杰弗里·蒙特斯（Jeffrey Montes）站在高处，站在一个泥土地面的竞技场中央的梯子上，眯着眼睛看着一个看起来像是世界上最大的花瓶的开口。他的卡其布裤子和黑色T恤在他使用红色泥浆建造火星上未来房屋的三分之一比例模型时，仍然保持着令人惊讶的整洁。当你把肮脏的工作外包给机器人时，干净就不是问题了。
蒙特斯和他在建筑公司AI SpaceFactory的同事们在一个靠近皮奥里亚、伊利诺伊州的巨大展览厅里，向NASA展示宇航员如何利用3D打印和火星材料在红色星球上建造房屋。在花了将近30个小时观看他们定制的打印机喷出一种名为“Marsha”（火星栖息地）的巧克力色住所后，他们距离NASA宣布3D打印栖息地挑战赛结束还有几分钟时间。该公司获得50万美元奖金的唯一竞争对手，宾夕法尼亚州立大学的一个团队，在几分钟前完成了他们的灰色混凝土双层圆顶。
想到火星上的住房，你可能会想到那样的形状。但蒙特斯，一位花了17个月设计Marsha（火星栖息地）和打印设备的设计师，认为它看起来更像一个罐子。或者一个骨灰盒。或者一个蛋。他说：“它甚至有一种雌雄同体的特质，从外面看有点像男性生殖器，而里面则是……”他停顿了一下。“ whatever the opposite of phallic is.”（女性生殖器。）在里面，蒙特斯设想了几层楼，供红色星球的居民居住、工作和娱乐，还有一个天窗，让他们可以在那里仰望星空，或沐浴在透过稀薄火星大气层折射的阳光下。但这需要在15英尺高的结构顶部固定那个圆形窗户，而结构仍然是柔软的。混合物会很快凝固，但不够快，无法满足NASA迫在眉睫的截止日期。随着打印喷嘴越爬越高，Marsha的上层会稍微向下塌陷。
机器人提前三分钟完成，然后小心地将聚碳酸酯天窗推到位。在最后几秒钟，当几十个人——包括NASA的摄影团队——在观看时，蒙特斯下达了释放的命令。所有人都屏住了呼吸，希望Marsha不会塌陷。
定居火星的人们在一定程度上将不得不就地取材。 在最近的距离，我们的邻近行星离我们3500万英里。利用现有技术，将物资运送到那里每磅的成本约为5000美元，并且至少需要六个月。如果可能的话，最好是利用新家园的自然资源，这种方法被称为就地资源利用。“这完全改变了任务的后勤，”欧洲航天局（European Space Agency）材料工程师Advenit Makaya表示，他开发了3D打印等工艺。“你不必把所有东西都带过去。”
火星上的人类可能会从太阳获取能源，从埋藏的冰中开采水，并从大气中提取氧气。在NASA的鼓励下，建筑师、工程师和科学家们正在探索早期居民如何利用回收的废物和行星上的松散岩石和尘埃（称为风化层）来制造工具、建造房屋、铺设发射台和道路等等。
火星探测器和探测器已经揭示了足够的火星地质信息，让我们开始研究这可能如何实现。地表含有丰富的铁、镁、铝和其他我们在地球上发现的有用的金属。科学家们还相信，地壳主要由火山玄武岩组成，这与夏威夷的干涸熔岩地貌非常相似。
在地球上，研究人员经常使用粉碎的玄武岩作为火星风化层的模拟物。他们可以加热并压缩沙质材料，这个过程称为烧结，以制造铺路砖。NASA和太平洋国际太空探索系统中心（Pacific International Space Center for Exploration Systems）在2015年就做了这件事，然后让一个名为Helelani的机器人漫游车使用这些铺路砖建造了一个直径66英尺的发射台。根据加州大学圣迭戈分校Yu Qiao领导的一个团队的研究，压实的风化层甚至可能在没有加热的情况下也能保持在一起。他们2017年的研究认为，氧化铁——它赋予火星锈红色的色调——可以作为粘合剂。
