斯图加特大学(UniversityofStuttgart)的研究人员设计了一个机器人，将60公里长的碳纤维和玻璃纤维长丝卷进这个展馆，灵感来自龙虾的外骨骼(电影幻灯片)。

研究室由大学计算设计研究所和建筑结构和结构设计研究所的学者和学生与Tübingen大学的生物学家合作设计。

展馆的结构基于对龙虾外骨骼的复合层和承重效率的研究，龙骨的外骨骼由甲壳素层组成，甲壳素是葡萄糖的衍生物，嵌入在蛋白质基质中。

他们利用他们对外骨骼的了解，设计了一种可以由机器人放置的树脂饱和玻璃和碳纤维制成的结构。

玻璃纤维主要作为层间的模板，而较硬的碳纤维则负责荷载传递和刚度。

机器人将树脂饱和纤维缠绕在转盘上旋转的钢架上.

然后，钢框架被拆开并移除，留下一个像贝壳一样的展馆，宽8米，高3.5米，但只有4毫米厚。

我们已经报道了一些涉及机器人的项目，包括一个用沙子或土壤建造建筑结构的机器人3D打印机，以及一个用回收冰箱打印椅子的机器人--请看所有的机器人。

我们介绍的其他高科技展馆包括伦敦奥林匹克公园的一个展馆，它可以像乐器一样演奏，在纽约还有一个尖顶的结构，旨在消除空气污染--请看所有的展馆。

以下是研究人员提供的更多信息：

ICD/ITKE研究室2012

计算设计研究所(ICD)-Achim Menges教授，建筑结构和结构设计研究所(ITKE)---博士。JanKnippers，斯图加特大学建筑和城市规划学院

2012月份，斯图加特大学计算设计研究所和建筑结构与结构设计研究所完成了一个完全由碳纤维和玻璃纤维复合材料制成的研究亭。这一跨学科项目由两个研究所的建筑和工程研究人员与教员的学生以及Tübingen大学的生物学家合作进行，研究仿生设计策略与机器人生产的新工艺之间可能存在的相互关系。本研究以节肢动物外骨骼的材料和形态原理为基础，探索一种新的建筑学复合构造范式。

该项目的核心是在建筑工业背景下开发一种基于碳纤维和玻璃纤维长丝缠绕的创新机器人制造工艺，以及相关的计算设计工具和模拟方法。该项目的一个关键方面是将生物角色模型的纤维形态转化为纤维增强复合材料，其各向异性从一开始就被集成到基于计算机的设计和模拟过程中，从而为建筑带来了新的构造可能性。将形态生成方法、计算模拟和机器人制造相结合，特别促成了一种高性能结构的发展：展馆只需要4毫米厚的复合层压板，跨越8米。

采用“自下而上”的方法，对节肢动物的物质各向异性和功能形态进行了初步的研究。对观察到的生物原理进行了分析和抽象，以便随后转化为可行的建筑应用设计原则。对美洲龙虾(Homarus Americanus)的外骨骼进行了较为详细的分析，并对其局部物质的分化进行了分析，最终成为该项目的生物学模型。

龙虾的外骨骼(表皮)由一个柔软的部分，内层，和一个相对坚硬的层，外皮。角质层是一种分泌产物，甲壳素纤维被嵌入到蛋白质基质中。纤维的位置和取向以及相关材料特性的具体差别符合当地的具体要求。甲壳素纤维通过形成单个单向层而结合在基体中。在需要无方向载荷转移的区域，这些单独的层被层叠在螺旋(螺旋)排列中。由此产生的各向同性纤维结构允许在各个方向上均匀分布荷载。另一方面，受定向应力分布影响的区域呈现单向层结构，显示了一个各向异性纤维组件，该组件被优化为有向载荷传递。由于这种局部材料的差异，壳创造了一个高度适应和有效的结构。局部适应纤维取向的抽象形态原理为展馆的计算形态生成、材料设计和制造过程奠定了基础。

仿生设计原理的转换

通过与生物学家的合作，对龙虾外骨骼的纤维取向、纤维排列及相关层厚度和刚度梯度进行了细致的研究。由于外骨骼形态、纤维取向和基质的特殊组合，角质层的高效率和功能变异。将这些原理应用于机器人制造的基于纤维复合材料系统的壳体结构中，机器人连续铺设树脂饱和玻璃和碳纤维，形成了具有自定义纤维取向的复合结构。

在现有的纤维放置技术中，例如在航空航天工业或先进的帆生产中，纤维通常被放置在单独制造的正模上。由于建造一个完整的正面模板对建筑业来说是相当不合适的，因此该项目的目的是将正面的形式降到最低。因此，这些纤维被放置在一个临时的轻量级的线性钢框架上，在这个框架中有固定的锚固点，纤维之间被拉紧。

