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

導讀：新興的土壤3D打印領域能夠改變當前的建筑景觀。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,，將植被納入結構的外表面,。這可以減少雨水徑流和城市熱島效應,，提高空氣和水的質量，減少加熱,、冷卻和噪音污染,，并增加城市環(huán)境的審美價值。但通常情況下,，這些結構是復雜且昂貴,。



南極熊獲悉，2022年初,，來自弗吉尼亞大學 (UVA)的一個研究小組開發(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打印技術創(chuàng)建了由植入種子的土壤制成的結構。 他們的研究已經發(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)活性土壤結構》）,。



這項研究調查了可以支持植物生命的3D打印土壤結構的可行性。研究人員使用擠壓法,，在沒有添加劑的情況下成功地打印了獨立的土壤結構,。當含水量控制到合適值時，打印的結構能夠支持植物的發(fā)芽和生長,。此外,，研究表明，打印結構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地中,，研究人員將干燥特性與土壤支持植物生長的能力聯系起來，并顯示出擠壓土壤的土壤-水特性的根本區(qū)別,。

研究過程


△使用Hyrel 3D Engine SR進行擠出性評估,；（b）使用連接到機械臂的Potterbot擠出機進行全結構打印,；（c）原樣打印的土壤結構實例,；（d）打印結構上三葉草的發(fā)芽和生長。

●打印植物支撐的土壤結構的可行性
研究人員使用擠壓法打印土壤結構,，在這個過程中他們使用了兩臺打印機,。首先，使用了一臺較小的Hyrel 3D Engine SR與SDS 150打印頭,，這是一個150毫升的塑料注射器,，能夠實現螺紋螺絲均勻地壓縮，以此評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。 實驗表明,，當每種土壤混合物的含水量超過30-35%時,，就可以進行擠壓，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現高擠壓率和自重下可接受的結構完整性的平衡,。 然后，用自制的打印機將Potterbot擠出機和Kuka Agilus KR10 R1100機械臂結合起來,，制作了一個更大的土壤混合物,，并將其擠壓成一個類似圓頂的幾何形狀。


△不同幾何形狀的3D打印土壤穹頂顯示了懸垂角的影響

●打印結構的水特征
在可行性研究中的發(fā)芽條件代表了理想化的 "溫室 "條件,，無法在開放大氣環(huán)境中實現,。為了更好地了解打印土壤結構支持植物發(fā)芽和生長的能力，研究人員進行了一組實驗,，重點是了解獨立的打印結構與 "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（無約束），而另一組圓柱體被打印到一個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釉面陶土容器中,。在容器的底部開了一個口,，以便排出多余的水。因此,，除底部外,，無約束的樣品整個向空氣開放，而有約束的樣品只有頂部表面向空氣開放,。本研究選擇了發(fā)芽較慢的物種,，以提供更長的采樣時間。


△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的生物基材料相結合,。這種方法打破了典型的線性設計和施工方法,，即原材料在其使用壽命結束時作為廢物丟棄，轉變?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。

結論與展望
基于擠壓的3D打印技術成功創(chuàng)建了支持植物發(fā)芽和生長的土壤結構,。這些結構可以從廣泛的土壤成分中打印出來,，以便在任意的幾何形狀中支持不同的植物物種。然而,，自由站立的土壤結構的母質電位在干燥過程中增加得更快,，與盆栽條件相比,，無約束條件的結構增加了支持植物生長的水分需求。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。 未來有必要研究幾何形狀對獨立結構保水特性的影響,，這將使3D打印土壤為特定的植物物種設計出精確的培育計劃,。