建立可持续的人类火星驻留能力，受到从地球运输建筑材料的质量、成本和后勤保障的严重制约，使得原位资源利用（In-Situ Resource Utilization, ISRU）成为建造地表基础设施的核心使能策略。在与ISRU兼容的方法中，增材制造（Additive Manufacturing，又称3D打印）因其与机器人部署的兼容性、高效的材料利用率以及在地外条件下的几何灵活性，已成为一种有前景的解决方案。本综述整合了当前关于火星表土（Martian Regolith）作为建筑原料的知识，探讨了其矿物学、化学和物理特性，以及火星极端环境带来的约束，包括低大气压、巨大的昼夜温差、高辐射通量和有限的水资源。本文批判性地回顾了主要的3D打印技术和材料体系在火星栖息地建造中的应用，包括基于挤出工艺的碱激活粘结剂（Alkali-activated Binders）、硫基热塑性混凝土（Sulfur-based Thermoplastic Concretes），以及由太阳能、微波或激光驱动的无粘结剂烧结（Binder-free Sintering）方法。讨论了诸如表土覆盖层（Regolith Overburden）、充气-刚性混合结构（Hybrid Inflatable-rigid Architectures）和固化表土壳体（Consolidated Regolith Shells）等防护设计策略在辐射屏蔽、热缓冲和加压结构完整性方面的作用。通过整合实验研究、数值模拟和概念设计，本综述识别了与耐久性、能源效率、可扩展性和长期性能相关的关键技术挑战和研究空白，并概述了实现适用于长期载人火星任务的可扩展、可持续的基于表土栖息地的关键路径。
**1. 引言**
人类对火星的探索和长期驻留是21世纪最雄心勃勃的技术挑战之一。除推进和生命维持系统外，人类能否在火星上持续存在，其根本制约因素在于建造地表基础设施所需的成本、质量和后勤保障。据估算，首次载人火星任务的成本约为3000亿至6000亿美元，其中硬件开发占主导，其次是发射和运营费用。在传统航天范式下，载人火星探索仍是一项耗资巨大的工程。这一成本的核心驱动因素是从地球向火星表面运输材料所带来的“质量惩罚”。因此，原位资源利用（ISRU）已成为火星探索的基本原则，即开采和加工本地资源（主要是火星表土）以在就地生产建筑材料、结构组件和防护系统。在ISRU支持的建造策略中，增材制造（3D打印）因其与机器人部署的兼容性和原材料的高效利用而备受关注。当与源自表土的原料结合时，增材制造为在火星环境约束下实现可扩展和自主的建造提供了一条途径。因此，已提出了多种材料体系和工艺技术，包括基于挤出的地聚合物和硫混凝土、热塑性表土复合材料，以及由太阳能、微波或激光驱动的无粘结剂烧结方法。然而，这些技术的实施仍面临操作限制，如机器人灵巧性受限、粉尘污染、维护复杂性以及对高可靠性自主系统的需求。同时，火星环境极其恶劣，其稀薄的大气、极端的昼夜温差、缺乏全球磁场以及高表面辐射通量对材料和结构设计提出了严苛要求。建造策略不仅必须解决力学稳定性和可打印性，还必须解决辐射屏蔽、热调节、循环热应力下的耐久性以及加压状态下的长期气密性。这些约束日益推动栖息地概念向表土屏蔽、部分掩埋或地下结构发展，通常将轻型可展开栖息地与大型的原位防护结构相结合。虽然增材制造已成为火星原位建造的领先候选方案，但它并非唯一可行的方法。替代策略包括部署预制的充气或刚性模块、机器人组装模块化元件以及利用熔岩管等天然地质构造。每种方法在部署速度、结构可靠性和技术成熟度方面各有优劣。因此，必须在更广阔的背景下评估3D打印的相关性，特别是与可扩展性、材料利用率和长期可持续性相关的方面。应对这些挑战不仅需要材料和建造技术的进步，还需要将其整合到更广泛的跨学科框架中。本综述专注于利用原位资源进行火星栖息地3D打印的材料和工艺方面，旨在阐明其技术可行性、局限性和发展路径。
