《Sustainable Materials and Technologies》：Hydrogel-based triboelectric nanogenerator reinforced with barium titanate@gliadin microcapsules for human-machine interaction
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本研究提出了一种基于4D打印的生物稳定化卡塔尔本地土壤复合材料，通过调节阿拉伯胶和纳米黏土配比，在保证挤出打印性能和力学强度的同时，实现了对植物萌发的有效支持。实验表明优化配方T3在28天抗压强度达4MPa以上，且在恒湿条件下54小时内完成种子萌发。该成果为构建兼具结构耐久性和生态响应性的4D活墙体材料提供了新范式。
阿斯兰·优素福（Arslan Yousaf）| 穆阿迈尔·科克（Muammer Ko?）
卡塔尔多哈哈马德·本·哈利法大学（Hamad bin Khalifa University）科学与工程学院可持续发展系
摘要
不断增长的碳排放凸显了对多功能建筑材料的迫切需求，这些材料不仅需要具备传统的结构性能，还需具备生态适应性。垂直绿化系统和生态墙（Living Wall Systems, LWS）能够提供应对气候变化的立面设计，但大多数这类系统依赖于含有高碳量的合成基材，这些基材的生物降解性较差，长期保湿能力也有限。本研究提出了一种基于4D打印（4D Printing, 4DP）的连续生态墙系统制造方法，通过时间维度实现打印组件的生物演化。利用当地的卡塔尔土壤、金合欢胶（acacia gum）和纳米粘土（nanoclay）制备的生物基土质复合材料，经过挤出打印后能够支持植物发芽。共制备了9种配方，并对其流变性、可挤出性、可建造性、机械强度、热稳定性、收缩率以及发芽性能进行了评估。实验结果表明：低粘合剂含量的配方会导致较高的收缩率和快速的水分流失，从而抑制植物发芽；而高比例的金合欢胶则能提高材料的凝聚性、内部保湿能力和微生物兼容性。纳米粘土增强了材料的触变性，减少了收缩率，并提升了纤维的稳定性。最优配方T3（90%土壤、6%金合欢胶、0.6%纳米粘土）实现了稳定的挤出过程，可建造多达75层，并在28天后表现出超过4 MPa的压缩强度。使用T3配方打印的生态墙在控制湿度条件下，种子在54小时内即可发芽，同时保持几何形状的稳定性。这些结果表明，基于生物稳定的土质复合材料可以同时实现结构完整性、水分调节和生物活性功能。本研究为开发真正能够随时间演化的4D生态结构提供了新的途径。
引言
快速的城市化进程、全球气温上升以及大气中二氧化碳（CO?）水平的升高，加剧了对可持续、具有气候响应性的建筑解决方案的需求。尽管传统建筑材料在机械强度上表现优异，但它们本质上是惰性的，无法主动参与环境修复或碳减排[1]。因此，人们越来越关注那些既能提供结构稳定性又能具备生态功能（如二氧化碳封存、被动降温和生物多样性支持）的多功能建筑组件，这类组件正朝着能够随时间演化的4D生态结构发展[2]、[3]、[4]、[5]。在这种情况下，亟需开发既能保证结构完整性，又能实现可控水分管理和生物活性的多功能生物基复合材料，以便将其整合到4D打印建筑部件中。垂直绿化系统（Vertical Greening Systems, VGS）是这种理念的典型代表，它将生态效益与城市基础设施相结合，有效缓解了城市热岛效应、改善了微气候并提升了生物多样性[6]。VGS主要分为两类：绿色立面（Green Facades）和生态墙系统（Living Wall Systems, LWS）。绿色立面又可分为直接立面（Direct Facades）、间接立面（Indirect Facades）和容器式立面（Container-based Facades）。直接立面的植物直接从土壤中生长并附着在墙面；间接立面则依靠网格、缆绳或棚架等支撑结构，使攀缘植物无需直接固定即可垂直生长；容器式立面则将植物种植在集成到立面不同层级的花盆或容器中，从而在植物选择、灌溉和维护方面提供了灵活性[7]。例如“呼吸之家”（Breathing House）、“Thang House”和“椰子花园”（Coconut Garden）等建筑项目就采用了类似的立面系统（见图1(a)）。
