《增材制造》（SCI一區(qū)）擠出式3D打印制造植被結(jié)構(gòu),，助力可持續(xù)發(fā)展！

導(dǎo)讀：新興的土壤3D打印領(lǐng)域能夠改變當(dāng)前的建筑景觀。目前,，住宅和商業(yè)建筑占全球年度能源消耗的6%,，占全球二氧化碳排放的11%。減少建筑物對(duì)環(huán)境影響的一種方法是制造綠色屋頂和綠色墻壁,，將植被納入結(jié)構(gòu)的外表面,。這可以減少雨水徑流和城市熱島效應(yīng)，提高空氣和水的質(zhì)量,，減少加熱,、冷卻和噪音污染,，并增加城市環(huán)境的審美價(jià)值,。但通常情況下，這些結(jié)構(gòu)是復(fù)雜且昂貴,。



南極熊獲悉,，2022年初，來(lái)自弗吉尼亞大學(xué) (UVA)的一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)了一種新的創(chuàng)新和可持續(xù)的建筑方法,，該方法利用3D打印技術(shù)創(chuàng)建了由植入種子的土壤制成的結(jié)構(gòu),。 他們的研究已經(jīng)發(fā)表在了《Additive Manufacturing》（SCI 一區(qū)）中，題目為《3D printing of ecologically active soil structures》（《3D打印的生態(tài)活性土壤結(jié)構(gòu)》）,。



這項(xiàng)研究調(diào)查了可以支持植物生命的3D打印土壤結(jié)構(gòu)的可行性,。研究人員使用擠壓法，在沒(méi)有添加劑的情況下成功地打印了獨(dú)立的土壤結(jié)構(gòu),。當(dāng)含水量控制到合適值時(shí),，打印的結(jié)構(gòu)能夠支持植物的發(fā)芽和生長(zhǎng)。此外,，研究表明,，打印結(jié)構(gòu)的保水能力與相同成分的盆栽土壤不同。在三種不同的土壤質(zhì)地中,，研究人員將干燥特性與土壤支持植物生長(zhǎng)的能力聯(lián)系起來(lái),，并顯示出擠壓土壤的土壤-水特性的根本區(qū)別。

研究過(guò)程


△使用Hyrel 3D Engine SR進(jìn)行擠出性評(píng)估,；（b）使用連接到機(jī)械臂的Potterbot擠出機(jī)進(jìn)行全結(jié)構(gòu)打�,。唬╟）原樣打印的土壤結(jié)構(gòu)實(shí)例,；（d）打印結(jié)構(gòu)上三葉草的發(fā)芽和生長(zhǎng),。

●打印植物支撐的土壤結(jié)構(gòu)的可行性
研究人員使用擠壓法打印土壤結(jié)構(gòu)，在這個(gè)過(guò)程中他們使用了兩臺(tái)打印機(jī),。首先,，使用了一臺(tái)較小的Hyrel 3D Engine SR與SDS 150打印頭，這是一個(gè)150毫升的塑料注射器，能夠?qū)崿F(xiàn)螺紋螺絲均勻地壓縮,，以此評(píng)估土壤混合物的可擠壓性,，并確定打印所需的水含量。每種土壤的體積含水量以5%的梯度遞增,，直到土壤混合物能夠以所需的速度擠壓出來(lái),。 實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)每種土壤混合物的含水量超過(guò)30-35%時(shí),，就可以進(jìn)行擠壓,，這與每種土壤混合物的液體極限大致吻合。50%的體積含水量可以實(shí)現(xiàn)高擠壓率和自重下可接受的結(jié)構(gòu)完整性的平衡,。 然后,，用自制的打印機(jī)將Potterbot擠出機(jī)和Kuka Agilus KR10 R1100機(jī)械臂結(jié)合起來(lái)，制作了一個(gè)更大的土壤混合物,，并將其擠壓成一個(gè)類似圓頂?shù)膸缀涡螤睢?br />

△不同幾何形狀的3D打印土壤穹頂顯示了懸垂角的影響

●打印結(jié)構(gòu)的水特征
在可行性研究中的發(fā)芽條件代表了理想化的 "溫室 "條件,，無(wú)法在開(kāi)放大氣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。為了更好地了解打印土壤結(jié)構(gòu)支持植物發(fā)芽和生長(zhǎng)的能力,，研究人員進(jìn)行了一組實(shí)驗(yàn),，重點(diǎn)是了解獨(dú)立的打印結(jié)構(gòu)與 "盆栽 "條件下的相同土壤的水分特性的不同。一組圓柱體是自由站立的（無(wú)約束）,，而另一組圓柱體被打印到一個(gè)相同幾何形狀的容器中,，以模擬盆栽狀態(tài)（有約束）。受約束的樣品被放置在一個(gè)釉面陶土容器中,。在容器的底部開(kāi)了一個(gè)口,，以便排出多余的水。因此,，除底部外,，無(wú)約束的樣品整個(gè)向空氣開(kāi)放，而有約束的樣品只有頂部表面向空氣開(kāi)放,。本研究選擇了發(fā)芽較慢的物種,，以提供更長(zhǎng)的采樣時(shí)間。


△粘土樣品的水特性（30%的沙子,，50%的粘土,，20%的泥）

研究人員將3D打印的速度、成本效率和低能源需求與本地采購(gòu)的生物基材料相結(jié)合,。這種方法打破了典型的線性設(shè)計(jì)和施工方法,，即原材料在其使用壽命結(jié)束時(shí)作為廢物丟棄，轉(zhuǎn)變?yōu)檠�環(huán)方法,，其中建筑材料可以回收利用,，從而減少碳排放,。

結(jié)論與展望
基于擠壓的3D打印技術(shù)成功創(chuàng)建了支持植物發(fā)芽和生長(zhǎng)的土壤結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)可以從廣泛的土壤成分中打印出來(lái),，以便在任意的幾何形狀中支持不同的植物物種,。然而，自由站立的土壤結(jié)構(gòu)的母質(zhì)電位在干燥過(guò)程中增加得更快,，與盆栽條件相比,，無(wú)約束條件的結(jié)構(gòu)增加了支持植物生長(zhǎng)的水分需求。同樣,，也觀察到擠壓土的水土特性曲線與在盆栽條件下的差別,，這表明了保水能力發(fā)生了根本性變化。 未來(lái)有必要研究幾何形狀對(duì)獨(dú)立結(jié)構(gòu)保水特性的影響,，這將使3D打印土壤為特定的植物物種設(shè)計(jì)出精確的培育計(jì)劃,。