**2. 火星表土与建筑环境背景**
火星表面覆盖着细粒表土，主要由玄武质地壳岩石的机械破碎和有限的化学蚀变形成。从矿物学角度看，火星土壤以斜长石、辉石、橄榄石和铁氧化物为主，并广泛存在硫酸盐、硫化物和局部粘土矿物，反映了该行星多样的地质历史。这些相为原位资源利用提供了力学性能良好的骨料和具有化学功能的组分。化学上，火星表土表现出玄武岩成分，通常包含40-50 wt.%的SiO
2 ，10-15 wt.%的Al
2 O
3 ，10-20 wt.%的FeO/Fe
2 O
3 ，5-10 wt.%的MgO，5-8 wt.%的CaO，2-5%的碱金属氧化物（Na
2 O和K
2 O），约1%的TiO
2 ，1-8%的SO
3 以及微量的Cl和盐类。这种成分与地球玄武岩非常相似，是表土地聚合物、烧结材料和硫基复合材料研究兴趣的基础。火星表土具有显著的非晶相含量，典型风成土壤含约25-30 wt.%非晶物质，而细粒沉积材料和蚀变表土中非晶相可达40-60 wt.%。从建造角度看，非晶质铝硅酸盐能增强地聚合物系统的反应活性，而形状不规则、有棱角的颗粒能提高硫基和烧结材料的堆积密度和界面结合力。颗粒尺寸以粉砂到细砂为主，有利于基于挤出的3D打印工艺。玄武岩基表土因其相对较高的密度和富硅酸盐成分，具有有效的辐射屏蔽性能。火星表面辐射暴露水平约为200–250 mSv·年
-1 ，主要来源于银河宇宙射线和太阳高能粒子。对于典型的表土密度（约1.5–2.0 g·cm
-3 ），屏蔽效能随厚度增加，通常需要约3米厚的层才能显著衰减辐射，使暴露水平接近长期人类居住要求并接近地球职业限值（约20 mSv·年
-1 ）。
**3. 综述方法与文献筛选**
本综述通过Web of Science数据库进行了系统文献检索。搜索策略旨在捕捉原位资源利用（ISRU）、火星建造和增材制造技术交叉领域的研究。主要搜索字符串为：“in situ resource utilization” OR “ISRU” AND “Mars” OR “Martian” AND “additive manufacturing” OR “3D printing”，共检索到56篇出版物。该数据集主要用于支持第4节关于增材制造技术和材料体系的发展。文献筛选和分类依据材料体系（如基于地聚合物、硫基和烧结表土）、增材制造技术（如基于挤出的工艺、热塑性沉积和烧结方法）和应用规模（如结构元件、屏蔽系统或小规模部件）。此外，还进行了针对性的补充搜索以支持论文其他部分，特别是关于火星土壤性质和环境条件的章节。
**4. 3D打印技术与材料**
增材制造是外星建造的几种竞争范式之一。与预制系统相比，3D打印通过原位资源利用显著减少了发射质量，但增加了系统复杂性和能量需求。与模块化组装方法相比，它提供了更大的几何灵活性和结构集成度，但通常工艺可靠性较低、建造时间较长。这些权衡表明，3D打印并非普遍最优的解决方案，而是随着基础设施成熟度和ISRU能力的提升而变得越来越有利。
**4.1. 基于挤出的增材制造：低温打印**
基于挤出的技术（包括直接墨水书写（Direct Ink Writing, DIW）和轮廓工艺（Contour Crafting））是目前在实验室规模上研究最充分、最有可能实现可扩展的外星建造增材制造方法。这些方法依赖于沉积基于表土的膏体或砂浆，通常使用地聚合物粘结剂配制。虽然这些方法能够制造大型、整体式结构并具有相对较高的建造速率，但它们通常依赖水或化学反应性粘结剂，从而带来了显著的后勤复杂性。水的稀缺性（尤其是在初期探索阶段）、低压下的快速蒸发、难以原位生产且可能需要从地球运输的碱活化剂，以及在微重力和极低温下固化的挑战，仍然是关键约束。研究表明，在模拟火星环境（低温低压）下，水基碱激活系统不利于地聚合物化，导致材料多孔、力学性能差。因此，这类系统需要受控的加压和热管理环境。尽管基于挤出的增材制造技术成熟且能生产大规模结构，但其对水、化学活化剂和固化条件的依赖性是在直接火星表面环境下应用的主要限制。火星低重力（约3.71 m·s
-2 ）有利于使用碱激活表土建造栖息地，因为它显著降低了打印过程中及打印后的自重应力，增强了新沉积层的几何稳定性，降低了塑性坍塌的风险，并可能在完全硬化前制造出更高的墙或更大的跨度。然而，同一环境也带来了与层间压实、早期强度发展和颗粒偏析相关的挑战。