然而，如果你要制造比砖块更复杂的东西，风化层会很麻烦。它缺乏使粘土易于加工的塑性。Makaya在欧洲航天局的团队和西北大学的研究人员独立工作，打印了工具和小物品，包括齿轮和砖块。但他们的方法需要将风化层与溶剂和粘稠的粘合剂混合——所有这些都必须从地球运来或在火星上制造。
David Karl，一位柏林工业大学的材料科学家和博士生，认为有更简单的方法。他在一个研究实验室工作，该实验室为电子产品、生物医学植入物和其他应用制造先进陶瓷。他在艺术方面的背景让他倾向于说出“水泥在显微镜下看起来非常非常棒”这样的话。几年前，他和他的学术导师Aleksander Gurlo（他也是实验室的负责人）思考宇航员如何在不添加任何从太空运来的东西的情况下使用风化层。他们意识到，所有试图解决这个难题的人都忽略了一个古老的解决方案：将材料与水混合，而世界各地的人们在至少30000年的时间里一直用这种方法制作陶土陶瓷。
他们采用了一种相对简单的陶器制作方法，称为注浆成型。这种方法是将粘土和水制成的汤状混合物（称为泥浆）倒入石膏模具中，然后让其凝固。然后倒出多余的材料，将物品取出在窑中烧制。Karl和Gurlo没有使用粘土，而是用NASA在1998年开发的一种名为JSC-Mars-1A的模拟风化层，以及一个来自柏林皇家瓷器工厂的圆胖模具进行了尝试。“你们绝对无法想象说服我这里的工程师们进行一些愚蠢的花瓶项目有多难，”Karl说道。
他们制作的光滑、矮胖的花瓶看起来像陶土，装上鲜花也不会显得突兀。Karl设想在另一个世界的“水培温室”里，从这样的容器中长出绿色的植物。他还认为，改进这种工艺可以使宇航员在3D打印机的帮助下，将红色星球的泥浆注浆成更复杂的形状。
Karl的花瓶让我们得以一窥火星居民可能如何制作日常用品，但NASA希望建筑师和工程师考虑那些先驱者可能居住在哪里。四年前，该机构邀请他们参加3D打印栖息地挑战赛。
参赛者经历了三个不断升级的比赛阶段。第一个阶段于2015年完成，要求团队创建其栖息地的建筑效果图。两年后，参赛者必须开发3D打印住宅所需的工具，并创建建造它们所需的梁、圆顶和其他结构元素。随着比赛的进行，团队来来往往，直到今年只有两个团队进入了最后、也是最艰难的比赛。
规则书长达76页，要求每个团队在30小时内打印一个四人栖息地的三分之一比例模型，并至少留有三个开口。评委根据使用模拟风化层等材料的情况评分，并因为比赛强调自动化建造，扣除干预打印过程（例如，调整打印机软件或清除堵塞的喷嘴）的分数。
NASA喜欢机器人建造队伍的想法，因为栖息地可以在人类到达之前就准备好。建筑师Shadi Nazarian通过研究3D打印机如何建造更具弹性的房屋来到火星家居设计领域。她在宾夕法尼亚州立大学领导一个实验室，该实验室研究如何在玻璃和混凝土等不同材料之间实现无缝过渡，这项技术可以消除需要填缝或环氧树脂的接缝。这种技巧在红色星球上会很有用，那里的结构必须足够坚固，能够承受巨大的压力，并保护居民免受严寒和太阳辐射。因此，她和她的同事——建筑师José Duarte和电气工程师Sven Bilén——在两年前参加了NASA的比赛。他们坚固的圆锥形栖息地看起来像塔图因的房屋，或者像意大利乡村古老的石制特鲁洛小屋。
蒙特斯是宾夕法尼亚州立大学的竞争对手AI SpaceFactory的首席太空建筑师，他在2017年加入该公司后鼓励公司参赛。David Malott的简历包括世界上三座最高的建筑，他创立这家纽约公司部分是为了回应他认为建筑行业存在的浪费。太空设计强调当地材料和可持续性，并需要预见宇航员的心理需求。Malott希望展示这些原则如何在地球上发挥作用。
你在Marsha中看到了这些顾虑。蒙特斯偏爱塔楼，因为它最大限度地利用了可用空间。这种形状也很容易分隔成楼层，而且向上建造而不是向外扩展更适合3D打印。他认为天窗、弧形墙壁和类似瑞士奶酪的内部结构将为遥远世界的日常生活增添多样性和独特性。
