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

導讀：長久以來，在火星上定居一直是科幻小說中描繪的未來幻想。然而，過去半個世紀以來，人類在火星上的成功登陸，讓這個看似遙不可及的想法變得越來越切實可行。

2025年6月27日，南極熊獲悉，德克薩斯農(nóng)工大學和內(nèi)布拉斯加大學林肯分校的研究人員正在開發(fā)一種新的地衣自生長技術(shù)：可以通過利用火星當?shù)刭Y源和微生物活體3D 打印地衣系統(tǒng)，最終在火星上實現(xiàn)房屋自主建造。項目由金孔睿博士領導，旨在利用這顆紅色星球的原生土壤——風化層——來制造建筑材料，無需人工干預。

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

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

這項研究由美國國家航空航天局（NASA）的創(chuàng)新先進概念項目資助，旨在應對在距離地球數(shù)百萬英里的地方建造棲息地的挑戰(zhàn)，因為在那里運輸建筑材料成本高昂，物流也十分困難。金博士強調(diào)了這種新方法的意義：“這種自我生長技術(shù)在實現(xiàn)長期外星探索和殖民方面具有巨大的潛力?！?/div>

金博士是德克薩斯農(nóng)工大學機械與制造工程技術(shù)項目的助理教授。內(nèi)布拉斯加大學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)工大學官方研究機構(gòu)——工程實驗站（TEES）的支持。

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

空間建設的新方法

研究團隊提出了一種由工程生物材料組成的合成棲息地系統(tǒng)，能夠在沒有外部幫助的情況下將火星風化層（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：“我們可以通過模仿天然棲息地來構(gòu)建一個合成群落。我們已經(jīng)開發(fā)出一種構(gòu)建合成棲息地的方法，可以制造出將火星風化層顆粒粘合成結(jié)構(gòu)的生物材料。然后，通過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?！?/div>

△火星。圖片來自華盛頓州立大學。

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，在火星上的實用性受到限制。其他研究則涉及微生物介導的自生長技術(shù)，包括細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)營養(yǎng)供應的單一微生物物種，這對完全自主運行構(gòu)成了挑戰(zhàn)。

為了克服這些挑戰(zhàn)，金教授團隊設計了一個完全自主的、由多個物種組成的合成微生物群落。地衣系統(tǒng)通過將異養(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)固氮藍藻（能夠固定二氧化碳和氮氣以產(chǎn)生營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣）配對，消除了對外部營養(yǎng)補充的需求。

在這個共生系統(tǒng)中，藍藻將大氣氣體轉(zhuǎn)化為支持真菌生長的有機化合物，而真菌則將金屬離子結(jié)合到細胞壁上，促進生物礦物的形成。真菌還通過提供水、礦物質(zhì)和二氧化碳來促進藍藻的生長。這兩種微生物都會分泌生物聚合物，增強火星風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。

項目已進入下一階段：開發(fā)基于風化層的墨水，利用直接墨水書寫3D打印技術(shù)打印生物結(jié)構(gòu)。這一進展旨在進一步提升未來火星任務及其他地外環(huán)境可持續(xù)自主建造的可行性。

太空棲息地建設的進展

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

奧地利應用科學大學旗下的研究公司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”的復合材料3D 打印了一個微型冰屋和墻角。這些物體是歐洲航天局 (ESA) 技術(shù)研究計劃的一部分。

NASA 建立人類棲息地的努力遠不止火星。NASA 與總部位于德克薩斯州的建筑技術(shù)公司ICON合作，計劃在 2040 年前使用由當?shù)仫L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。這項名為“奧林匹斯計劃”的計劃已獲得 NASA 的大量資助，包括 2020 年的 3000 萬美元和 2022 年的5720 萬美元，用于開發(fā)能夠建造耐用永久月球建筑的 3D 打印系統(tǒng)。

△美國宇航局的“奧林匹斯計劃”。圖片來自 ICON。