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

2025年5月6日，南極熊獲悉，佛羅里達國際大學(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。3D打印海堤模塊名為 BIOCAP，即“通過優(yōu)化海岸適應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建筑學院博士生、CREST CAChE（水生化學與環(huán)境中心）成員Sara Pezeshk領導。她關于系統(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)設計和響應式材料系統(tǒng)的混合基礎設施戰(zhàn)略。項目由美國國家科學基金會和環(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的設計引入了凹凸不平的海堤，并設計了陰影凹槽、縫隙和凹陷區(qū)域——這些設計旨在模擬自然海岸線的幾何形狀。每個海堤模塊的設計都旨在蓄水、調節(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，并去除導致藻華的營養(yǎng)物質。嵌入在瓦片幾何結構中的微生境可以為水體提供躲避熱應力和湍流的庇護。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設施兼容。

△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打印技術制造，能夠實現(xiàn)標準模具無法鑄造的復雜表面形態(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，使瓷磚能夠流暢地適應沉積物運動和水流。

安裝后評估將重點關注三個主要性能指標：生物多樣性增強、水質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，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，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)的動力學為框架，強調基礎設施能夠適應環(huán)境力量，而非強加靜態(tài)形式。根莖設計模型——植根于生態(tài)根系和非線性空間理論——強調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設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、增加棲息地復雜性并改善水質，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。