普林斯頓工程學院的研究人員從大自然中汲取靈感，增強了混凝土構件的抗裂性。他們將創新設計與積層製造技術結合，並利用工業機器人對材料的沉積進行精細控制。

普林斯頓大學土木與環境工程系助理教授雷扎-莫伊尼（Reza Moini）領導的研究人員在8 月29 日發表在《自然通訊》（Nature Communications）雜誌上的一篇文章中介紹了他們的設計如何將抗裂性提高了63%。

研究人員的靈感來自雙螺旋結構，這種結構構成了一種稱為腔棘魚的古老魚類的鱗片。莫伊尼說，自然界經常利用巧妙的結構來相互提高材料的性能，如強度和抗斷裂性。

為了產生這些機械特性，研究人員提出了一種設計，將混凝土在三維空間中排列成單股。該設計使用機器人增材製造技術將每條鋼絞線與相鄰鋼絞線進行弱連接。研究人員採用不同的設計方案，將許多鋼絞線組合成更大的功能形狀，例如梁。這些設計方案依賴於稍微改變每個疊層的方向，從而在梁中形成雙螺旋排列（兩個正交層在高度上扭曲），這是提高材料抗裂紋擴展能力的關鍵。

論文將裂紋擴展的基本阻力稱為”增韌機制”。莫伊尼說，期刊論文中詳細介紹的這項技術依賴多種機制的結合，這些機制可以阻止裂紋擴展，使斷裂表面相互鎖定，或在裂紋形成後使其偏離直線路徑。

這項研究的合作者、普林斯頓大學的研究生沙山克-古普塔（Shashank Gupta）說，在樑柱等建築構件中，有時需要使用機器人來製造具有必要的高幾何保真度的建築混凝土材料。這是因為，如果沒有機器人製造的自動化和精確性，目前為結構應用創造有目的的材料內部排列是非常具有挑戰性的。

積層製造是指機器人逐股添加材料來製造結構，它允許設計師探索傳統鑄造方法無法實現的複雜結構。在莫伊尼的實驗室裡，研究人員使用整合了先進的即時材料處理技術的大型工業機器人，這些機器人能夠製造出尺寸完整且美觀的結構零件。

作為工作的一部分，研究人員還開發了一種客製化解決方案，以解決新拌混凝土在自重作用下容易變形的問題。當機器人澆築混凝土形成結構時，上層混凝土的重量會導致下層混凝土變形，進而影響最終建築結構的幾何精度。為了解決這個問題，研究人員旨在更好地控制混凝土的硬化速度，以防止在製造過程中變形。

領導這項研究擠壓工作的古普塔說，他們在實驗室的機器人噴嘴上使用了先進的雙組分擠壓系統。這種專用機器人系統有兩個入口：一個是混凝土入口，另一個是化學促進劑入口。這些材料在擠出前在噴嘴內混合，使加速器能夠加快混凝土的固化過程，同時確保對結構的精確控制並最大限度地減少變形。透過精確校準加速器的用量，研究人員更好地控制了結構，並最大限度地減少了低層的變形。

編譯自/ ScitechDaily