从预应力纤维的直线段，表面出现，形成了典型的双曲形的展馆。这样，由第一组玻璃纤维缠绕而成的双曲抛物面作为后续碳纤维层和玻璃纤维层的整体模型，具有特殊的结构用途和承载性能。

换句话说，展馆本身建立了积极的模板作为机器人制造序列的一部分。此外，在制作过程中，有可能放置纤维，使它们的方向与展馆表面的力流最佳地对齐。该结构还集成了连续监测应力和应变变化的光纤传感器。该项目同时考虑了壳体的几何形状、纤维排列和制造工艺，导致了一种新的形式、材料、结构和性能的综合。

通过这种高度的整合，生物结构的基本特性被转移：

异质性：六种不同的纤维缠绕顺序控制着纤维层数的变化和各层的纤维取向。它们的设计目的是尽量减少材料消耗，同时最大限度地提高结构的刚度，从而产生显著的材料效率和非常轻的结构。

层次结构：玻璃纤维主要用作空间隔断元件，并用作以下各层的模板，而更坚硬的碳纤维主要有助于系统的荷载传递和整体刚度。

功能集成：除了用于负载传递的结构碳纤维和用于空间连接的玻璃纤维外，还可以将照明和结构监测的功能纤维集成到系统中。

计算设计与机器人生产

该项目的设计、开发和实现的先决条件是建立一个封闭的数字信息链，将项目的模型、有限元模拟、材料测试和机器人控制联系起来。造型设计、材料设计和结构设计直接结合在设计过程中，将形态、材料、结构和制造技术的复杂交互作用作为仿生设计方法的一个重要组成部分。

将几何和有限元模拟直接耦合到计算模型中，可以生成并比较分析各种变化。同时，材料测试确定的纤维复合材料的力学性能也包括在成型和材料优化过程中。通过一种基于梯度的方法对纤维和层结构进行优化，可以开发出一种高效率的结构，尽量减少对材料的使用。

该研究馆的机器人制造是在一个专用的、防风雨的制造环境中通过一个与外部第七轴耦合的六轴机器人进行的。放置在一个2m高的基座上并达到一个整体工作跨度和4m的高度，机器人将纤维放置在临时的钢框架上，由机器人控制的转台在圆形运动中驱动。

作为制造过程的一部分，纤维在机器人放置前直接穿过树脂槽时，被树脂所饱和。这种特殊的设置使得通过连续缠绕60公里以上的纤维粗纱，可以实现直径约8.0米，高度3.5米的结构。

在自定义设计和制造集成环境中，可以实现与数字几何模型相关的缠绕运动路径的参数化定义，包括与外轴数学耦合的机器人运动规划，以及机器人控制代码本身的生成。

在完成机械丝缠绕过程和纤维-树脂复合材料的回火后，临时钢框架可以拆卸和拆除。剩下的，极薄的薄壳，只有4mm厚，构成一个自动制作，但局部区分的结构。

在计算设计过程中，龙虾角质层仿生原理与新开发的机器人碳纤维和玻璃纤维缠绕的逻辑相结合，为建筑提供了高水平的结构性能和新的构造机遇。尽管它的尺寸和跨度相当大，但展馆的半透明外壳重量不足320公斤，通过碳纤维和玻璃纤维的空间排列，揭示了该系统的结构逻辑。综合计算和材料设计、数字模拟和机器人制造的新模式，既可以探索建筑可能性的新方案，也可以开发极其轻量级和材料效率极高的结构。

项目数据

地址：Keplerstr。11-17，70174斯图加特完工日期：#date0#11月表面：29平方米建筑体积：78立方米建筑重量：5.6kg/m2材料：由环氧树脂和70%玻璃纤维组成的混合层压板30%碳纤维

项目组：

计算设计研究所(ICD)-Achim Menges教授，建筑结构和结构设计研究所(ITKE)---博士。简·克尼普斯

概念发展：Manuel Schloz、Jakob Weigele系统开发和实现：Sarah Haase、Markus Mittner、Josephine Ross、Manuel Schloz、Jonas Unger、Simone Vielhuber、Franziska Weidemann、Jakob Weigele、Natthida Wiwatwicha；在Michael Preisack和Michael Tondera(建筑学院讲习班)的支持下，科学发展和项目管理：Riccardo La Magna(结构设计)、Steffen Reichert(详细说明)、Tobias Schwinn(机器人制造)、Frédéric Waimer(纤维复合材料技术讲习班)

与：进化和生态学研究所、Tübingen大学进化生物学系-Oliver Betz教授、应用地球科学中心、无脊椎动物-古生物学系、Tübingen大学-James NebelDisease ITV Denkendorf教授-Dr.--合作。马库斯·米尔威奇

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