Robotic additive repair of damaged rammed-earth walls using printable earthen materials: a proof-of-concept experimental study

几个世纪以来，在世界许多地方，房屋、谷仓和堡垒的墙壁都是从地面开始向上建造的，这是一种名副其实的垂直堆叠。建造者取用当地的土壤，将其与水混合，然后一层一层地紧密压实到木制模具中，直到其硬化成一种被称为夯土（rammed earth）的坚固且耐用的结构。这种古老的技艺使建筑能够随气候“呼吸”，储存热量，并在地球上留下极小的足迹。然而，正如所有由大地构成的物体一样，这些墙壁也是脆弱的。随着时间的推移，雨水、风力以及岁月的流逝会侵蚀它们的表面，削掉它们的棱角，或留下深深的裂缝和凹陷。修复这些墙壁是一项精细的任务；如果你用错误的现代水泥或混凝土进行修补，可能会将水分困在内部，或者创造出一个硬壳，从而导致其下方的软土开裂。一次好的修复目标是在不破坏墙壁其余部分的前提下填补损伤，并使用在感觉和特性上都与原始土壤一致的材料。

现在，想象一下尝试用一台具有人类手部灵巧度且永不疲倦的机器，精准地填补墙上一个参差不齐的洞。这就是研究人员试图解决的挑战。他们想知道，是否可以教机器人去修复这些历史悠久的、基于土地的墙壁，不仅是通过在其表面粘贴补丁，而是通过使用一种模仿原始土壤的特殊混合物，逐层重建缺失的部分。问题不仅在于机器人能否移动，还在于这种新材料是否能粘附、保持形状，并真正帮助墙体重新站稳，还是仅仅作为一个脆弱的外壳停留在那里。

来自西班牙、中国和澳大利亚的大学及工程部门的研究小组决定在受控的实验室环境中测试这个想法。他们使用传统的夯土方法建造了一面大墙，然后故意损坏了顶部区域，以模拟多年的侵蚀。他们的目标是观察一个配备了六臂机械臂和喷嘴的移动机器人，是否能够引导在墙前移动，并沉积一种新的、可打印的土质材料来填补缺口。这种被称为“可打印土质修复混合物”的材料，在设计时并未添加水泥。相反，它使用了当地土壤、沙子和天然粘合剂（如植物纤维和淀粉）的混合物，以确保其行为与原本要修复的旧墙相似。

机器人被编程为遵循特定的路径，通过前后移动来铺设薄薄的水平层。过程奏效了。机器成功沉积了约200公斤的混合物，不断堆筑受损部分，直到其形状与原墙匹配。材料从喷嘴中流畅流出，在铺设时保持了形状，并与下方的旧土结合在一起。没有发生坍塌，新部分站立稳固。实验的这一部分证明了机器人可以在物理上完成如此规模墙体的修复任务，创造出一个连续且稳定的修复区，而这是人类工人难以轻易复制的稳定性。

但建造墙体只是第一步。研究人员需要知道，这种经由机器人修复的墙体是否真的能够承重。他们取了较小版本的修复墙体，用测试机挤压它们直到失效，并将结果与用同样土壤制造的新建完整墙体进行对比。修复后的墙体承重能力不如新墙，其峰值载荷为22.74千牛，约为新墙强度的56%。这个结果是在预料之中的，因为修复后的墙体包含了旧的、压实的土和新的、分层堆叠的材料，研究人员并不期望它能像一个完整的、新造的块体那样强壮。然而，墙体并没有直接崩塌；它顶住了压力并承受了显著的载荷，证明了这次修复不仅是装饰性的，而且是结构性的。

在墙体被挤压时，内部发生了什么，为研究提供了令人惊讶的见解。研究人员在旧的底部墙体和机器人建造的新顶部之间放置了微型传感器。随着重量增加，传感器显示，新打印的图层比下方的旧层拉伸和变形程度更大。在最大压力点附近，新材料吸收的应变几乎是原始土壤的五倍。这表明，机器人打印的图层起到了保护性垫层的作用。与其让压力导致原始的历史墙体开裂，新材料承担了冲击，通过拉伸和弯曲来吸收能量。当墙体最终出现损坏迹象时，裂纹主要出现在新的、可更换的顶部部分，而下方的原始土壤基本保持完好。

新旧材料之间的界面也表现良好。研究人员在过渡带放置了一层增强网，以帮助两部分粘合在一起。测试结束后，他们检查了连接处，发现两种材料保持了粘合，没有出现大规模的分离。损坏集中在顶部的打印区域，理论上未来可以再次对其进行修复，而不必触及下方珍贵的原始墙体。这种行为表明，该修复方法不仅仅是填补一个洞；它创造了一个可以“牺牲自我”以保护剩余结构的区域。

这项研究还考察了工作的实际层面，记录了具体使用了多少材料以及成本如何。团队使用了200公斤的混合物来填充一个大约相当于一小间房墙面大小的空间。这些原材料的成本约为180元人民币，即每平方米修复面积约360元人民币。虽然这并未包括机器人的成本或运行机器的人工成本，但它为理解该过程的材料效率提供了一个基准。机器人精确地将材料沉积在需要的地方，几乎没有浪费，并创造了一份关于使用了多少以及用在哪里处的精确记录。

这项研究并不声称已经解决了修复古代建筑的所有问题。测试是在实验室进行的，使用的是专门为实验建造的墙体，而非面临真实天气和复杂损伤的数百年历史建筑。机器人使用的是预设路径，而不是实时扫描墙体来寻找每一处裂缝，且新材料针对雨水和冻融循环的长期耐久性尚未得到充分测试。然而，该研究成功证明了机器人系统可以用于修复夯土墙，且这种方式是受控的、可衡量的且结构稳固的。它表明新材料可以与旧材料结合，修复层可以承重，并且打印层可以作为牺牲性屏蔽层来保护原始墙体。

这项工作预示着一个未来：建筑物的维护可以更加精准且更少侵入性。不再仅仅依赖于单个匠人的经验来判断填补多少或压实程度，机器人可以遵循数字计划，以极高的连贯性重建受损部分。它提供了一种保护这些低碳、古老结构的方法——通过仅修复破损之处，使用属于大地的材料，并留下清晰的工作记录。机器人并没有取代人类在文物保护中的判断力，但它提供了一种新工具，让修复过去这一精细任务变得更加可靠，也更具保障。