今天的街道比它们的祖先面临的挑战更大。它们承载的不是脚、蹄子和木轮，而是半挂车和SUV。随着我们开发出新的出行方式，我们也改变了我们旅行路线的构成，将泥泞的小路变成了沥青高速公路。极端天气和碳排放等挑战意味着我们的高速公路必须进一步发展，因此工程师们正转向未来的解决方案来保持交通畅通。这就是这条漫长而曲折的旅程的由来，以及它将走向何方。
过去：后视镜里
1. 石头和砖块
人类为了运输食物和攻击敌人，清理树木、焚烧灌木已有10000多年的历史，但美索不达米亚人在公元前3000年左右发明了最早的铺设道路，以使其城市更便于通行。工人们模制了数千块相同的粘土砖，将它们晾干，然后像铺瓷砖一样排列起来。为了防止道路在牛经过时崩塌，他们用沥青将砖块粘合在一起。沥青是一种天然存在的半粘性石油，至今仍被用作沥青粘合剂。但这个古老的人群只在具有宗教意义或高军事价值的街道上采用这种劳动密集型的方法。
虽然所有道路技术可能都追溯不到罗马，但罗马帝国确实建造了一些古代世界最长、最耐用的道路。建筑师为了稳定而将岩石和碎石层嵌入地面。靠近城市和其他显眼区域，铺路工人在这些层上铺设硬石，以获得更光滑的外观。
公元100年左右，帝国达到鼎盛时期，拥有总计50,000英里的高速公路，使得士兵和商人能够迅速地在欧洲和亚洲小亚细亚地区移动。其中一些古老的通道至今仍在使用。亚壁古道从罗马向东南延伸350英里至意大利东海岸，在部分路段支持汽车通行——尽管在过去的两千年中，它已经进行了相当多的整修。
2. 倾斜的泥路
18世纪工业革命在英国兴起时，地方政府修建了更长的碎石公路网，依靠收费来为新路线的建设提供资金。这些所谓的收费公路遍布乡村，从伦敦扩散开来，连接着英格兰和苏格兰的城市。但大多数道路是由堆积在泥土上的小石头组成的，这意味着最轻微的雨水都能将石子路变成令人厌恶、危险的泥泞烂泥。
一位名叫约翰·梅特卡夫（John Metcalf）的土木工程师有一个平整道路的计划。他的施工队伍会稍微倾斜每条新街道的表面，并在两侧挖深沟。这提供了适当的排水，防止道路因水分过多而塌陷，并防止出现坑洼。
梅特卡夫以身作则，极力倡导这些设计变更。他从小失明，曾挑战一位上校与他赛跑去伦敦。由于路况崎岖，梅特卡夫步行前往城市的速度比这位军官乘坐马车还要快。
3. 压实的碎石和沥青
19世纪苏格兰工程师约翰·麦克亚当（John McAdam）对英国最好的道路仍然崎岖不平感到沮丧，他采取了一种新方法：他用粉碎成微小角状的岩石取代了松散的圆石，然后将它们铺在路上，再用滚筒压实。这些“麦克亚当路”更耐用，更能抵抗风雨——对马车轮也更友好——但它们仍然相当松散。
因此，在1870年代，美国工程师开始为沥青混合物申请专利，这些混合物被称为“粘合剂”，它们将油性物质与碎石或沙子结合起来，以获得更光滑的路面。自那时以来，道路或公路的基本横截面变化不大：建筑师挖沟，铺设一层压实的土壤，铺一层碎石，然后铺上6英寸厚的光滑沥青或混凝土。重型道路，如州际公路，有时在基础层还会增加一层岩石。
4. 更多的沥青
20世纪初，美国开始铺设我们所熟悉的道路，用坚固的混凝土取代土路。但长途路线——例如1923年连接纽约和旧金山的林肯公路——有时也只不过是乡村里挖出的泥泞沟渠。1919年，德怀特·D·艾森豪威尔（Dwight D. Eisenhower）中校在乘坐林肯公路的陆军车队时，产生了一个想法：如果这个，但更好，而且无处不在呢？当他成为总统时，艾森豪威尔策划了州际公路系统，其超过45,000英里的铺装路面花了三十年才铺设完成。
现在：在我们车轮下
1. 坚实的基础
