在极端环境中用机器人预制化3D打印建筑，迈向火星栖息地

为什么地球与火星上的建筑设计都很重要

随着气候变化加剧风暴、热浪和寒潮，我们也在思考登陆月球和火星。在两种情况下，同样的问题都摆在眼前：如何建造能够在不向大气中排放更多碳的前提下，保护人们安全舒适的栖所？本文通过将地球上一些最严酷气候下的真实酒店案例，与前沿的机器人3D打印技术以及未来火星栖息地的设计联系起来，试图解决这一难题。

极端环境酒店能教给我们的东西

作者以一种不寻常的“实验室”为起点：分布于地球上一些最严苛环境中的100家酒店，涵盖北极冰原、高山、沙漠和炎热潮湿的热带地区。通过测量建筑的基本特征，例如平面伸展宽度、建筑高度以及轮廓的锯齿度或平滑度，他们发现了明显的气候指纹。寒冷气候的酒店往往紧凑且包裹良好，减少外露表面以留住热量；沙漠和热带酒店则相反：更为开阔、布局更通风，并常配有有助于空气流动与散热的遮蔽户外空间。机器学习分析表明，简单的几何特征——周长、表面积和总体体积——能有力预测建筑在建造和翻新过程中所消耗的碳。总体而言，形状更简单、更紧凑的建筑在能耗和材料浪费上比复杂、装饰性强的形式更节约。

预制与3D打印如何削减碳排放

接着，研究考察了全球631个采用预制建造的酒店项目——即主要部件在工厂制造并在现场装配——并将其与类似的传统建造方式进行了比较。关注点不是日常能耗，而是“体现碳”：与制造、运输和安装材料相关的全部排放，尤其是在翻新期间的排放。结果显示，预制几乎总是能降低总体碳排放，而且在偏远或崎岖地区效果尤为显著。位于长而艰难供应链末端的山区和极地城市节约量最大，因为工厂制造的部件减少了浪费、降低了运输次数并简化了复杂的工程任务。

当恶劣环境使情况更复杂时

当作者将当地环境的极端程度纳入考量时，情况变得更为复杂。他们构建了一个“极端性指数”，将海拔、温度波动和湿度等因素融合在一起。在较温和的地区，预制通常能将与翻新相关的排放减少多达四分之一。然而在最严酷的地区，百分比上的收益缩小，有时甚至会略微变为负值。额外的结构加固、长途运输和耐候化组件会侵蚀预制的相对优势。但重要的是，按绝对量计算的碳减排——以每立方米建筑避免的千克排放来衡量——在多数情况下仍然为正。这意味着即便在百分比图表上预制看起来并不突出，其在真实尺度上仍能避免大量碳排放。

建筑机器人崛起与火星栖息地

为了洞察行业走向，研究者绘制了56家开发建筑机器人的公司地图，尤其是能够逐层“绘制”建筑的3D打印系统。这些公司主要集中在欧洲、中国和北美，受到风险资本和技术快速进展的推动。与此同时，团队梳理了517篇关于火星栖息地的科学研究。大多数工作集中在如何利用火星当地土壤和原位资源3D打印庇护所，以避免从地球运输沉重材料。硫基混凝土、聚合物树脂和玄武岩纤维复合材料等材料凸显为有前景的候选。但将这些建造方法与生命维持、辐射屏蔽或居住者日常需求相联系的研究则要少得多。换言之，我们在如何更快地在火星上建造坚固的“外壳”方面进展较快，而在如何让这些空间真正适合人类居住方面的研究相对滞后。

这对地球与火星未来居所意味着什么

对非专业读者来说，主要结论是：建筑的形状和装配方式与为建筑供能同样重要。与预制和机器人3D打印结合的紧凑、气候适配设计，能够显著降低建筑隐含的碳成本，尤其是在偏远或艰难地区。这套工具箱——智慧几何、工厂制造模块和现场机器人——有朝一日还能让我们直接用火星土壤打印耐久的庇护所。但要把这些栖息地变成真正的家，工程师必须与生物学、医学和人类行为等领域的专家更紧密地合作。只有将低碳建筑方法与以人为本的健康室内设计结合起来，我们才能创造出既对地球友好又对人友好的建筑，无论它们是矗立在地球的极地沙漠，还是火星的红色平原上。

引用: Cai, G., Sun, L., Xu, H. et al. Robotic prefab 3D printing buildings in extreme environments toward Martian habitats. npj Space Explor. 2, 11 (2026). https://doi.org/10.1038/s44453-025-00025-6

关键词: 预制建筑, 3D打印建筑, 体现碳, 火星栖息地, 建筑机器人