建造Marsha外壳的模型，首先需要花费数月时间开发3D打印机及其喷出的“胶”。蒙特斯团队建造了一个巨大的机器，上面有一个现成的喷嘴——称为挤出机——并安装了夹具和各种传感器。他们将所有这些硬件安装在一个类似汽车装配线上焊接车身或喷漆的机器人手臂上。这个装置按照计算机指令逐层铺设的“墨水”是一种由细菌生长的可回收塑料与细小的玄武岩纤维混合而成的混合物，理论上这些玄武岩纤维可以从火星岩石中提取。“光是让材料渗出来就是个好日子，”Malott说。
2019年5月的比赛第一天，栖息地建造遇到了一个艰难的开端。 团队在一个由重型设备制造商卡特彼勒（Caterpillar）拥有的巨大展览厅里工作，该公司通常利用这个空间展示其推土机和其他大型机器。展厅一度断电，导致团队的打印机程序出现故障，而奇怪的挤出则需要偶尔进行故障排除。评委们谨慎地警告NASA的Monsi Roman——她负责监督前几个阶段——做好失望的准备。但仅一天之内，两个团队就找到了他们的节奏，而迷人的打印机嗡嗡声吸引了公司员工和前来参观的学生们观看结构的起伏。
宾夕法尼亚州立大学团队使用了一个配备挤出机的工业机器人手臂，但放弃了用他们称为MarsCrete的材料建造的计划，因为这种为火星寒冷环境设计的材料在室温下凝固得太快。该团队改用了由常规水泥制成的混凝土，但如果机器停止或暂停时间过长，混合物就会卡住。“用混凝土打印非常非常困难，”评委之一、行星地质学家Jennifer Edmunson说道。尽管如此，该团队还是提前11分钟完成了他们最高的结构。当机器封住了 crowd 中一些人称之为“Dairy Queen”（ Dairy Queen）的栖息地时，欢呼声爆发了，因为其两个13英尺高的尖峰像巨大的软冰淇淋旋涡。
Marsha的质地看起来像一件旧毛衣，每一个凸起、接缝和松散的纤维都表明了分层过程中的停顿或偏差。蒙特斯尽力通过让机器人运行得更慢来尽量减少变形，但随着时间的推移，他失去了这种奢侈。在最后几秒钟，最上面的部分开始下垂，蒙特斯下达了释放天窗的命令。墙壁支撑了一会儿，然后边缘向内塌陷，窗户砰地一声掉到地上。蒙特斯走下梯子，伴随着犹豫的掌声。“如果你想要戏剧性，那就有戏剧性，”他对NASA摄影团队说道。
有人怀疑Marsha的坠落是否会断送AI SpaceFactory获胜的机会，尽管该团队在几个类别中都获得了高分，并且比宾夕法尼亚州立大学团队更少地干预其自动化打印。在让栖息地固化一晚后，评委们花了几个小时无情地敲打它们，以确保它们气密，检查它们的抗冲击性，并评估它们的强度。“Dairy Queen”在模拟的陨石撞击中表现得异常坚固，经受住了越来越重的球的袭击，直到最后一个26磅重的球移走了一小块屋顶。更令人印象深刻的是，该结构承受了一个96吨挖掘机的垂直挤压——至少坚持了几分钟，然后在一声类似保龄球投出三连击的脆响声中坍塌了。
严格来说，Marsha是不完整的，因为它缺少屋顶。它显然不气密：当一名赛事官员向栖息地投掷测试火炬时，栖息地冒出了巨大的彩色烟雾。评委们也认为没有必要往上面扔假陨石。然而，该模型只向挖掘机投掷了几小块碎片，挖掘机将斗放在Marsha的边缘，并施加了足够大的力量，使履带的前部离开地面。
在花了几个小时审阅笔记和计算分数后，评委们宣布AI SpaceFactory获胜。蒙特斯和他的队友们 grin着举起一张50万美元的巨额支票，看起来几乎和NASA的Roman一样高兴，Roman认为这次建造非常成功。尽管有瑕疵，但这些栖息地提供了迄今为止最切实的证据，说明了在另一个世界上的房屋可能是什么样子。“它们并不完美，”她说，“但它们很漂亮。”
这个故事最初发表在《流行科学》的“在外面”一期中。
