火星上建造房屋，德克萨斯农工大学3D打印合成地衣系统实现栖息地自主建造

导读：长久以来，在火星上定居一直是科幻小说中描绘的未来幻想。然而，过去半个世纪以来，人类在火星上的成功登陆，让这个看似遥不可及的想法变得越来越切实可行。

2025年6月27日，南极熊获悉，德克萨斯农工大学和内布拉斯加大学林肯分校的研究人员正在开发一种新的地衣自生长技术：可以通过利用火星当地资源和微生物活体3D 打印地衣系统，最终在火星上实现房屋自主建造。项目由金孔睿博士领导，旨在利用这颗红色星球的原生土壤——风化层——来制造建筑材料，无需人工干预。

团队的研究成果以题为“Bio-Manufacturing ofEngineered Living Materials for Martian Construction: Design of the SyntheticCommunity”的论文发表在《制造科学与工程杂志》上。

论文链接：https://doi.org/10.1115/1.4068792

这项研究由美国国家航空航天局（NASA）的创新先进概念项目资助，旨在应对在距离地球数百万英里的地方建造栖息地的挑战，因为在那里运输建筑材料成本高昂，物流也十分困难。金博士强调了这种新方法的意义：“这种自我生长技术在实现长期外星探索和殖民方面具有巨大的潜力。”

金博士是德克萨斯农工大学机械与制造工程技术项目的助理教授。内布拉斯加大学林肯分校的合作者包括理查德·威尔逊博士、尼莎·罗卡亚和艾琳·卡尔。该研究得到了德克萨斯农工大学官方研究机构——工程实验站（TEES）的支持。

△可以借助自主生长技术建造合成栖息地，利用当地资源和微生物在火星上自主形成结构。图片来自德克萨斯农工大学工程学院

空间建设的新方法

研究团队提出了一种由工程生物材料组成的合成栖息地系统，能够在没有外部帮助的情况下将火星风化层（由尘埃、沙子和岩石组成）转化为功能性建筑组件。

金博士说：“我们可以通过模仿天然栖息地来构建一个合成群落。我们已经开发出一种构建合成栖息地的方法，可以制造出将火星风化层颗粒粘合成结构的生物材料。然后，通过3D打印，可以制造各种各样的结构，例如建筑物、房屋和家具。”

△火星。图片来自华盛顿州立大学。

先前方法的局限性和合成社区的创新

早期研究探索了将火星土壤与各种化学粘合剂（例如镁基粘合剂、硫基粘合剂和地质聚合物）粘合在一起。这些方法通常需要人工干预，在火星上的实用性受到限制。其他研究则涉及微生物介导的自生长技术，包括细菌生物矿化和真菌菌丝体作为天然粘合剂。尽管这些方法前景光明，但它们通常依赖于需要持续营养供应的单一微生物物种，这对完全自主运行构成了挑战。

为了克服这些挑战，金教授团队设计了一个完全自主的、由多个物种组成的合成微生物群落。地衣系统通过将异养丝状真菌（能够产生生物矿物质并耐受恶劣环境）与光自养固氮蓝藻（能够固定二氧化碳和氮气以产生营养物质和氧气）配对，消除了对外部营养补充的需求。

在这个共生系统中，蓝藻将大气气体转化为支持真菌生长的有机化合物，而真菌则将金属离子结合到细胞壁上，促进生物矿物的形成。真菌还通过提供水、矿物质和二氧化碳来促进蓝藻的生长。这两种微生物都会分泌生物聚合物，增强火星风化层颗粒之间的粘附力和凝聚力，从而形成一种适用于建筑的固结材料。

项目已进入下一阶段：开发基于风化层的墨水，利用直接墨水书写3D打印技术打印生物结构。这一进展旨在进一步提升未来火星任务及其他地外环境可持续自主建造的可行性。

太空栖息地建设的进展

此前，NASA曾与中佛罗里达大学（UCF）合作，探索在火星上3D打印建筑结构的方法。研究人员认为，可以将火星土壤加工成一个腔室，加热到约3000华氏度（1648摄氏度），以产生氧气和熔融金属。

奥地利应用科学大学旗下的研究公司Fotec也朝着 3D 打印太空结构的方向迈出了一步，他们用含有“火星尘埃”的复合材料3D 打印了一个微型冰屋和墙角。这些物体是欧洲航天局 (ESA) 技术研究计划的一部分。

NASA 建立人类栖息地的努力远不止火星。NASA 与总部位于德克萨斯州的建筑技术公司ICON合作，计划在 2040 年前使用由当地风化层（月球表面的岩屑、矿物碎片和尘埃）制成的混凝土建造月球栖息地。这项名为“奥林匹斯计划”的计划已获得 NASA 的大量资助，包括 2020 年的 3000 万美元和 2022 年的5720 万美元，用于开发能够建造耐用永久月球建筑的 3D 打印系统。

△美国宇航局的“奥林匹斯计划”。图片来自 ICON。