种族隔离时期的南非受到制裁，并被许多其他国家经济孤立，这使得购买足够铺设公路的沥青成本高得令人望而却步。因此，该国的工程师们想出了一个非传统的解决方案，它不仅更便宜，而且与传统方法一样有效。南非的设计师没有铺设薄碎石基层并涂抹半英尺厚的沥青，而是依靠一层约一英尺厚的石层（掺入水泥）作为道路基础，然后在上面铺设2英寸厚的沥青条。种族隔离于20世纪90年代结束后，贸易开放了，但没有人急于重新铺设该地区：这些独特的公路被证明与其他国家的公路一样坚固和有弹性。这种巧妙而有效的解决方案引起了世界各地交通官员的浓厚兴趣。
2. 低摩擦沥青
一条真正设计精良的道路不仅要能承受雨水、阳光和轮胎的磨损，还要使车辆在上面行驶更轻松、更清洁。在丹麦，政府研究人员将测试超过30英里的高速公路，这些公路采用了环保沥青，可最大限度地减少与轮胎的摩擦。为了降低所谓的“滚动阻力”，设计者在沥青的表层嵌入了异常小的石子——有时比四分之一英寸还小——这使得路面更加光滑。汽车可以滑行更长时间，因此驾驶员需要更少地踩油门来保持稳定速度。踩踏板的次数减少=燃料消耗减少，这有助于减少排放。丹麦在这些道路上每投资一百万美元，驾驶员就可以在燃油成本上节省约4000万美元。
3. 石灰石基层
德国全面的、以无限速高速公路闻名的公路网是世界上最好的之一。它们的秘密武器：钱。该国超过8000英里的高速公路每年耗费联邦政府近一百万美元的维护费用。正如他们所说：它花费金钱是因为它节省金钱，而德国的道路建设预算意味着更好的材料，从长远来看会带来更少的问题。
这些高速公路不仅比美国平均水平厚一倍，而且其沟渠是用坚固的石灰石建造的，而不是像土壤或沙子这样的普通材料。（政府计划在一些路段在第二次世界大战期间用作机场跑道，因此有些路段实际上非常厚实，足以承受飞机的起降力。）每条高速公路还铺设了高质量的混凝土。
由于其韧性，这些道路比美国铺装路面更安全、更安静、对汽车更友好，平均使用寿命长20年。尽管德国的面积不如美国大，但其高速公路网络却非常密集——如果将所有德国高速公路首尾相连，它们的总长度将足以绕地球三分之一。
4. 冰/盐路
特别寒冷或干燥的地区可以拥有由非常规材料制成的林荫大道。在智利等干旱国家，政府有时会跳过沥青，在道路上铺设一种叫做菱镁矿的含盐化合物，这种化合物天然存在于阿塔卡马沙漠中。它不会像沙土路那样产生扬尘，稀少的降雨有助于这种可溶性物质保持在原地。在更寒冷的北方地区，冰冻的河流在1月到4月之间成为连接偏远城镇的道路。但随着气温的升高，它们每年都在变暖。
5. 新兴的沥青替代品
橡胶
减少使用沥青的一种最简单的方法是研磨被填埋的轮胎和其他弹性材料，并将它们混合到沥青中。橡胶沥青公路的寿命是传统公路的两倍，噪音也可能减少50%。此外，由于橡胶不像硬沥青那样容易开裂，它可以在极端高温下膨胀和收缩。加利福尼亚、西班牙和德国都在使用橡胶沥青道路，日本目前其国家道路约有五分之一采用了这种弹性的材料。
塑料
2015年，印度政府规定城市必须用融化的塑料垃圾来填补坑洼。这一技术启发了苏格兰工程师托比·麦卡特尼（Toby McCartney）创立了MacRebur有限公司，这是一家旨在利用堵塞我们垃圾填埋场的材料来建造道路的公司。通过将数千个汽水瓶磨成颗粒，并将结果与标准沥青混合，麦卡特尼将铺装材料的常规成本降低了多达25%，同时减少了浪费。
食物残渣
一些研究人员正在研究比石油更受欢迎的替代品。烹饪废物，如大豆、食用油，甚至用过的咖啡渣，都可以提高沥青的粘合能力；这些材料的有机特性使其能够以与沥青相同的方式氧化。这种做法也应该减少新建筑的整体碳足迹。但不要指望很快就能在出口匝道闻到咖啡味：食用剩余物可能只能取代全方位服务道路所需的少量粘性沥青。
6. 碎石回来了
随着美国各地的小城镇面临严重的预算短缺，一些城镇发现自己没有足够的资金进行道路维修。在美国至少有27个州，地方政府转向了一种简陋的解决方案。他们没有重新铺设损坏的道路，而是将它们“去铺”（unpave），剥离所有沥青，留下大片松散的石块。
