作者:马克•麦道尼克 (伦敦大学学院(UniversityCollegeLondon)的材料与社会学教授) 翻译:何黎 来源:FT中文网《建造可以“自愈”的城市》2018年5月 |
我们生活在一个物质世界。正是这种制造能力满足了我们衣食住行和城市建设的需求。但是,人类历史有如此大一部分的时间忙于发明和制造新事物,以至于我们现在拥有的东西太多了。它们充斥着我们的家、办公场所和医院。照顾好它们的任务已经变得有点繁重。
我们的座驾变得更可靠、更经济、更舒适了,但也更复杂了,以至于得用专门的诊断设备才能维修它们。同样,当手机发生故障时,多数人无法自行修理。就连制造商也宁愿更换设备,而不是修理。基础设施仍然会得到修理,但这类工程项目同样越来越困难和昂贵。
答案是什么呢?我们是否应该设法阻止物质世界日益复杂化?很多人提倡这么做,但我不是其中之一。
我的研究目标是反其道而行之:帮助创造足够复杂的材料和工程系统,使它们能够感知损坏,然后有能力自我修复。例如,有没有可能让一座城市自动修复路面的坑洼,而不是任其变成安全隐患、而且修理成本惊人?
这类自愈技术的主要驱动力是经济与环境,它们有望带来更像森林的城市,具备自我维持的生态系统。
20世纪见证了能够回应环境变化的“智能”材料的问世。
例如,人们发现形状记忆合金在加热时会变形。这类材料已被广泛应用于各行各业,从建筑物过热时会自动开启的窗户,到在外科手术中借助体温使植入体变大,使其与人体完美契合。事实上,智能材料已存在了数千年。实例之一是自古以来被用于粘合砖石的石灰砂浆。它起初是一种液状的混合物,组分为氢氧化钙(熟石灰)、砂和水,固化后变成一种坚硬陶瓷,将砖石粘合在一起。至此一切都很平常,但是接下来会发生的情况就有趣得很了。
随着时间的推移,石灰砂浆与砖石间可能出现裂缝。这也许会令(举例来说)一堵墙的内部发生位移,但不至于倒塌。但再过一些日子,裂缝会愈合,使这堵墙永久定型。这种自愈是材料内部结晶过程的结果,这一过程利用潮湿的空气与砂浆中未反应的石灰起反应。这在实践中意味着,这样的墙可以历经几千年而保持完整性,不受墙内部应力加载变化的影响。
设计像石灰砂浆那样对损坏作出反应的新型智能材料的活动,在过去10年里出现加速。航空航天工业一直在开发自愈复合材料,作为应对飞机机身可能出现的微小裂纹的一种方法。这种自愈材料不仅提高了安全性,还延长了飞机的使用寿命,从而降低拥有成本。
这些技术的工作原理是,在材料中加入液态树脂微胶囊,并给复合材料内部的增强纤维涂上催化剂。一旦出现裂纹,微胶囊就会爆裂,液体树脂流出,与纤维接触。催化剂随即使树脂迅速固化,从而愈合裂纹。目前,由于胶囊很小,这种方式只适用于应对微小裂纹。但已经研发了一些改进后的方法,通过复合材料内部的管子来连续泵送液体树脂,就像人体的血液被泵送至全身的静脉一样。通过模仿人体愈合伤口的凝血机制,这些智能复合材料能够自我修复。
模仿血管系统只是不断壮大的自愈材料行业从生物有机体中获得灵感的一种方式。自愈混凝土是另一个例子。其研发始于科学家开始研究能在极端条件下生存的生命形式。一种叫做巴氏芽孢杆菌(Bacilluspasteurii)的细菌,被发现可以承受高碱性环境,就像混凝土内部的那种环境。这种细菌还有另一种非凡特性:它会排泄一种叫做方解石(calcite,碳酸钙的稳定形态)的矿物质,这是混凝土的组分之一。这两个特性使自愈混凝土的生产变得可行,办法就是在混凝土内加入巴氏芽孢杆菌。
在正常情况下,这些细菌可能会潜伏数十年。但是,如果桥梁、隧道或建筑物出现一个小裂缝,细菌就会暴露于潮湿的空气,从而被唤醒。它们寻觅食物,结果在混凝土里发现在生产过程中被留在里面的淀粉胶囊。它们吃了这些食物,排泄出方解石。随着它们不断觅食,它们从裂缝中出来,留下崭新的材料。这种自我修复机制已被证明能够恢复混凝土强度的90%。
基础设施是自愈材料的一个主要应用领域。
不仅是因为它涉及巨额维修成本(仅在英国,每年的基础设施维修与保养成本就估计达到400亿英镑),而且也因为在修理过程中,这些基础设施就不能提供服务了。对于铁路和公路网,这会导致交通堵塞,进而造成扰乱、经济影响和污染。如果我们的道路和基础设施能够自行修复,那岂不是很神奇?