**4.2. 热塑性挤出：中温打印**
火星上使用热塑性挤出工艺涉及另一类建筑材料，即无需水的硫混凝土（Sulfur Concrete）或称火星混凝土（Martian Concrete）。火星混凝土特指由熔融硫作为热塑性粘结剂与火星表土模拟物（作为骨料）组成的硫基建筑材料。硫在火星上也很丰富，主要以硫酸盐和硫化物的形式广泛分布于玄武岩岩石和沉积层中。硫基混凝土的硬化通过熔融硫的热固化而非水合反应实现。当加热到其熔点（通常在120-140 °C范围内）以上并随后淬火时，硫凝固成连续的热塑性基体，将骨料颗粒粘结在一起。强度发展极快，主要受热历史、硫结晶动力学和界面结合控制。硫基材料避免了水的使用，但其表现出若干局限性：在温度波动显著的环境中，硫基基体倾向于变得更脆，并随时间经历渐进的强度下降。实验研究表明，硫混凝土在冻融循环后压缩强度显著下降，表明其在循环热应力下耐久性差。此外，其低温脆性和热疲劳敏感性是主要挑战。然而，硫混凝土具有快速固化、完全可回收（通过重熔）以及良好的耐化学腐蚀性等优点。在火星上，可以通过挤出工艺逐层沉积熔融硫混凝土，或将其浇铸成预制块进行机器人组装。
**4.3. 太阳能烧结基增材制造：高温打印**
太阳能增材制造利用浓缩太阳能作为热源，驱动火星表土的烧结或熔化。该方法完全无粘结剂，依赖于表土的固有矿物学特性，通过原生硅酸盐相的部分熔化和粘性流动实现结构致密化。火星接收的太阳辐照度低于地球，但由于其稀薄大气导致的对流热损失可忽略不计，辐射加热主导热交换，因此浓缩太阳能烧结的热效率可能与地球条件相当。过程可视为激光粉床熔融的辐射类似物，其中浓缩阳光替代激光作为可移动热源。一种有前景的配置是机器人3D打印系统逐层沉积干燥表土粉末，随后立即进行局部太阳能烧结。通过调制能量输入和层厚，可以制造出功能梯度结构，包括致密的承载区域和更优化的多孔保温、辐射屏蔽层。其优势在于完全基于原位材料和可再生太阳能，无需粘结剂；但其效能依赖于太阳辐照度、过程控制以及在可变环境条件下实现一致致密化的能力。
**4.4. 微波烧结基增材制造：高温打印**
微波烧结是另一种无粘结剂、无水工艺，依赖于富铁火星表土固有的微波吸收性来诱导局部熔化和颗粒融合。从ISRU角度看，该技术非常有吸引力，因为它最大限度地减少了对进口材料的依赖。然而，该过程能耗高，且控制热梯度具有挑战性，常导致微裂纹和脆性行为。建造速率通常低于挤出法，将微波系统扩展到栖息地规模的结构仍是主要工程挑战。尽管存在这些局限性，微波烧结仍被视为一个具有战略意义的中长期解决方案，尤其适用于辐射屏蔽元件和优先考虑质量和耐久性而非建筑复杂性的基础设施组件。
**4.5. 激光烧结：小规模部件打印**
虽然激光烧结由于其固有的高精度和有限的建造速率，不适合建造大规模栖息地，但它仍然是在火星上制造小规模、高精度部件（如机械零件、工具、连接器等）的有价值制造路线。激光烧结可有效处理细表土粉末，制造几何复杂、高分辨率的元件，特别适用于栖息地内部的制造。
**4.6. 火星增材制造的机器人系统与仪器**
火星建造用增材制造的实施超越了材料配制和打印技术，需要整合机器人系统、能量输送单元和过程控制仪器。这些组件共同实现了在高度受限环境条件下的挖掘、材料处理、沉积或烧结以及质量保证。关键设备类别包括自主移动机器人（漫游车）、机械臂（多自由度机械手）、龙门系统、挤出打印头、热挤压系统（硫基）、太阳能聚光器、微波发生器、激光系统、材料处理系统、热控制系统以及传感器和AI/控制系统。这些系统在功能、成熟度和局限性方面各有不同。
**4.7. 增材制造技术的能源需求**
能源需求是选择地外建造用增材制造技术的决定性因素。基于挤出的系统通常在接近环境温度或中等温度下运行，打印阶段本身固有的能源效率较高，能耗约为0.36-1.8 MJ·kg
-1 。然而，其总能源需求强烈受上游材料处理（如地聚合物体系的前驱体制备）影响。相比之下，热处理路线（如太阳能、激光和微波烧结）需要将表土加热到高温（通常超过1000-1200 °C），能耗显著更高，例如微波烧结约需69-98 MJ·kg
