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在研究建筑問題時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)所有的「新」想法早就被嘗試過不止一次了，甚至可以追溯到幾十年前。讓機(jī)器幫忙砌墻就是其中之一。

毋庸置疑，這個(gè)想法非常具有吸引力，因?yàn)榇u石結(jié)構(gòu)真的太適合機(jī)械化了。它是一項(xiàng)重復(fù)性勞動(dòng)，建造一棟磚石建筑需要砌成千上萬塊磚，每塊磚幾乎都是一樣的，砌在一起的方式也一樣。這一過程似乎不需要多么復(fù)雜的身體動(dòng)作：每塊磚都涂上一層灰漿，然后放在另一塊磚的旁邊。由于每一塊磚和灰漿的接縫都是相同的尺寸，磚塊的放置也幾乎是確定的。

最重要的是，砌墻是最繁重的建筑勞動(dòng)之一，需要工人連續(xù)工作數(shù)個(gè)小時(shí)，不停地移動(dòng)重物。

從這些角度來看，這個(gè)任務(wù)似乎天生就應(yīng)該用機(jī)器來完成。而人們也已經(jīng)為此努力了 100 多年。

早期嘗試

用機(jī)器砌墻的首次嘗試可以追溯到 19 世紀(jì)末、20 世紀(jì)初，1899、1904、1924 年都有相關(guān)專利可以查到，而且申請(qǐng)人都不是同一個(gè)人。這些機(jī)器理論上應(yīng)該沿著墻移動(dòng)，然后一邊抹灰漿一邊往上放磚塊。但是，它們無法感知周圍的環(huán)境，也無法測(cè)量放磚的位置，而是機(jī)械地?cái)D出一層灰漿，并機(jī)械地按照一定距離放好磚。

John Thompson 1904 年的砌磚機(jī)。

很難查清楚這些發(fā)明有多少真的造了出來，但一位叫 John Knight 的發(fā)明家不僅將機(jī)器造了出來，還砌了堵墻并屹立至今。

在接下來的幾十年里，同樣的概念出現(xiàn)了好多次。其中，六七十年代那些發(fā)明還可以查到專利，下面兩張圖展示了 20 世紀(jì) 60 年代的砌墻機(jī) Motor Mason，看起來和 20 世紀(jì)初的沒多大區(qū)別。這些機(jī)器基本也只停留在 demo 階段，沒有走向商用。

20 世紀(jì) 80、90 年代

20 世紀(jì) 80 年代末到 90 年代初，人們對(duì)砌墻機(jī)械化的嘗試轉(zhuǎn)向了機(jī)械臂。與之前純機(jī)械的砌墻機(jī)器不同，這些機(jī)械臂擁有一個(gè)信息處理組件。因此，它們并不是一直重復(fù)一個(gè)動(dòng)作，而是將具有高自由度的機(jī)械臂與傳感器和控制系統(tǒng)結(jié)合到一起，以「看到」磚塊并確定放置位置，然后把磚抓起來放上去。

有段時(shí)間，這一方向成為了學(xué)術(shù)圈一個(gè)完整的子領(lǐng)域，可以查到的成果包括 1988 年的 Slocum、1989 年的 Lehiten、1996 年的 Rihani、1993 年的 Altobelli、1996 年的 Pritschow、以及 SMAS、ROCCO 等系統(tǒng)。

ROCCO 系統(tǒng)示意圖。

但即使投入了這么多力量，得到的結(jié)果也沒有多成功。多數(shù)機(jī)器都沒有達(dá)到紙面上所描述的水平，只有少數(shù)幾個(gè)達(dá)到了原型機(jī)水平。有位研究者甚至宣稱，在可預(yù)見的未來，通用建筑機(jī)器人是不可能實(shí)現(xiàn)的。不過，可用于生產(chǎn)的例子倒也不是沒有，一個(gè)名為 Multistone 8000 的系統(tǒng)就可以在類似工廠的環(huán)境中砌墻，但也需要人類幫助。

當(dāng)前的嘗試

近些年來，砌墻作為一種建筑技術(shù)在發(fā)達(dá)國家的重要性已經(jīng)下降，人們的興趣已經(jīng)轉(zhuǎn)向自動(dòng)化。這里說的并不是 3D 打印，而是其他幾十種技術(shù)探索。

其中最先進(jìn)的是 Fastbrick Robotics 公司建造的 Hadrian 系統(tǒng)。Hadrian 通過一個(gè)安裝在卡車上的空心吊桿來運(yùn)輸砌塊（有點(diǎn)像混凝土泵車）。當(dāng)磚塊接觸到吊桿末端時(shí)，它會(huì)被噴上工業(yè)粘合劑（而不是傳統(tǒng)的砂漿）。然后機(jī)械臂抓住它，把它放到正確的位置。

