前言
最早期的人類居所由太陽下烤干的泥和稻草做成的磚建造的。而最早用混凝土的是古羅馬人，他們把石灰和火山巖混合建造出萬神殿這樣巍峨壯觀的建筑。萬神殿至今都有世界上最大的無筋混凝土圓頂。
在過去的幾個世紀(jì)里，工程師和建筑師們一直革新材料采用如鋼梁、抗震地基和玻璃幕墻等材料推陳出新構(gòu)建出了更高、更牢固和更漂亮的作品。
但建筑技術(shù)的未來是什么?會有一天混凝土地基上的裂縫奇跡般地自我修復(fù)嗎?加油站會被自充電的道路上奔跑的電動汽車取而代之嗎?
接下來我們將列出在不久的將來會振奮人心的十項建筑創(chuàng)新，其中部分甚至已在今天有所應(yīng)用。
Top 10 自修復(fù)混凝土
如果混凝土可以自我修復(fù)，市政將節(jié)省很大開支
混凝土是世界上最廣泛使用的建筑材料。事實上,它是水之后地球上第二大消費品。試想一下我們每年有多少的混凝土住宅、辦公樓、教堂和橋梁建成呀。混凝土有廉價和廣泛適應(yīng)性等優(yōu)點,但也容易開裂，在極熱和極冷環(huán)境下抗壓性能會惡化。
過去修復(fù)有裂縫的混凝土的唯一途徑就是修補它、加強它,或者把它敲下來從頭開始。但以后將不需在這樣了。2010年, 羅德島大學(xué)的研究生和化學(xué)工程教授創(chuàng)建了一種新型“智能”混凝土，可以“智能”修復(fù)自身的裂縫。這是因為混凝土混合物中嵌入了微型水玻璃膠囊。當(dāng)裂紋產(chǎn)生時,膠囊破裂并釋放一種凝膠狀愈合劑,變硬填補空隙，實現(xiàn)自我修復(fù)。
這不是自修復(fù)混凝土的唯一修復(fù)方法。其他研究人員利用細菌或嵌入玻璃毛細管或聚合物微膠囊達到類似的效果。然而, 羅得島大學(xué)的研究人員認為他們的方法是最劃算的。
延長混凝土的壽命能帶來巨大的環(huán)境效益。目前世界范圍內(nèi)的混凝土生產(chǎn)占全球二氧化碳排放的5%。智能混凝土不僅會使我們的結(jié)構(gòu)更安全，也可以減少溫室氣體的排放。
Top 9 碳納米管
碳納米管具有比地球上其它任何材料都高的比強度,可以拉伸超過厚度的一百萬倍。
一納米(nm)只有一米的十億分之一，這是微乎其微的小。一張紙的厚度是100,000 nm。人的指甲的生長速度大約1 nm每秒。即使人的DNA鏈也只是2.5 nm寬。這樣看來構(gòu)造“納米”級的材料似乎是不可能的。但科學(xué)家和工程師通過使用電子束光刻技術(shù)等尖端技術(shù)，已經(jīng)成功的創(chuàng)造出壁厚只有1 nm的碳納米管。
當(dāng)大的粒子變小時，其比表面積在不斷增加。這些碳納米管具有比地球上其它任何材料都高的比強度,可以拉伸超過厚度的一百萬倍。碳納米管的質(zhì)量之輕和強度之高,使它們可以嵌入到其他金屬、混凝土、木材和玻璃等建筑材料中來增加材料密度和抗拉強度。工程師們甚至嘗試在建筑材料加入納米傳感器,這樣可以在材料破裂和開裂之前監(jiān)測出來。
Top 8 透明鋁材
透明鋁材可以需要更小的內(nèi)部支撐來建造高聳的玻璃幕墻摩天大樓。
幾十年來,化學(xué)工程師夢寐以求一種結(jié)合了金屬的強度和耐久性的與玻璃般透亮的材料。這樣一種“透明金屬”可以在內(nèi)部支撐更少時來建造高聳的玻璃幕墻摩天大樓。軍事建筑可以安裝這種薄而透明的金屬窗戶經(jīng)受起最高級的炮火的攻擊。想象一下用這種材料建造出的巨大的水族館會是一幅怎樣的景象!
