使用双机器人无芯丝绕工艺共同设计天然纤维-木材混合结构系统

用更少的资源建造更多

随着城市扩张，我们需要远多于以往的建筑——但当今的建造方式消耗了大量能源和原材料。本文探讨了一条不同的路径：将木材与植物纤维结合，形成一种由机器人制造的新型轻量结构，旨在在保持强度和耐久性的同时减少资源使用。研究团队通过设计并建造一个全尺寸室外亭堂来检验这一设想，展示了智能设计与数字化制造如何使建筑更轻于地球负担且具有强烈视觉表现力。

为何重新思考材料至关重要

混凝土、钢材和传统塑料对全球碳排放负有重大责任。木材常被宣传为更环保的替代品，因为树木在生长过程中会固存碳。但如果大多数新建筑仅依赖木材建造，我们将需要大量更多的林地种植，这会引发对森林砍伐、病虫害和生物多样性丧失的担忧。与此同时，人们对亚麻等天然纤维的兴趣日益增长，这类作物可在一个生长季内收获，其加工所需能量也低于金属或合成纤维。作者主张，不应过度依赖单一材料，而应将多种可再生材料结合使用，使每种材料只在其最适合的部位发挥作用。

一种新型混合结构

团队开发了一种结构系统，将木板与木杆配对使用，并在木材上嵌入部分生物基树脂包裹的亚麻纤维束。在该系统中，木材承担压、挤等受力，而纤维网络负责拉伸受力。不寻常的是，木材承担双重角色：它不仅作为结构存在，还替代了通常用于成型纤维复合材料的临时钢制模板。纤维直接绕着经精密铣削的木材槽和凹位缠绕，树脂固化后，木材与纤维结合成单一且相互依赖的系统。这种做法减少了浪费，并将以往一次性的成型工具转变为成品建筑的一部分。

机器人编织木质顶棚

为制造该亭堂，研究者采用了核心缺失丝绕（coreless filament winding）技术的高级版本。与在实体模具上铺设纤维不同，这种方法将纤维在锚点之间张紧，让最终形状由纤维束的张力自然产生。本项目中，两个工业机器人围绕共享的木制框架协同工作。每台机器人将各自的亚麻纤维束穿过树脂浴，并从细长木杆的相对两侧同步绕制，以保持拉力平衡、防止木材开裂。详尽的数字化工作流将整体形态寻优、结构模拟、节点设计与机器人路径规划连接起来，确保几何形态、强度与可制造性相互影响并共同优化。

作为试验床的亭堂

成果是一个由三根混合柱和五块屋面板支撑的顶棚，安装在校园公园的临时基础上。厚度仅42毫米的细薄木板在下方增强纤维网的帮助下可跨越多达7.5米的跨度。结构分析表明，该混合系统可达到远厚实木板相当的刚度，同时将总结构重量削减近一半。在柱体中，部分纤维像索一样承受拉力，另一些纤维与木杆共同承担压应力，形成复杂但高效的受力路径。作者还设计了可逆连接件，并开发了将相邻纤维体连接在一起的“纤维缝合”方法，使亭堂能够在现场装配并随后拆解。

拆解结构，而不仅仅是搭建

在使用结束后，亭堂被小心拆解以测试材料的回收难易。工人在纤维与木材接触的有限区域切断纤维，取出螺钉，分离板件、杆件和纤维网。木质部件得以在其他项目中重复使用，而亚麻复合材料的边角料则用于与菌丝等生物基填料的实验性再利用。这表明，尽管纤维—木材节点看起来是永久性的，但该系统仍支持拆解与材料的循环使用。研究也强调了尚存的挑战：树脂只有部分为生物基、双机器人工艺复杂、并且微调公差与绕制路径存在难度。

对未来建筑的意义

简而言之，亭堂展示了通过让不同天然材料分担工作而非依赖单一重型选项，我们可以建造轻量、坚固且富有表现力的结构。通过协调的机器人在木材周围编织亚麻纤维，该系统总体上使用更少材料、降低结构重量，并开启了新的建筑形态。尽管仍需在长期耐久性、防火安全与完全可再生树脂方面做更多研究，这种混合方法指向了更利于森林、更低碳、并且更易拆解与再利用的建筑未来。它描绘了一种建筑不再像永久性物件，而更像由可再生部件精心组装——且可重新组装——的生态系统的未来。

引用: Duque Estrada, R., Kannenberg, F., Chen, TY. et al. Co-design of a natural fiber-timber hybrid structural system using dual-robot coreless filament winding. Sci Rep 16, 8154 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40584-6

关键词: 生物基建筑, 混合木结构, 天然纤维复合材料, 机器人制造, 轻质亭堂设计