移动式龙门3D打印机，助力实现未来火星移民
时间:2022-05-04 20:54 来源:南极熊 作者:admin 点击:次
导读：火星是我们的太阳系中除地球外最适宜人类居住的行星，一直以来，各国对火星的探索热情一直居高不下。随着3D打印技术的蓬勃发展，人们惊奇地发现这项新技术有可能在未来的火星移民发挥出不可估量的潜力。
2022年5月3日，泰勒大学的工程师们已经开发出一种3D打印机，据说能够更快地建造地外基地，并且是以超出目前其他任何打印系统的效率。
与限制在单一地点生产的地外栖息地建设平台不同，该团队的 "移动龙门"安装在轮子上，使其能够穿越行星表面并按需打印。由于这种灵活性和机器的"无轨龙门"布局，它的设计者表示它可以允许 "按顺序建造"火星基地，在准备完成的时候展开作业区域。
△工程师的"Mud Dauber "移动龙门式3D打印机原型。图片来自泰勒大学。
为火星殖民做准备
近年来，世界各地的航天机构和承包商已经开始加速为新的探索任务做准备。这不仅包括像美国宇航局的Artemis计划，该计划的目标是在2025年之前将人类送回月球，还包括由美国、中国、俄罗斯、日本和印度等国的机构组织的向火星发送轨道器和登陆器的计划。
围绕未来地外任务出现的许多问题之一，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。如果在陆地上建造设施，并将其发射到月球或火星的着陆点，那么它们的发射成本将是天文数字，同时也会限制定居者的人口增长。
同样地，使用传统的制造方法在行星表面上进行建造会受到许多因素的影响，特别是建筑材料的运输，因此3D打印作为一种替代方法获得了关注。至少从理论上讲，通过该技术可以加工月球石等资源，加上其固有的灵活性，可以实现独特的模块化结构。
然而，泰勒大学团队强调了现有的"固定基地径向臂 "系统是如何受制于其有限的范围，以及在建造完成之前无法在不同地点之间移动。移动机器人和基于龙门的方法也显示出作为地外建筑机器的应用前景，但工程师们说这些方法分别"限制了栖息地的设计 "和 "拥有有限的速度"。
△该机器的粗略定位（蓝色）和精细定位（绿色）子系统的设计允许在数百米范围内进行精确的3D打印。图片来自泰勒大学。
引入移动式龙门3D打印机
为了绕过目前建筑3D打印方法的限制，泰勒大学的团队已经有效地决定将移动和龙门单元背后的技术结合到一个系统中。在实践中，这意味着他们的机器能够通过滚动创造一个X轴，然后使用棱形关节作为实现Y轴和Z轴运动的手段，并最终不依赖轨道进行打印。为了确保移动龙门架不会因跑偏而导致错误，工程师们还为它安装了一个 "本地定位系统"，使它能够确定其打印头的位置、方向和速度。工程师们认为，这将使机器能够以无线方式操作，快速更新并精确地创建高质量的结构，同时还能大踏步地应对表面的颠簸。
研究人员已经成功地以原型的形式实现了他们的概念，完成了地形补偿、精细定位和3D打印子系统。在最初的测试中，这种 "泥浆喷射器 "的设计已被证明能够穿越不平坦的地形，并使用具有三个自由度的笛卡尔定位系统，将硫磺混凝土浆液挤压成复杂结构。
随着进一步的研发，工程师们相信，移动龙门系统有可能实现 "具有巨大内部体积 "的场地的 "平行建设"，以及允许其扩展的锥形连接点。鉴于其设计的尺寸和简单性，该团队还预计，在未来，他们的机器人可以成群部署，作为一种 "以更高的质量更快地完成打印 "的方式。
△作为"MOONRISE项目 "的一部分而开发的车载激光3D打印机的3D效果图。图片来自汉诺威激光中心。
月球3D打印的进展
作为为月球上的定居者建造有弹性的、适合居住的基础设施的一种手段，基于月球雷石的3D打印方法持续受到关注。就在去年，据透露，新南威尔士大学已经开展了一项合作研究，以帮助Luyten开发其Platypus
Galacticas 3D打印机，这是一个9x12m的龙门架系统，旨在帮助澳大利亚争取月球居住权。与此同时，总部位于荷兰的MX3D公司为欧洲航天局的月球定居点原型提出了一个骨架式3D打印月球地板概念。利用增材制造，该公司已经能够实现其光滑的网状设计，同时用轻质钢生产，据说当时有可能将功能监测系统嵌入结构中。
在其他地方，来自布伦瑞克技术大学和汉诺威激光中心的科学家们也开发了一个具有3D打印能力的月球车（更多在实验层面）。作为他们代号为
"MOONRISE "的项目的一部分，研究人员已经成功地将激光器安装到 "MIRA3D "车上，然后利用它将月尘熔化成大型球形原型结构。
研究人员的发现在他们题为 " The Mobile Gantry: ARobotic
Architecture for 3D Printing Structures on Mars"的论文中得到了详细说明，该论文由Peter
Staritz、Caleb Miller和Josiah McClurg共同撰写。
相关论文链接：https://engrxiv.org/preprint/view/2313
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