早在1980年代,科學(xué)家們就開始試驗一種新型由鋁、氧和氮混合粉體制得的陶瓷。陶瓷經(jīng)過熱處理和冷卻的過程得到的硬度很高的晶體材料。他們將混合鋁粉置于巨大的壓力之下, 在2000 ℃(3632 F)高溫加熱數(shù)天,最后拋光生產(chǎn)出透明如玻璃一般又兼具鋁的強度的新材料。這種被認為是透明鋁材或者ALON的太空材料已經(jīng)用于軍隊生產(chǎn)裝甲窗戶和光學(xué)透鏡。
Top 7 透水混凝土
較大顆粒和缺砂透水瀝青 (如圖所示)產(chǎn)生很多相互聯(lián)通的空隙,允許水通過地表,可以減少雨水徑流。(來源：BanksPhotos/ E+/ GettyImage)
當(dāng)暴風(fēng)雨襲來，會有成片的雨水落下來，澆落到馬路、便道和停車場上，沖刷起大地表面的碎屑和污染物，把汽油這些潛在危險化學(xué)品直接沖到下水道和溪流中。美國環(huán)境保護署(EPA)已經(jīng)確認城市地區(qū)的雨水徑流是水質(zhì)污染主要來源。
自然有自己的方式,從雨水中過濾有毒物質(zhì)。土壤是一個巨大的過濾器濾掉金屬和其他無機物質(zhì)。隨著雨水的向下滲透穿過土壤層，微生物和植物根系吸收了過量的化學(xué)物質(zhì)(來源:ESA)。了解這點后,工程師們創(chuàng)造出了一種新型的透水混凝土，它可以使雨水透過道路進入土壤,讓大自然做它的過濾工作。
透水混凝土由較大顆粒的巖石和沙子組成，使道路中有15至35%的開放空隙。透水混凝土的石板鋪設(shè)在礫石或其他多孔基材之上,這樣雨水會流入下面的土壤中。透水混凝土是停車場上瀝青的一個很好的替代品。它不僅可以顯著減少徑流,其淺顏調(diào)還可以反射陽光，在夏天保持涼爽。
Top 6 氣凝膠隔熱材料
放在櫻花上的氣凝膠碳海綿，它比氦氣還輕，卻可以吸收自重250-900倍的油。
如果米開朗基羅著名的大理石雕像大衛(wèi)是由氣凝膠構(gòu)成的話,它將只有4磅(2公斤)!氣凝膠是地球上最低密度的物質(zhì)之一，是一種泡沫狀固體材料，盡管幾乎輕如空氣確保有固定形狀。有的氣凝膠的密度只有空氣的三倍，但通常氣凝膠是空氣的15倍重。
你可能會認為凝膠是如發(fā)膠一般濕濕的物質(zhì)。實際上氣凝膠是通過排除凝膠中的液體制得的。除去99%到90%的空氣以外，剩下的只是二氧化硅結(jié)構(gòu)。氣凝膠是幾乎沒有重量,但是可以拉長成薄片氣凝膠織物。在建設(shè)項目中,氣凝膠織物具有“超強隔熱”的特性。其多孔結(jié)構(gòu)使熱量很難通過。測試表明氣凝膠織物的隔熱能力是傳統(tǒng)的玻璃纖維或泡沫絕緣材料的兩到四倍。一旦價格適中,它就可以廣泛應(yīng)用于建筑。
Top 5 溫控反應(yīng)瓷磚
由于桌子具有溫度控制表面，當(dāng)熱的東西放在桌子上面時，桌面就會變色。
只要你是生活在1991年,你就很可能擁有一件超色T恤( Hypercolor)。利用一個叫熱致變色染料的科學(xué)奇跡，Hypercolor的設(shè)計師制出可以根據(jù)體溫改變顏色的T恤。廣告中這T恤衫看起來超級酷和性感：你的女朋友會把她熱的手放在你的胸部,留下一個發(fā)光的標(biāo)志。但在現(xiàn)實中你的身體最熱的部分通常是你的腋窩。發(fā)光的腋窩可不那么超級性感。
如今,一家公司生產(chǎn)著一種玻璃裝飾瓷磚，瓷磚表面涂覆一種熱致變色染料，可以像“活著”一般隨表面溫度發(fā)生變化。在室溫下,瓷磚是一個光滑的黑色，但當(dāng)你接觸到瓷磚或者有光直射或溫水接觸時，瓷磚顏色就像北極光一樣轉(zhuǎn)變成彩虹般的藍色、綠色和粉紅色。最酷的應(yīng)用一定是變色浴室了。對于移動顏色公司的好消息是房子可沒有令人尷尬的腋窩。。。
Top 4 機器人群體建筑
2014年在芝加哥美國科學(xué)促進會的會議上哈佛大學(xué)人工智能學(xué)術(shù)研究員 Kirstin Petersen 演示了受白蟻啟發(fā)而開發(fā)的機器人。
