模仿自然的新型混凝土设计使抗裂性提高了63%

机器人技术和增材制造使混凝土更加坚固。

普林斯顿工程学院的研究人员从大自然中汲取灵感，提高了混凝土构件的抗裂性。他们将创新设计与增材制造技术相结合，并利用工业机器人精心控制材料的沉积。

在8月29日发表在《自然通讯》杂志上的一篇文章中，普林斯顿大学土木与环境工程助理教授雷扎·莫伊尼（Reza Moini）领导的研究人员描述了他们的设计如何比传统浇铸混凝土提高了63%的抗裂性。

研究人员的灵感来自于一种叫做腔棘鱼的古老鱼类鳞片的双螺旋结构。莫伊尼说，大自然经常使用巧妙的建筑来相互增加材料的性能，如强度和抗断裂性。

创新混凝土设计与制造

为了产生这些机械性能，研究人员提出了一种设计，将混凝土在三维空间中排列成单独的线。该设计使用机器人增材制造将每条线与相邻的线弱连接起来。研究人员使用不同的设计方案将许多股线组合成更大的功能形状，例如梁。设计方案依赖于稍微改变每个堆叠的方向，在梁中形成双螺旋排列（两个正交层在高度上扭曲），这是提高材料抗裂纹扩展能力的关键。

该论文将裂纹扩展中的潜在阻力称为“增韧机制”。莫伊尼说，这项技术在期刊文章中有详细介绍，它依赖于多种机制的组合，既可以阻止裂缝的扩展，又可以将断裂的表面联锁，或者在裂缝形成后使裂缝偏离直线。

机器人技术在建筑混凝土中的作用

普林斯顿大学的研究生、该研究的合著者沙尚克·古普塔（Shashank Gupta）说，在梁和柱等建筑部件中，要想在规模上制造出几何保真度高的建筑混凝土材料，有时需要使用机器人。这是因为，如果没有机器人制造的自动化和精度，为结构应用创建有目的的内部材料排列，目前可能非常具有挑战性。

在增材制造中，机器人一股一股地添加材料来创建结构，使设计师能够探索传统铸造方法无法实现的复杂结构。在莫伊尼的实验室里，研究人员使用大型工业机器人，集成了先进的材料实时处理技术，能够制造出美观的全尺寸结构部件。

作为工作的一部分，研究人员还开发了一种定制的解决方案，以解决新混凝土在其重量下变形的趋势。当机器人沉积混凝土形成结构时，上层的重量会导致下面的混凝土变形，从而影响最终建筑结构的几何精度。为了解决这个问题，研究人员旨在更好地控制混凝土的硬化速度，以防止在制造过程中变形。

古普塔领导了这项研究，他说，他们在实验室的机器人喷嘴上使用了一种先进的双组分挤出系统。这个专门的机器人系统有两个入口：一个用于混凝土，另一个用于化学加速器。这些材料在挤压前在喷嘴内混合，使加速剂能够加速混凝土的固化过程，同时确保对结构的精确控制并最大限度地减少变形。通过精确校准加速器的数量，研究人员更好地控制了结构，并将低层的变形降到最低。

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