這個(gè)吊桿覆蓋的范圍是如此之廣，而且底座還有一輛車可以控制移動(dòng)。如此一來，Hadrian 所受的限制比它的前輩們都要少。它可以在狹窄的走廊或復(fù)雜的角落放置磚塊，只需要移動(dòng)幾次就可以建成一個(gè)小建筑的所有墻壁。Hadrian 目前每小時(shí)可以砌 200 塊磚，但 FBR 的目標(biāo)是 1000 塊以上。

Hadrian 的開發(fā)工作 2006 年就開始了，但直到最近才開始在商業(yè)工地上使用。截至目前，他們已經(jīng)在澳大利亞建造了 3 到 4 棟建筑。

但這家公司似乎遇到了一些困難（對(duì)于一個(gè)已經(jīng)開發(fā)了超過 15 年的硬件系統(tǒng)來說，這并不奇怪），2020 年進(jìn)行了一次大規(guī)模裁員，最近幾個(gè)月使用該系統(tǒng)建造的建筑也開始減少。

相比之下，Construction Robotics 開發(fā)的 SAM 半自動(dòng)砌磚機(jī)在商業(yè)化上要更成功一些，自 2015 年以來一直在商業(yè)項(xiàng)目中使用。SAM 由機(jī)械臂、砂漿分配器和傳送帶組成，還有一個(gè)輪式底盤。

SAM 工作時(shí)，機(jī)械臂抓起一塊磚，在上面涂上一層灰漿，然后根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)置的圖紙將其放置在墻上的某個(gè)位置。一旦磚塊就位，它就會(huì)重復(fù)這個(gè)過程，在砌墻的過程中來回移動(dòng)（墻兩端的工作需要泥瓦匠來完成）。SAM 有一系列的傳感器來適應(yīng)平臺(tái)的移動(dòng)，并確保它放置磚塊的水平。此外，它還能適應(yīng)各種大小的磚塊。它被安裝在一個(gè)可移動(dòng)腳手架上，腳手架隨著墻不斷升高。

除了 SAM 和 Hadrian，還有其他一些「機(jī)器泥瓦匠」正處在不同的開發(fā)階段。不過，與這些專注于砌墻的機(jī)器相比，鋪路機(jī)器似乎更容易成功，很多公司都已經(jīng)開始提供這種「打印」磚路的服務(wù)。

泥瓦匠助手

除了上面提到的各種砌磚機(jī)器，其實(shí)還有一類機(jī)器是專門用來減輕泥瓦匠壓力的，可以被稱為泥瓦匠助手。它們的作用通常是幫人拿起磚塊，至于放哪兒、怎么放就交給人類泥瓦匠來決定。

這種泥瓦匠助手至少可以追溯到 1994 年美國軍方用來做試驗(yàn)的 MAMA（Mechatronically Assisted Mason’s Aid）系統(tǒng)。它由一個(gè)附在軌道上的吊桿臂上的夾持器組成。泥瓦匠可以利用夾持器將磚塊移到合適的位置，而不用自己親自拿。

從那時(shí)起，其他公司也開始陸續(xù)開發(fā)類似的裝置，比如 Layher Balance、Rimatem、Assistance System Steinherr 等。上面提到的 MULE 也是其中之一。

Layher Balancer。

Construction Robotics 開發(fā)的 MULE 在解放人力方面的效果。

這些砌墻輔助系統(tǒng)中最有趣的可能是 FRACO 正在開發(fā)的外骨骼，去年剛剛發(fā)布。它源自為軍隊(duì)開發(fā)的模型，并具有各種被動(dòng)和主動(dòng)提拉機(jī)構(gòu)，旨在減少操作砌磚時(shí)泥瓦匠的肌肉壓力。

FRACO 外骨骼。

當(dāng)然，幫助搬運(yùn)重物的機(jī)器并不完全是革命性的。一位農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力文章的評(píng)論者指出，砌磚生產(chǎn)力最重要的進(jìn)步之一是伸縮式搬運(yùn)機(jī)，它消除了手動(dòng)移動(dòng)磚石托盤的必要性。

為什么「機(jī)器泥瓦匠」還沒大規(guī)模實(shí)現(xiàn)？

砌墻本應(yīng)是機(jī)械化的首選，但百年來有限的成功表明，某些方面還存在一些阻礙。這使它成為了一個(gè)有趣的研究案例，因?yàn)樗兄谌藗內(nèi)?zhǔn)確定義機(jī)械化的困難之處。為什么砌墻和砸釘子如此不同？后者幾乎完全實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，但前者幾乎都是手動(dòng)？

影響因素可能有以下幾個(gè)：一是磚塊并非簡單地放在固體表面，而是放在一層薄薄的砂漿上，砂漿是水、沙子和水泥材料的混合物，非牛頓流體會(huì)具備某種復(fù)雜的物理特性，當(dāng)它移動(dòng)或晃動(dòng)時(shí)，粘度會(huì)增加。這導(dǎo)致很難以純粹機(jī)械化的、確定性的方式去使用它，而且砂漿是一種現(xiàn)用現(xiàn)混合的材料，每一批次之間的性能都會(huì)有所不同。