自然界最巧妙的建筑者之一是不起眼的白蟻。它用只有沙子一般大小的大腦,與成千上萬的同胞們一起工作建立起龐大復(fù)雜的泥巴結(jié)構(gòu)。白蟻引起了哈佛大學(xué)機器人研究人員的注意，因為這種昆蟲并不是聽取來自蟻穴中央的命令，每個白蟻只是根據(jù)基因程序規(guī)定的行為工作。這一群專一的個體在一起創(chuàng)造出了不朽的“泥塑”作品。
受到白蟻啟發(fā),哈佛大學(xué)自組織系統(tǒng)研究小組的研究人員組建了小型建筑機器人群體進行工作。四輪機器人可以在空地上通過搬磚、爬墻和鋪磚砌出磚墻。它們有傳感器來檢測其他機器人的存在并按規(guī)則彼此互不干擾的工作。就像白蟻一般，沒有人“控制”它們,但它們按照程序齊心協(xié)作把設(shè)計變成現(xiàn)實。
想象一下這樣的應(yīng)用場景:成群的機器人沿著淹沒海岸線建造堤壩墻;成千上萬的微型機器人在火星上建造出空間站，或者深海底天然氣管道被海里成群游蕩的機器人組裝完成。類似的嘗試是用一群自主飛行機器人用來構(gòu)建一個巧妙起伏的磚塔。
Top 3 3D打印房屋
馬義和(左)展示他公司在上海建造的房屋的3D打印墻體。他的公司計劃一天建造十幢這樣的房屋。
3D打印終于變成了主流。Makerbot出售的精致(也負擔(dān)得起)的桌面機器完全可以打印出3D塑料玩具、珠寶、機器零件和假肢。但是如果你想打印一些比鞋盒更大的東西呢?你能真實的造出一個足夠大的3D打印機打印出一個塑料房子嗎?
答案是肯定的。一家荷蘭建筑公司已經(jīng)啟動了一項雄心勃勃的公共藝術(shù)項目來建造一幢3D打印的房子。但首先他們必須建立起一個世界上最大的3D打印機，稱為 Kamermaker或“房屋制造者”。 Kamermaker使用塑料為原料，可以打印出像樂高積木一樣的大塑料組件，之后將其組裝成大房子的各個房間。再一次像樂高積木一樣，把各房間固定在一起，加上打印成型的外部設(shè)計使房屋看起來像傳統(tǒng)的荷蘭式傍水小宅。
同時，一家中國建筑企業(yè)也在使用巨大的3D打印機建造房屋。這個巨大的3D打印機能噴涂水泥層和建筑廢料來組裝的房屋。這家建筑公司介紹說房子將花費不到5000美元，而且它一天可以產(chǎn)生多達10套這樣的房屋。
Top 2 智能公路
如果我們發(fā)明出可以給新能源汽車無線充電的道路，那我們就不再需要鋪滿太陽能電池板的汽車了。
一項最令人興奮的新想法是道路可以作為電動車的充電器。一家新西蘭公司已經(jīng)建成一個大型“能源墊”,可以給停著的電動車無線充電。下一步就是將無線充電技術(shù)嵌入到實際路面里,這樣電動汽車可以在行進中充電，而不會再需要充電站!
其他有趣的想法也可能在將來實現(xiàn)，比如路面吸收陽光發(fā)電，或者更酷的是把壓電材料嵌入道路，捕捉過往車輛的振動能，并將其轉(zhuǎn)換為可用的能源。
Top 1 CO2建筑
鮑魚的硬殼啟發(fā)了MIT的研究人員把鮑魚用來礦化CO2建筑自身外殼的酶分離出來。某一天我們或許可以利用CO2來生產(chǎn)碳磚。
由發(fā)電廠和機動車排放出的二氧化碳(CO2)是人造溫室氣體的最大來源。每年，我們排除超過300億公噸的CO2到大氣中，加速了全球變暖的危害。在能源行業(yè)進行著的誘捕或“封存”二氧化碳進行地下排放的試驗的同時，一組麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員已經(jīng)成功地利用轉(zhuǎn)基因酵母將CO2氣體轉(zhuǎn)化為了固體碳基建筑材料。
像哈佛大學(xué)的“白蟻”團隊一樣，麻省理工學(xué)院的研究人員也受到了自然的啟發(fā)，不過這次是鮑魚。和其他甲殼類動物一樣，鮑魚能把海水中得二氧化碳和礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化為碳酸鈣來構(gòu)建他們的堅硬如巖石的貝殼。研究人員分離出鮑魚用于礦化二氧化碳的酶，并用它改造了一批酵母菌生產(chǎn)。滿滿一燒杯的轉(zhuǎn)基因酵母可以利用只有1磅(0.5公斤)的CO2產(chǎn)生出2磅(1公斤)的固體碳酸鹽。想象它們能利用300億噸的二氧化碳生產(chǎn)出多少碳磚!
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