《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，來自弗吉尼亞大學(xué) (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(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，打印的結(jié)構(gòu)能夠支持植物的發(fā)芽和生長。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的能力聯(lián)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(jìn)行擠出性評估；（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。

●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)，在這個過程中他們使用了兩臺打印機(jī)。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?qū)崿F(xiàn)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(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)每種土壤混合物的含水量超過30-35%時，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，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?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，無法在開放大氣環(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(jié)合。這種方法打破了典型的線性設(shè)計和施工方法，即原材料在其使用壽命結(jié)束時作為廢物丟棄，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，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)電位在干燥過程中增加得更快，與盆栽條件相比，無約束條件的結(jié)構(gòu)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(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)計出精確的培育計劃。