基于生物基材料與仿生吸濕變形 4D 打印的天氣響應(yīng)型自適應(yīng)遮陽系統(tǒng)

來源：EFL生物3D打印與生物制造


在建筑領(lǐng)域，建筑運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的二氧化碳排放占全球總排放量的27%，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗問題亟待解決。傳統(tǒng)自適應(yīng)遮陽系統(tǒng)依賴機(jī)電驅(qū)動(dòng)裝置，存在能耗高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜易故障等問題，而基于乙烯-四氟乙烯箔或被動(dòng)著色玻璃的方案則存在濾光過度、材料隱含碳高的缺陷。此外，天然木材雙層結(jié)構(gòu)雖具備吸濕變形特性，但受限于材料變異性和手工制造的復(fù)雜性，難以規(guī)模化應(yīng)用。   

來自德國(guó)斯圖加特大學(xué)的Achim Menges教授、弗賴堡大學(xué)的Thomas Speck教授和Jürgen Rühe教授團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)了基于生物基纖維素材料的仿生吸濕變形4D打印遮陽系統(tǒng)。該團(tuán)隊(duì)通過熔融長(zhǎng)絲制造（FFF）技術(shù)打印由吸濕膨脹層（纖維素基生物復(fù)合材料）和限制層（耐紫外線ASA聚合物）組成的雙層結(jié)構(gòu)，模仿松果鱗片的吸濕變形機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度的自主響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室條件下可通過溫濕度調(diào)控雙層曲率（曲率范圍0.011–0.0155 mm⁻¹），在真實(shí)氣候環(huán)境中歷經(jīng)13個(gè)月測(cè)試，能根據(jù)季節(jié)和晝夜溫濕度變化自動(dòng)調(diào)整遮陽狀態(tài)（夏季遮陽率達(dá)90%，冬季保持開放以吸收太陽能），且通過4臺(tái)3D打印機(jī)并行生產(chǎn)，僅用17天完成424個(gè)模塊的制造，展現(xiàn)出規(guī)模化應(yīng)用潛力。相關(guān)工作以《Weather-responsive adaptive shading through biobased and bioinspired hygromorphic 4D-printing》為題發(fā)表在《Nature Communications》上。

1. 仿生吸濕變形雙層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與原理   通過熔融長(zhǎng)絲制造（FFF）4D打印技術(shù)，結(jié)合掃描電子顯微鏡（SEM）觀察纖維素基生物復(fù)合材料與ASA聚合物雙層的微觀結(jié)構(gòu)，研究仿生吸濕變形機(jī)制。結(jié)果表明，吸濕膨脹層（層1）沿垂直于彎曲方向打印，限制層（層2）沿彎曲方向打印，形成類似松果鱗片的各向異性膨脹特性，其曲率由相對(duì)濕度（RH）和溫度共同調(diào)控，在80% RH時(shí)平均曲率為0.0155mm⁻¹，且低溫（10℃）下低RH環(huán)境仍能保持較高曲率（0.011 mm⁻¹）。

圖1. 4D打印吸濕變形雙層結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)與曲率響應(yīng)。   

2. 溫濕度對(duì)雙層結(jié)構(gòu)曲率的影響   利用氣候 chamber 模擬不同溫濕度組合（溫度10℃、20℃、30℃，RH 15%-95%），結(jié)合高速攝像機(jī)和Python腳本追蹤雙層邊緣標(biāo)記點(diǎn)，研究溫濕度對(duì)曲率的定量影響。結(jié)果顯示，高溫（30℃）下低RH環(huán)境曲率趨近于0，低溫（10℃）下低RH仍有顯著曲率，表明溫度可調(diào)節(jié)吸濕變形的閾值響應(yīng)，為適應(yīng)溫帶氣候設(shè)計(jì)提供依據(jù)。   