尽管鹅卵石路面会产生令人窒息的灰尘，而且在雨天容易变得有些混乱，但对于交通量不大的路段来说，它们效果很好。虽然你担心尖锐的小石头会磨损你的轮胎是正确的，但一些专家认为，破裂的沥青路面上的超大坑洼对驾驶员来说可能比普通碎石更危险。任何出现的粗糙区域都更容易、更便宜地修复：你只需要再找些石头填补坑洞。
未来：前方的道路
1. 自我修复
温度和湿度的变化意味着裂缝总是会形成，而我们直到裂缝非常危险时才知道它们在哪里。但如果高速公路能够自我修复呢？科学家们正在实验各种裂缝修复路面。在荷兰，代尔夫特理工大学的研究员埃里克·斯兰根（Erik Schlangen）在一个沥青路段中加入了钢丝绒纤维网，将路面变成一个巨大的导体。当裂缝开始形成时，政府会用一辆卡车上装载的巨大磁铁经过，这会使金属收缩，从而封闭裂缝。
荷兰已经在十多条道路上使用了斯兰根的导线，但更激进的解决方案也在酝酿之中。中国天津工业大学的苏俊峰（Su Jun-Feng）曾与斯兰根合作，在中国天津的一些街道上测试了分散含有膨胀性化学聚合物“再生剂”的小胶囊。每当裂缝开始形成时，胶囊就会膨胀以填补裂缝。这种修补工作可以阻止道路的损坏，并使老化的路面不那么易碎——这意味着它以后不太可能再次开裂。
2. 防气候变化的人造材料
全球变暖造成的极端高温是对美国各地驾驶员最大的威胁之一。高温会导致沥青更快地开裂，这意味着在炎热地区，路面会比政府修复的速度更快地损坏。尽管美国西南部将面临最炎热的日子，但中西部地区的道路也可能遭受损失——它们根本没有考虑到承受高温。
一些城市，如洛杉矶，已经开始用浅色涂抹沥青，以减少阳光吸收。但防止未来的裂缝可能需要新的材料。
随着巨型风暴和海平面上升引发越来越大、越来越频繁的洪水，从佐治亚州到柬埔寨沿海地区的传统排水系统不堪重负。迈阿密是世界上最容易受到海平面上升影响的城市之一，已经开始采取预防措施，例如将道路抬高，并建造了数十个防洪泵站。但像伯利兹这样的低洼国家可能不得不翻新大部分现有基础设施。英国初创公司Topmix正在试验透水路面，它们可以吸收数千加仑的雨水；它们的混合物省略了通常的细碎石层，允许水分穿过渗透到下面的泥土中。
3. 亲机器人设计
虽然早期模型仍然可能有点容易发生碰撞，但自动驾驶汽车即将到来。它们最终将促使我们改变街道。例如，一旦不再需要容纳不稳的人类驾驶员，车道就会变得更窄。道路也必须变得“智能”，通过嵌入式传感器而非更传统的视觉提示来传达指令。无线电发射器可以接替交通信号灯来管理通行权，卫星信号可以标记绕行路线，而无需设置标志。工程师们还必须找到新的方法来管理高速公路上的施工区域——汽车摄像头很难区分锥形筒、手势信号和路障等不同信息的优先级。一些初创公司，例如加州大学伯克利分校的Hyperlane，已经提出了创新的高速公路升级方案，例如仅限自动驾驶的车道。时间不多了：根据一些估计，机器人出租车和公交车车队可能在未来十年内出现。
4. 太阳能电池板
每年，人类都需要更多的能源：到2050年，全球能源消耗量可能增加约25%，相当于每年近1500亿桶石油。所有这些能源都必须来自某个地方——所以，一些工程师想知道，为什么不从我们的街道获取呢？开放的道路往往会吸收大量的阳光，如果你曾经赤脚走在沥青路上，你肯定知道这一点。那些炙热的光线可以为你的洗碗机供电。2017年，中国推出了一条长一英里的“太阳能公路”，这是一系列安装在厚达足以承受车辆重量的塑料状聚合物下面的面板。阵列产生的能量可以输送给上方的路灯或附近的房屋。爱达荷州的初创公司Solar Roadways也测试了类似的技术，但这两种原型都面临严重的财务障碍：一平方米的成本是相同面积普通沥青的90多倍。
