緬因大學向美國參議院提議一種新型生物基3D打印防洪屏障

2021年5月18日，南極熊獲悉，緬因大學（UMaine）先進結(jié)構(gòu)和復合材料中心（ASCC）的執(zhí)行主任Habib Dagher向美國參議院交通管理委員會介紹了兩款新型3D打印防洪屏障。這些生物基屏障由Dagher的團隊建造，作為聯(lián)邦開發(fā)更強大和更友好的生態(tài)運輸網(wǎng)絡研究項目的一部分，旨在保護沿�；�礎設施免受洪水災害。未來，研究人員打算利用這種方法的模塊化方式來3D打印和部署一個75英尺長的防潮堤，有可能減少50%的潮汐影響。

△HabibDagher

Dagher說："這些建筑技術是實現(xiàn)未來建立起具有成本效益、有彈性的交通系統(tǒng)的關鍵。我們不能一直以固有的方式建造，并期望有不同的結(jié)果。當我們重建道路和橋梁時，有一個絕佳的機會來允許我們使用更耐用、更可持續(xù)的先進材料，包括復合材料，這是屬于未來更好的交通基礎設施建設模式。"

UMaine大學的3D打印技術優(yōu)勢

雖然目前還不清楚該團隊的防洪設備背后的技術是否又是一種全新技術，或者這些屏障本身是否代表了已有方法的最新應用，但長期以來UMaine大學在海事3D打印領域內(nèi)一直是有著卓越貢獻的。

早在2018年10月，緬因州技術研究所（MTI）就向這所大學的ASCC投資50萬美元，以開發(fā)一種3D打印大型海洋船舶的方法。這項研究在2019年取得了成果，當時UMaine和ASCC使用世界上最大的原型聚合物3D打印機制造了一艘破紀錄的船，在當時，它打破了不少于三項吉尼斯世界紀錄。

這艘昵稱為 "3Dirigo "的25英尺游船實際上是使用英格索爾機床公司開發(fā)的機器制造的，它使用的是一種新型的以纖維素為基礎的原料，該原料是由可持續(xù)發(fā)展聯(lián)盟和橡樹嶺國家實驗室共同創(chuàng)造的。據(jù)報道，該團隊的材料由高達50%的纖維素纖維配制而成，無毒且可導電，同時仍可表現(xiàn)出與鋁類似的機械強度。

憑借他們的生物基原料，美國能源部的研究人員之后獲得了280萬美元的資金，用于開發(fā)大型3D打印渦輪機葉片模具。與傳統(tǒng)的模具相比，該團隊預計在該項目中可以節(jié)省高達50%的成本。現(xiàn)在看來，他們正在類似的領域中應用他們的海事專業(yè)知識，開發(fā)新型的防洪屏障。

△UMaine的研究人員之前已經(jīng)3D打印了一艘破紀錄的船。圖片來自《太陽報》

UMaine走上中心舞臺

2021年5月13日，Dagher應參議院交通財務委員會的邀請，作為四位專家之一，就美國交通設施如何免受氣候變化的影響進行了演說。特別要提到的是是，Dagher's在此介紹了他的UMaine團隊一直在開發(fā)的新材料和技術，作為整個緬因州和新英格蘭地區(qū)40個項目計劃的一部分。

在交通基礎設施耐久性中心的統(tǒng)籌下，這個更廣泛的計劃是為了尋找延長現(xiàn)有交通網(wǎng)絡壽命的方法，以及設計新的、更耐用的道路、橋梁和港口。就其本身而言，UMaine展示了四項基于復合材料的創(chuàng)新，包括 "背包中的橋梁 "和U形支架，以及3D打印防潮堤和隧道擴散裝置。

這種擴散裝置由生物材料制成，主要是為了減少公路下的橋洞水流溢出時造成的損害，有可能會沖毀附近的公路。美國馬里蘭大學的團隊認為憑借著在被腐蝕的橋洞內(nèi)襯安裝上3D打印的擴散器，有可能將水流增加40%，從而最大限度地減少對周圍基礎設施造成的損害。

UMaine團隊 "背包中的橋 "的概念

△UMaine團隊設計的 "背包中的橋 "。圖片來自于美國馬里蘭大學

事實上，該團隊預期增加隧道的排水流量可以為美國政府每年節(jié)省數(shù)百萬美元的橋梁更換費用，而這里所需要的擴散裝置他們的3D打印設備可以使用環(huán)保材料按尺寸進行制作。為了證明他們的擴散裝置的潛力，研究人員打算在2021年夏天之前在緬因州附近安裝一個。

在更大的范圍內(nèi)，緬因州團隊還開發(fā)了考慮到防洪的浮動防潮堤，但它們不是為了保護陸地設施，而是為了保護沿�；�礎設施。3D打印的屏障采用模塊化設計，允許它們在短時間內(nèi)建造和部署，然后再根據(jù)水位進行調(diào)整，并保護港口免受潮汐影響的50%。

在確定了其防潮堤的功能和可擴展性之后，研究人員現(xiàn)在的目標是將其擴展為一個75英尺長的原型，并在緬因州海岸附近測試其受力下的位移幅度。

基于植物的3D打印的進展

從某種程度上來講，UMaine大學可能已經(jīng)成為生物海洋方面的3D打印專家，但其研究人員遠不是唯一使用纖維素來構(gòu)建可持續(xù)結(jié)構(gòu)的人。例如，目前歐盟資助的NOVUM項目計劃的相關科學家們正在研究基于纖維素的3D打印部件，并有可能應用于汽車、海洋和電氣絕緣領域。

在其他地方，來自斯圖加特大學、弗吉尼亞大學和Koc大學的研究人員結(jié)合他們的專業(yè)知識，已經(jīng)開發(fā)出可3D打印的纖維素基長絲。通過調(diào)整其材料的機械和流變特性，他們最終能夠創(chuàng)建具有預編程變形曲線的樣品。

在類似的研究領域內(nèi)，來自西蒙弗雷澤大學（SFU）、不列顛哥倫比亞大學和瑞士聯(lián)邦材料科學與技術實驗室（EMPA）的一個科學家團隊，已經(jīng)成功地3D打印出木質(zhì)衍生的電子產(chǎn)品。研究人員認為，隨著進一步的研發(fā)，他們的纖維素材料可以產(chǎn)生可持續(xù)的傳感器，或可以取代標準PCB中的塑料。