佛羅里達(dá)國(guó)際大學(xué)開(kāi)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(dá)國(guó)際大學(xué)(FIU)針對(duì)海堤環(huán)境開(kāi)發(fā)了一種模塊化混凝土3D 打印生物瓷磚系統(tǒng)，以測(cè)試瓷磚系統(tǒng)如何增強(qiáng)海洋生物多樣性、減少海岸線(xiàn)侵蝕并改善城市水質(zhì)。3D打印海堤模塊名為 BIOCAP，即“通過(guò)優(yōu)化海岸適應(yīng)和性能改善生物多樣性”的縮寫(xiě)，計(jì)劃于 2025 年春季在邁阿密比斯坎灣的公共場(chǎng)所晨邊公園進(jìn)行試點(diǎn)安裝。

這項(xiàng)研究由佛羅里達(dá)國(guó)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(píng)審論文以題為“Bio-Tile: An Intelligent Hybrid-Infrastructure”已由施普林格·自然出版集團(tuán)發(fā)表，概述了一種融合增材制造、生態(tài)設(shè)計(jì)和響應(yīng)式材料系統(tǒng)的混合基礎(chǔ)設(shè)施戰(zhàn)略。項(xiàng)目由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和環(huán)境保護(hù)署資助。

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

標(biāo)準(zhǔn)海堤的設(shè)計(jì)初衷是阻擋海浪，但往往會(huì)將能量反射回水體，加劇侵蝕，并消除棲息地。Pezeshk的設(shè)計(jì)引入了凹凸不平的海堤，并設(shè)計(jì)了陰影凹槽、縫隙和凹陷區(qū)域——這些設(shè)計(jì)旨在模擬自然海岸線(xiàn)的幾何形狀。每個(gè)海堤模塊的設(shè)計(jì)都旨在蓄水、調(diào)節(jié)溫度，并擴(kuò)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(yíng)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(hù)。Pezeshk 的研究將 BIOCAP 描述為“多用途活海岸線(xiàn)”。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(lái)自Sara Pezeshk。

這些瓷磚采用3D打印技術(shù)制造，能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模具無(wú)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(dá)沿海地區(qū)原生的珊瑚圖案，以此來(lái)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(jì)算建模（包括使用Wallacei 進(jìn)行的多目標(biāo)優(yōu)化）用于根據(jù)特定性能目標(biāo)配置瓷磚形狀。設(shè)計(jì)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(lái)模擬根系網(wǎng)絡(luò)，使瓷磚能夠流暢地適應(yīng)沉積物運(yùn)動(dòng)和水流。

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

△機(jī)器人3D打印機(jī)將混凝土擠出，形成層層錯(cuò)綜復(fù)雜的通道，最終形成BIOCAP瓷磚。圖片來(lái)自Sara Pezeshk。

為了評(píng)估環(huán)境化學(xué)，一部分原型瓷磚嵌入了實(shí)時(shí)傳感器，用于監(jiān)測(cè)pH值、溶解氧、鹽度、濁度和溫度。這些指標(biāo)將有助于確定BIOCAP瓷磚附近的微生物和無(wú)脊椎動(dòng)物活動(dòng)是否會(huì)導(dǎo)致水體狀況發(fā)生可測(cè)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(cè)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(yuǎn)離平衡態(tài)的動(dòng)力學(xué)為框架，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)設(shè)施能夠適應(yīng)環(huán)境力量，而非強(qiáng)加靜態(tài)形式。根莖設(shè)計(jì)模型——植根于生態(tài)根系和非線(xiàn)性空間理論——強(qiáng)調(diào)分布式連接而非層級(jí)組裝。瓦片單元被描述為自組織組件，它們?cè)谝粋�(gè)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(yùn)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(guò)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(shí)條件下提供試驗(yàn)平臺(tái)。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(lái)自Sara Pezeshk。