1天前 康奈尔大学最新成果，海底3D打印机器人研究

出品：机器人新材料

2026年1月，Cornell University对外披露了一项仍处于进行中的研究：在水下直接3D打印混凝土结构。这项工作由美国国防体系提出明确需求、并在真实工程约束下推进的技术探索，潜在应用指向海底基础设施施工与修复。

Ryan Young/Cornell University

Part.01

从 DARPA 需求出发

这项研究的起点，源自2024年秋季Defense Advanced Research Projects Agency（DARPA）发布的一则征集令。DARPA提出的目标非常具体：在数米深的水下环境中 ，利用3D打印方式原位沉积混凝土，并且在一年左右的极端时间约束内完成技术验证。混凝土材料还需主要由海床沉积物构成，仅允许少量水泥参与，以降低海上运输与环境扰动成本。在持续水流、零可见度、高颗粒扰动、材料受限的条件下，能否获得具备结构性能的成型体。项目负责人、康奈尔大学土木与环境工程系助理教授Sriramya Nair此前已带领团队使用重达约6,000磅的工业机器人开展大尺度混凝土3D打印研究，这为他们快速切入水下场景提供了工程基础。

Part.02

水下打印的核心难点：不是成型，而是“不被冲散”

在陆地环境中，3D打印混凝土的关键在于可泵送性、层间粘结与早期强度。而在水下，这些问题被进一步放大。最直接的挑战是washout（冲刷失效）。在水中沉积时，如果水泥颗粒尚未形成有效胶结，就会被水流带走，导致材料强度急剧下降。工程上常用的解决方式是加入抗冲刷外加剂，但这会显著提高体系黏度，进而破坏泵送与挤出过程。Nair团队面对的是一个典型的工程多变量问题：材料要足够黏稠以抵抗水流，又必须保持可挤出性；成型后要迅速稳定形状，同时还要与前一层形成可靠粘结。为此，团队在实验室中进行了持续数月的水下打印测试，在大型水槽中反复观察沉积层的几何稳定性、界面状态与力学表现。相关调整并非通过单一参数完成，而是材料配方、挤出速率与打印的协同。

Part.03

更激进的一步：直接“用海底沉积物打印”

DARPA额外提出的约束，使项目从“水下打印”进一步演变为资源利用问题。团队需要尽可能提高混凝土中海床沉积物的比例，仅保留少量水泥作为胶结相。这在当前工程实践中几乎没有先例——海底沉积物粒径细、成分复杂，既影响流变行为，也影响最终强度。2025年9月，康奈尔团队向到访的DARPA官员演示了接近目标比例的打印结果。首次证明：海底沉积物并非只能被视为施工障碍，而是可以成为结构材料的一部分。

Part.04

看不见，如何控制？传感与机器人系统成为关键

在真实海洋环境中， 传感与控制问题决定了“能不能用” 。水下施工无法依赖潜水员进行实时检查，而沉积物扰动往往会导致近乎零能见度。在这种条件下，打印质量、层高偏差、材料偏移都必须通过传感系统而非视觉判断。为此，团队中的机器人与机电方向研究人员，设计了一套可与工业机械臂集成的多传感控制模块，用于在高浑浊环境下跟踪打印过程，并实时调整打印路径。这套系统的目标，是让水下打印逐步从“远程操控”走向 半自主甚至更高程度的自动化。

Part.05

施工方式的转向

按照DARPA的计划，多支团队将在2026年3月进行最终阶段演示，在水下直接打印拱形结构。这项研究面向更广泛的海底基础设施场景：跨洋通信电缆防护、港口结构修复、海上能源设施基础，甚至未来的深海长期驻留设施。在机器人与材料深度耦合的趋势下，水下3D打印并非遥远的想象。