圖2. 4D打印雙層結(jié)構(gòu)在不同溫濕度下的曲率變化。   

3. 循環(huán)驅(qū)動(dòng)耐久性與紫外抗性驗(yàn)證   通過170次吸濕-脫濕循環(huán)測(cè)試和紫外（UV）老化實(shí)驗(yàn)，結(jié)合ImageJ軟件分析曲率穩(wěn)定性，研究雙層結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期性能。結(jié)果表明，循環(huán)測(cè)試中高RH（90%）曲率僅在前10次略有下降，隨后保持穩(wěn)定；UV暴露對(duì)高RH曲率無顯著影響，低RH（30%）下活性層暴露導(dǎo)致曲率下降0.006mm⁻¹，但仍滿足遮陽需求。   

圖3. 吸濕變形雙層結(jié)構(gòu)的循環(huán)穩(wěn)定性與紫外抗性分析。   

4. 真實(shí)氣候環(huán)境下的遮陽性能評(píng)估   將4D打印遮陽模塊安裝于建筑外立面 mock-up，通過13個(gè)月的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（溫度、RH、遮陽率），研究其在自然氣候中的響應(yīng)能力。結(jié)果顯示，夏季低RH（25%）時(shí)遮陽率達(dá)90%，冬季高RH（82%）時(shí)保持開放（遮陽率50%），且能響應(yīng)晝夜RH波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)遮陽與太陽能收集的平衡。   

圖4. 4D打印遮陽系統(tǒng)在真實(shí)氣候中的季節(jié)性響應(yīng)與遮陽率變化。   

5. 規(guī)模化生產(chǎn)工藝與建筑應(yīng)用示范   采用4臺(tái)FFF 3D打印機(jī)并行生產(chǎn)，結(jié)合參數(shù)化設(shè)計(jì)生成424個(gè)定制化模塊，研究工業(yè)化制造的可行性。結(jié)果表明，單模塊打印時(shí)間25-32分鐘，總制造周期17天，材料成本僅0.59kg/m²（纖維素基 filament），且成功安裝于德國(guó)弗賴堡 livMatS 仿生殼建筑外立面，驗(yàn)證其規(guī)模化應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性與適應(yīng)性。   

圖5. 4D打印遮陽模塊的規(guī)模化生產(chǎn)流程與建筑外立面安裝示范。   

6. 遮陽系統(tǒng)的能效與環(huán)境效益分析   通過輻射模擬（EnergyPlus）和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比傳統(tǒng)遮陽方案，評(píng)估仿生遮陽系統(tǒng)的節(jié)能潛力。結(jié)果表明，夏季可減少41%太陽輻射得熱，冬季增加27%太陽能吸收，年累計(jì)能耗降低18%，且全生命周期隱含碳較機(jī)電系統(tǒng)減少65%，展現(xiàn)顯著的環(huán)境效益。   

圖6. 4D打印遮陽系統(tǒng)的能耗模擬與環(huán)境效益對(duì)比。

研究結(jié)論
本研究展示了生物基材料與仿生4D打印技術(shù)在建筑外立面天氣響應(yīng)型遮陽系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。通過設(shè)計(jì)纖維素基吸濕變形雙層結(jié)構(gòu)，本研究實(shí)現(xiàn)了遮陽模塊對(duì)溫濕度的自主響應(yīng)：在溫帶氣候條件下，夏季低濕度環(huán)境下遮陽率可達(dá)90%以阻擋過熱，冬季高濕度環(huán)境下保持開放以最大化太陽能吸收，且晝夜循環(huán)響應(yīng)穩(wěn)定。4D打印工藝通過控制材料擠出路徑和微觀結(jié)構(gòu)，賦予模塊可編程的形變能力，其曲率在10–30℃和15%–95%相對(duì)濕度范圍內(nèi)可調(diào)控，且經(jīng)170次循環(huán)測(cè)試后性能保持率超95%，紫外暴露影響有限。規(guī)模化生產(chǎn)驗(yàn)證表明，4臺(tái)3D打印機(jī)17天內(nèi)可完成424個(gè)模塊制造，材料成本僅0.59 kg/m²，且成功應(yīng)用于真實(shí)建筑外立面，年累計(jì)能耗降低18%，隱含碳減少65%。本研究為低能耗建筑提供了兼具環(huán)境適應(yīng)性與經(jīng)濟(jì)可行性的創(chuàng)新方案，有望推動(dòng)可持續(xù)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展。
文章來源：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54808-8