佛羅里達國際大學(xué)開發(fā)3D打印生物瓷磚系統(tǒng)，改造海堤生態(tài)和氣候適應(yīng)能力

2025年5月6日,，南極熊獲悉,，佛羅里達國際大學(xué)(FIU)針對海堤環(huán)境開發(fā)了一種模塊化混凝土3D 打印生物瓷磚系統(tǒng),，以測試瓷磚系統(tǒng)如何增強海洋生物多樣性,、減少海岸線侵蝕并改善城市水質(zhì)。3D打印海堤模塊名為 BIOCAP,，即“通過優(yōu)化海岸適應(yīng)和性能改善生物多樣性”的縮寫,，計劃于 2025 年春季在邁阿密比斯坎灣的公共場所晨邊公園進行試點安裝。

這項研究由佛羅里達國際大學(xué)建筑學(xué)院博士生,、CREST CAChE（水生化學(xué)與環(huán)境中心）成員Sara Pezeshk領(lǐng)導(dǎo),。她關(guān)于系統(tǒng)的同行評審論文以題為“Bio-Tile: An Intelligent Hybrid-Infrastructure”已由施普林格·自然出版集團發(fā)表，概述了一種融合增材制造,、生態(tài)設(shè)計和響應(yīng)式材料系統(tǒng)的混合基礎(chǔ)設(shè)施戰(zhàn)略,。項目由美國國家科學(xué)基金會和環(huán)境保護署資助。

論文鏈接：https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-16-5983-6_8#Ack1

標準海堤的設(shè)計初衷是阻擋海浪,，但往往會將能量反射回水體,，加劇侵蝕，并消除棲息地,。Pezeshk的設(shè)計引入了凹凸不平的海堤，并設(shè)計了陰影凹槽,、縫隙和凹陷區(qū)域——這些設(shè)計旨在模擬自然海岸線的幾何形狀,。每個海堤模塊的設(shè)計都旨在蓄水、調(diào)節(jié)溫度,，并擴大海洋生物的棲息表面積,。

牡蠣、藤壺和海綿等濾食性物種可以降低水體的濁度，并去除導(dǎo)致藻華的營養(yǎng)物質(zhì),。嵌入在瓦片幾何結(jié)構(gòu)中的微生境可以為水體提供躲避熱應(yīng)力和湍流的庇護,。Pezeshk 的研究將 BIOCAP 描述為“多用途活海岸線”。與人工濕地或珊瑚礁設(shè)施不同,，瓷磚系統(tǒng)附著在現(xiàn)有的海堤上,，使其與密集的城市基礎(chǔ)設(shè)施兼容。

△邁阿密晨邊公園海堤安裝的BIOCAP瓷磚效果圖,。圖片來自Sara Pezeshk,。

這些瓷磚采用3D打印技術(shù)制造，能夠?qū)崿F(xiàn)標準模具無法鑄造的復(fù)雜表面形態(tài),。Pezeshk從含化石的石灰?guī)r中汲取靈感,，尤其是佛羅里達沿海地區(qū)原生的珊瑚圖案，以此來塑造瓷磚的表面形態(tài),。增材制造技術(shù)可以控制凹槽深度,、高度變化和孔隙度。

這既增加了熱變化性,，也增加了生物附著的可能性,。計算建模（包括使用Wallacei 進行的多目標優(yōu)化）用于根據(jù)特定性能目標配置瓷磚形狀。設(shè)計變量包括幾何紋理,、模塊化互連和根莖空間邏輯,。BIOCAP 并非采用剛性陣列，而是使用基于 Voronoi 的系統(tǒng)來模擬根系網(wǎng)絡(luò),，使瓷磚能夠流暢地適應(yīng)沉積物運動和水流,。

安裝后評估將重點關(guān)注三個主要性能指標：生物多樣性增強、水質(zhì)改善和波浪能量衰減,。延時水下攝像機將記錄海洋生物在紋理瓷磚表面的定居模式,。在項目為期兩年的試點期內(nèi)，物種多樣性,、頻率和行為將被追蹤,。

△機器人3D打印機將混凝土擠出，形成層層錯綜復(fù)雜的通道,，最終形成BIOCAP瓷磚,。圖片來自Sara Pezeshk。

為了評估環(huán)境化學(xué),，一部分原型瓷磚嵌入了實時傳感器,，用于監(jiān)測pH值、溶解氧,、鹽度,、濁度和溫度,。這些指標將有助于確定BIOCAP瓷磚附近的微生物和無脊椎動物活動是否會導(dǎo)致水體狀況發(fā)生可測量的變化。此外,，還將在BIOCAP改造的海堤和相鄰的未改造海堤上安裝壓力傳感器,，以測量不同潮汐和風(fēng)暴條件下的波浪力差異。這些數(shù)據(jù)將量化瓷磚系統(tǒng)與傳統(tǒng)垂直混凝土墻相比在能量耗散方面的表現(xiàn),。

BIOCAP 的方法論借鑒了建筑理論,、材料行為和環(huán)境性能模型。在 Springer Nature 的出版物中,，生物瓷磚系統(tǒng)以遠離平衡態(tài)的動力學(xué)為框架,，強調(diào)基礎(chǔ)設(shè)施能夠適應(yīng)環(huán)境力量，而非強加靜態(tài)形式,。根莖設(shè)計模型——植根于生態(tài)根系和非線性空間理論——強調(diào)分布式連接而非層級組裝,。瓦片單元被描述為自組織組件，它們在一個由潮汐模式,、溫度變化和生物相互作用塑造的更大的新興框架內(nèi)運作,。

BIOCAP 并非取代海堤，而是挑戰(zhàn)傳統(tǒng)功能,。這種改造方法將基礎(chǔ)設(shè)施重新定位為棲息地界面,，使其能夠支持生態(tài)過程，而非充當(dāng)硬邊界,。邁阿密晨邊公園的部署將為 BIOCAP 在現(xiàn)實條件下提供試驗平臺,。如果生物瓷磚系統(tǒng)成功減少侵蝕、增加棲息地復(fù)雜性并改善水質(zhì),，或許可以考慮在其他城市沿海地區(qū)推廣,。

△一系列3D打印的BIOCAP瓷磚，旨在支持海洋生物多樣性,。圖片來自Sara Pezeshk,。