)，工程師們相信，移動龍門系統(tǒng)有可能實現(xiàn) "具有巨大內(nèi)部體積 "的場地的 "平行建設"，以及允許其擴展的錐形連接點。鑒于其設計的尺寸和簡單性，該團隊還預計，在未來，他們的機器人可以成群部署，作為一種 "以更高的質(zhì)量更快地完成打印 "的方式。

△作為"MOONRISE項目 "的一部分而開發(fā)的車載激光3D打印機的3D效果圖。圖片來自漢諾威激光中心。

月球3D打印的進展

作為為月球上的定居者建造有彈性的、適合居住的基礎設施的一種手段，基于月球雷石的3D打印方法持續(xù)受到關注。就在去年，據(jù)透露，新南威爾士大學已經(jīng)開展了一項合作研究，以幫助Luyten開發(fā)其Platypus Galacticas 3D打印機，這是一個9x12m的龍門架系統(tǒng)，旨在幫助澳大利亞爭取月球居住權(quán)。

與此同時，總部位于荷蘭的MX3D公司為歐洲航天局的月球定居點原型提出了一個骨架式3D打印月球地板概念。利用增材制造，該公司已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)其光滑的網(wǎng)狀設計，同時用輕質(zhì)鋼生產(chǎn)，據(jù)說當時有可能將功能監(jiān)測系統(tǒng)嵌入結(jié)構(gòu)中。

在其他地方，來自布倫瑞克技術(shù)大學和漢諾威激光中心的科學家們也開發(fā)了一個具有3D打印能力的月球車（更多在實驗層面）。作為他們代號為 "MOONRISE "的項目的一部分，研究人員已經(jīng)成功地將激光器安裝到 "MIRA3D "車上，然后利用它將月塵熔化成大型球形原型結(jié)構(gòu)。

研究人員的發(fā)現(xiàn)在他們題為 " The Mobile Gantry: ARobotic Architecture for 3D Printing Structures on Mars"的論文中得到了詳細說明，該論文由Peter Staritz、Caleb Miller和Josiah McClurg共同撰寫。

相關論文鏈接：https://engrxiv.org/preprint/view/2313