这是一个重大项目的目标,该项目由英国工程和物理科学研究委员会(EPSRC)出资,利兹大学(LeedsUniversity)牵头,研究团队由南安普顿大学、伯明翰大学和伦敦大学学院(UniversityCollegeLondon)我所在学院的工程师组成。利兹市地方议会乐于把这座约克郡城市当作一个试验台,用于检验我们开发的新技术。该市痛苦地意识到,它的年度预算中有多大一部分需要投入维修和保养——其金额高达数千万英镑。它视其为一个契机:创建自主维修系统,由其形成一个城市免疫系统,从而大幅度削减支出。
要想知道这一点在城市环境中如何实现,不妨考虑城市街道上出现一个坑洞的情形。目前,坑洞必须由人工识别、报告和添加至需要执行的道路维修清单。必须对紧急程度、封路成本以及出动卡车和修路人员的成本进行评估。这一评估的结果会影响在当前财年进行维修的几率。当然,如果没有得到处理,坑洞只会变得越来越大,修复成本也会更高。
现在考虑另一种未来:一辆无人驾驶汽车连续检查城市基础设施,它识别出一个形成不久的坑洞。有关这一新生坑洞的大小和形状的信息,被传输给另一辆自动驾驶车辆,该车在交通流量较低的夜晚抵达现场,找到坑洞,在打开危险信号灯的情况下停下几分钟,在此期间用一台3D打印机注入沥青,以精确修复坑洞。在早期修复它可以节省资金,因为这样可以避免因封路而造成的交通堵塞。
有没有可能用3D打印技术,把沥青精确注入一个界定尺寸的坑洞?研发这种技术正是我们研究团队的工作。我们正在取得良好进展,但已经很明显的是,其应用不仅限于修路。我们的3D打印系统也可以安装在无人机上,因而有可能使用沥青来修复平屋顶和其他难以检修的基础设施。事实上,对于利兹这种复杂的城市,修理无人机就减少维修成本而言看起来很有前途。
举一个看似微不足道的例子:
天沟被落叶堵塞。如果不去处理,过一段时间后,水就会开始沿着外墙流下,导致渗水、潮湿、墙面起皮及松动和内部长出霉菌。最终,在过了几年之后,情况变得足够糟糕,促使地方议会采取行动,但那时的成本要比清理天沟高100倍。一架能够清除落叶和修复渗漏排水管道的无人机,听起来在技术上微不足道,但它能让利兹这样的城市节省数百万英镑的维修和维护支出。
这一切似乎跟简单、自愈的石灰砂浆相距很远。但在我看来,这不仅是一种可能的未来,而且是我们唯一能负担得起的未来。当今的城市是提供电力、水、燃气、交通、食品和医疗服务的复杂系统组合。随着人们对高质量生活的期望越来越高,支持这种生活的基础设施的复杂性也随之提升——最终的效果是人均基础设施数量增加了。
然而,我们管理这种复杂性的能力并没有跟上,尤其是在修复相互关联的系统方面。如果你把一个城市与一个活生物体进行比较,两者的差别是显而易见的。在我们的身体里,大部分修复工作是自主进行的——我们的身体检测到损伤,然后使用相关系统来修复它。当然,有时我们确实需要彻底干预,比如外科手术,但我们活得这么久的原因是我们的身体在不断地自我修复。至关重要的是,我们体内的修复系统在问题变得严重之前就开始干预。
材料的复杂性不仅是大型工程系统(如城市)的挑战,它还体现在汽车、电脑和手机等更小的物体上。随着这些技术的修理成本越来越高,它们的使用寿命越来越短。智能手机平均使用18个月就被替换。这种商业模式对制造商来说也许有利可图,但对我们其他人来说没有多大的经济意义。它对环境也不好,因为材料的复杂性使它的回收利用变得更困难,更耗能。
为什么手机不能像汽车那样用上10年?为什么汽车不能像房子那样用上100年?这完全归结于维修的成本和可行性。一部真正的“智能”手机将会像城市那样自我修复,难道这不是唯一在经济上可持续的未来吗?