砌磚機(jī)器一直在與砂漿作斗爭。上世紀(jì) 80 年代末、90 年代初的學(xué)術(shù)研究通常基于干砌墻，這是一種不需要灰漿接縫的墻體，或者基于表現(xiàn)更可預(yù)測(cè)的灰漿替代品。Pritschow 曾在 1996 年的論文中直言：砂漿問題太難解決了。已經(jīng)想出如何用機(jī)器涂抹好砂漿的人仍然不能完全生產(chǎn)出干凈的砂漿接縫，它們只是在那里涂抹，還需要工人跟在后面清理。在某些方面，SAM 的努力與 50 歲的 Motor Mason 沒有什么不同。

砂漿接縫讓設(shè)置磚塊變得更復(fù)雜了，而釘槍可以對(duì)釘子施加力并且每次都獲得相當(dāng)均勻的結(jié)果。即使不均勻也不影響什么，就算釘子略微歪斜，也仍然能起到該起的作用。在一層非牛頓流體上碼一個(gè)磚塊不是那么容易，如果沒有來自環(huán)境中的其他反饋，就很難確定墻體是水平建造的。人類泥瓦匠會(huì)不斷地用繩子或場地水平測(cè)試裝置來確保墻體保持筆直，并根據(jù)需要進(jìn)行微調(diào)。機(jī)械泥瓦匠也需要以某種方式來做同樣的事情，SAM 似乎已經(jīng)基本解決了這個(gè)問題，但仍然時(shí)常需要后面的工人來拍一下。

根據(jù)環(huán)境反饋進(jìn)行調(diào)整的必要，這就是砸釘子與砌磚的不同之處。釘槍、圓鋸和其他電動(dòng)工具在某種意義上更像是砌磚助手，它們?cè)趫?zhí)行一些純粹的體力任務(wù)，同時(shí)將所有信息處理和精確工作交給人類。釘槍不負(fù)責(zé)確定釘子需要去哪里，只是將自身移動(dòng)到位，它只是完成敲釘子的物理任務(wù)。

路由器和銑床的歷史可以提供一個(gè)具有啟發(fā)性的平行關(guān)系。前者是在 19 世紀(jì)末 / 20 世紀(jì)初開發(fā)的，而程序控制能力是在 40 年代末 / 50 年代初開發(fā)的。但直到最近，我們才有能力整合實(shí)時(shí)反饋，從而支持 Shaper Origin（一種自動(dòng)糾正人體動(dòng)作的手持路由器）等產(chǎn)品。讓機(jī)器根據(jù)周圍環(huán)境做出強(qiáng)有力的反應(yīng)仍然是一個(gè)復(fù)雜的問題，即使機(jī)器在物理上有能力做到這一點(diǎn)，也依然如此。

Shaper Origin, 世界上第一臺(tái)手持式 CNC 設(shè)備。

還有一些其他問題，也讓砌磚機(jī)器變得棘手：

• 磚塊又大又重，這意味著需要更大、更昂貴的機(jī)械來操縱它們（特別是如果想快速地操縱它們，因?yàn)榱?huì)隨著加速度成比例）；
• 在美國，磚石墻是用大量鋼筋建造的，這對(duì)于簡單的基于磚塊的機(jī)器來說很難處理（在 Hadrian 的項(xiàng)目中，鋼筋是手動(dòng)安裝的）；
• 出于規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的原因，很難讓承包商接受相關(guān)技術(shù)。

「機(jī)器泥瓦匠」值得期待嗎？

這是一個(gè)很難回答的問題。從根本上說，這似乎取決于機(jī)器人、軟件、計(jì)算機(jī)視覺和其他技術(shù)（統(tǒng)稱為「自動(dòng)化」）的進(jìn)展情況。

盡管困難重重，但砌磚還是比其他建筑系統(tǒng)更成功地實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，也是為數(shù)不多的商用機(jī)器人在市場中能廣泛使用的系統(tǒng)之一。因此，自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步可能最適用于磚石建筑。如果自動(dòng)化砌筑系統(tǒng)變得更小、更快，可以更輕松地處理角落和完成接縫，它可能會(huì)開始變成一個(gè)非常有吸引力的系統(tǒng)。

這也很容易一石激起千層浪。先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)也可以很容易地應(yīng)用于其他建筑系統(tǒng)（木材、鋼鐵等。)

磚塊非常重，這意味著操縱它們的機(jī)器總是比操縱更輕的建筑系統(tǒng)的機(jī)器更昂貴。甚至大型街區(qū)也只占整個(gè)建筑的一小部分。因此，與其他建筑類型相比，自動(dòng)化砌磚系統(tǒng)最終可能會(huì)更昂貴且生產(chǎn)率更低。我們可以看到這樣一種情況，即自動(dòng)化砌磚在很短的時(shí)間內(nèi)變得具有競爭力，但隨著該技術(shù)適用于其他建筑系統(tǒng)，很快就會(huì)黯然失色。