-1 ，激光烧结约需10.8-18 MJ·kg
-1 。这种对比凸显了地外建造策略中的关键权衡：烧结法实现无粘结剂制造和材料完全就地利用，但高能耗限制了其在早期任务中的应用；挤出法则提供了更节能的初始建造途径，但依赖粘结剂和高能耗的材料预处理。
**表8关键性能指标比较**：材料体系包括地聚合物（挤出）、硫基（火星混凝土）、太阳能烧结表土、微波烧结表土和激光烧结（粉床/定向能量）。地聚合物体系具有中等压缩强度（约10-32 MPa），但需水和碱活化剂，对地球依赖性高。硫基体系无水，强度高（压缩强度约20-60 MPa），对地球依赖性中低。太阳能和微波烧结表土体系完全基于原位材料和能源，对地球依赖性极低，压缩强度可达20-100 MPa和30-80 MPa。激光烧结精度高，但对设备依赖性高。这些数据表明了不同技术在性能、ISRU兼容性和能源需求方面的显著差异。
**5. 防护设计与性能**
火星表面的辐射环境主要由银河宇宙射线（GCR）主导，平均等效剂量约为0.64 mSv·天
-1 。此外，太阳高能粒子（SEP）事件可导致短期剂量显著增加。持续暴露于该环境的宇航员在无足够屏蔽下约4-4.6年即可达到职业剂量限值。为应对辐射，防护策略包括使用水或富氢材料进行局部屏蔽，以及利用火星表土进行覆盖或掩埋。模拟研究显示，约1米厚的表土可使初级辐射剂量降低约40%，3米厚可使剂量降至接近地球背景水平。当前的火星早期人类栖息地策略倾向于混合建造概念，结合轻型可展开加压模块与ISRU提供的环境防护。例如，充气栖息地模块可运至火星部署后，用挖掘的表土覆盖以提供辐射屏蔽、热缓冲和防微陨石保护。更先进的概念包括在充气核心和外部松散覆盖层之间使用通过3D打印制造的固化表土壳体，以改善结构稳定性、辐射性能并减少表土迁移。这些设计策略在建造简单性、能量需求、结构性能和环境防护之间存在权衡。
**6. 火星荷载条件下的结构响应**
火星栖息地的结构性能必须在独特的多物理场荷载环境下评估，包括高差内部加压、长期地震激励以及在0.38 g重力场下的土-结构相互作用。火星地震活动（火星震）经InSight任务量化，震级较低（Mw约1.3-3.7），持续时间较长（数分钟至30分钟以上），地动位移幅值仅为纳米量级，远低于地球地震。因此，地震荷载通常不控制火星栖息地的极限结构强度设计，但其长持续时间可能对轻质或薄壁结构（尤其是增材制造结构）的动态响应、共振效应和长期疲劳产生影响。内部加压是主要荷载工况，典型栖息地压力（约50-100 kPa）在结构壳体中产生持续拉应力。在微重力下，土-结构相互作用受到显著影响：虽然较低的重力减小了总恒载，但同时也降低了表土的有效围压，改变了其承载能力和剪切强度，使大跨度栖息地尤其容易发生差异沉降。目前，尚缺乏结合火星震地面运动、表土力学和增材制造栖息地结构响应的集成模拟研究。
**7. 最终评论**
火星3D打印栖息地的未来发展将取决于材料科学、自主建造技术和节能加工系统的融合。进展预计将遵循分阶段和混合化方法，根据任务阶段、环境约束和基础设施成熟度部署不同的增材制造技术。3D打印应被视为一种补充技术，其相关性随着ISRU能力、能源可用性和机器人自主性的成熟而提高。主要挑战包括建造系统的自动化和可靠性、完全ISRU兼容配方（减少或消除对地球供应粘结剂的依赖）的开发、能源效率的提升（平衡功耗、建造速度和材料性能），以及结构与功能设计的集成（如多材料和功能梯度结构）。此外，3D打印结构在加压下的可靠密封、长期可持续性（材料回收、结构维修和基础设施渐进扩展）也是关键研究方向。未来研究应采用更集成的系统导向视角，在统一框架内连接材料开发、加工技术、能源系统和栖息地设计。在火星模拟条件下进行实验验证，结合数值模拟和任务尺度仿真，对于弥合实验室演示与实际部署之间的差距至关重要。最终，火星定居点的长期可持续性将取决于建造技术的可扩展性和适应性。
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