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“容纳十万人”的巨构建筑蕴含着怎样的设计机制?

导语

巨构建筑(Megastructures)或许将不再仅存于科幻小说中。基于系统自我修复的仿生机制,我们不仅可以将材料物尽其用,还能增强建筑的可靠性,甚至由此得到启发,尝试打造一部可靠的太空电梯!

编译:集智俱乐部翻译组

来源:aeon.co

原题:What would it take to build a tower as high as outer space?

人类总是渴望去建造更大、更令人震撼的建筑。埃及的金字塔、中国的长城以及迪拜的哈利法塔——世界上最高的大厦,高达 828 米(2722 英尺)—— 一次又一次地逼近工程建造的极限。

而巨型建筑不仅是着人类雄心壮志的里程碑,它们可能也是航天时代人类进步的关键。

       

可靠性工程的局限     

有关“独立塔”或者太空电梯的建议一直被人们津津乐道,它们可以抵达地球的同步轨道。这样的塔可能会替代火箭运输,从而显著降低进入太空的所消耗的能源。除此之外,我们可以想象一下,在太空中的巨构建筑(Megastructures)可能达到数十千米,通过太阳能驱动,也许能够包围整个行星甚至恒星。

近几年,由于新型钢合金等材料的强度与可靠性,工程师们已经能够建造更加宏大的建筑。但是在涉及 1000 km 甚至更大的巨型建筑领域中,保证建筑的安全性与结构完整性是一项巨大的挑战。这是因当一个东西越大时,由于自身的重量与尺寸的原因,其受到的应力越大。

此处“应力”是指机械张力,就像你从两头拉一个东西或者将一个东西压缩时所受的力。“强度”(Strength)是指一个结构在被破坏前所能承受的最大的力。

实际上,经过 38 亿年进化的生物体结构也许可以帮我们解决这一问题。

在材料科学没有诞生以前,工程师们只能在自然中寻找创意,来解决材料限制问题。例如在古代文明中,人们使用动物皮制成的筋来制造战争武器,通过拉伸来向敌军投掷炮弹。之后,随着钢筋混凝土时代的到来,材料也变的更加强韧和轻盈。

这也演变出了一个子学科:可靠性工程。设计师们开始制造的建筑比他们需要承受的最大可能负荷强得多——这也意味着材料所承受的应力保持在结构破坏可能性很低的范围之内。

但是,一旦达到了巨构建筑的级别,计算结果显示,这种通过“可靠性”规避破坏的方法会限制建筑物的大小。巨构建筑必然会达到材料的承受的极限,并使得没有余地来保持材料所受应力在合适的范围之内。

在我们的身体中,骨骼和肌腱都没法享有这种“留有余地的奢侈”。实际上,它们经常会被压缩或者拉伸到超过它们可承受范围的。但是,人体的这些组织结构仍比其本身的材料强度更“可靠”。

例如,仅仅跑步的时候,跟腱的所受的拉伸强度就超过了其极限的 75%。而举重运动员在进行数百公斤的牵引时,其腰椎的所承受的强度超过了其极限的 90%。

生物体是如何解决这些负担呢?答案就是我们的身体会不断的修复和重用这些“材料”。

在肌腱中,胶原纤维会替换那些受损的肌肉纤维从而保持肌腱整体的安全性。这种持续的自我修复是有效且廉价的,并且可以根据实际负载而改变。事实上,我们人体内所有的组织与细胞都在不断的进行更换。据估计,每年人体中几乎 98% 的原子都会被更换。

       

仿生机制

最近,我们正在尝试基于这种自我修复的机制去使用合适的材料打造一部可靠的太空电梯。

一个普遍的提议是设计一个长达 91000 km 的线缆(即系绳),从赤道延伸出来,在空间通过配重保持平衡。这个线缆由成束的平行纤维组成,类似于肌腱中的胶原纤维或者骨头中的骨单元,但其主要使用 “凯夫拉” 制成,这种材料常见于防弹背心或者防刀背心中。

使用传感器和智能软件,我们就可能对整个线缆建立数学模型,从而预测什么时候、在哪里,纤维会以什么样的方式受到损坏。一旦做到了一点,在线缆上上上下下快速巡逻机器人就可以去修复受损部位,可以根据实际情况调整维修频率,从而模拟生物体内的敏感程度。

和材料本身所能承受的相比,这些操作处于高应力环境下,但是我们可证明,这种结构足够可靠,并且对维修的频率上没有那么高的要求。更重要的是,达到这种可靠的结构所需的材料的最大强度被销减了 44%。

仿生工程

这种仿生工程也可以用于地面的建筑,例如桥梁和摩天大厦。通过挑战材料的极限,以及为其系统性地装配自主修复和更换机制,我们可以超越当前的材料极限,并且提高可靠性。

为了直观地了解达到抗拉强度极限时的情况,我们看一个吊桥的例子,其中涉及了包含在内的钢绳的长度。

在增加桥梁跨度时遇到的主要问题是,当我们使用更长的钢绳时,它们会变的更重,从而因自身的重量而发生断裂。如果钢绳被拉伸的长度没有超过总强度的 50%,则桥梁的最大跨度大概是 4 km;但是当其被拉伸到总强度的 90% 的时候,桥梁的跨度却不会超过 7.5km。然后,为了确保线缆的安全,将需要在微调的过程中更换新的钢丝绳,就像是生物系统中那样。

巨构建筑不再仅存于科幻小说中。就像《旧约》所记载的那样,人类不会被被通天塔的倒塌而吓倒,在科学技术的巨大推动下,人类建造的东西会越来越大,越来越高,建造的速度也会越来越快。

虽然,按照以往的可靠性的角度看,我们的路貌似还很长。但是,我们仍然需要一个新的标准,一个不仅关注材料强度,更聚焦于系统自身重建修复能力的标准。我们应该深入了解我们周围的生物,并且相信在进化的历史长河中有很多值得学习的东西。

翻译:奔跑的扫帚把子

编辑:王怡蔺

原文:https://aeon.co/ideas/what-would-it-take-to-build-a-tower-as-high-as-outer-space

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