相比之下，生态墙系统（LWS）的设计使得植物能够在固定在墙上的生长介质中生长，无需依赖地面根系[8]。LWS可分为连续生态墙系统（Continuous Living Wall Systems, CLWS，使用连续的合成基材如合成毛毡或工程生物水泥）和模块化生态墙系统（Modular Living Wall Systems, MLWS，使用填充生长介质的面板或托盘）[9]、[10]。CLWS虽然能提供连续的植被覆盖，但通常依赖高碳含量的合成基材；MLWS虽然具有模块化和易于更换的优点，但其对人造组件的依赖性引发了可持续性担忧，并降低了与主体建筑的融合度[11]、[12]。尽管LWS技术有所进步，但目前大多数研究仍集中在合成或回收的工业基材上，对同时兼具承重结构和植物生长介质功能的天然、低碳、生物相容性材料的探索尚不足。为解决这一难题，基于挤出的增材制造（Additive Manufacturing, AM）或3D打印（3D Printing, 3DP）技术应运而生，它们能够精确控制几何形状和孔隙结构，同时将生态功能融入结构本身[5]。要实现这一目标，需要设计出在流变性、机械稳定性、抗收缩性、保湿性和生物活性方面都得到优化的多功能复合材料。
与传统3D打印不同，4D打印（4D Printing, 4DP）引入了时间维度，使得打印部件在制造后能够根据外部或内部刺激发生变化或演化。如图1(b)所示， recent architectural explorations demonstrate 这一理念的应用范围包括：通过菌丝生长强化的结构接头、用于生态修复的修复性土壤墙、含有发光细菌的生物发光结构（如
imprimer la lumière），以及能够支持植物发芽的挤出成型土壤系统[13]、[14]、[15]、[16]。这些例子表明4D打印使材料系统超越了静态功能，成为建筑环境中的动态、适应性组件。在植物生长方面，Lyu等人[17]开发了部分替换土壤的3D打印混凝土，虽然提高了发芽率但显著降低了机械强度，这反映了生态可行性与承重性能之间的长期权衡。Lyu等人[18]进一步通过使用低碱度硫铝酸盐水泥改进了多层植物生长混凝土的打印性能、孔隙率和渗透性，从而改善了根系生长条件。这些研究强调了3D打印在整合生态功能到结构材料中的潜力；然而，现有技术仍受限于基于水泥的基质，这类基材碳含量高且生物降解性有限。Barnes等人[16]提出了一种无水泥粘合剂的直接3D打印土壤结构方法，在严格控制湿度条件下成功实现了植物发芽，但这类结构容易发生收缩、尺寸不稳定和快速干燥。这表明了一个重要的研究空白：基于水泥的复合材料虽然强度较高，但牺牲了生物可持续性；而纯天然土壤打印材料则难以同时满足结构可靠性和生物活性的要求。本研究旨在通过开发一种受生物启发的、基于挤出的、添加了金合欢胶和纳米粘土的卡塔尔本土土壤复合材料来填补这一空白，旨在实现双重性能：
(i)满足增材制造所需的流变性、抗收缩性和机械稳定性。
(ii)使3D打印土质墙体具备直接的植物发芽能力。
我们的工作结合了结构工程、仿生学和生态设计，推动了4D生态结构概念的发展，即打印基材通过植物生长随时间演化（见图1(c)）。金合欢胶这种天然生物聚合物能够提高材料的凝聚性、机械性能和保湿能力，而纳米粘土则改善了流变性、减少了收缩率并稳定了土壤结构[19]、[20]。种子直接嵌入打印表面，这一设计借鉴了自然界的岩石缝隙或土堆中的种子生长环境——在这些环境中，微湿环境和良好的凝聚性有利于种子发芽。通过模拟这种生态环境，打印出的墙体既具有承重功能，又具备了生物活性。
因此，本研究的目标是：
•配制并表征结合了当地土壤、金合欢胶和纳米粘土的土质复合材料，平衡打印性能、机械强度和生态兼容性。
•评估多种配方在流变性、可打印性和收缩率方面的表现，以识别稳定可靠的配方。
•测试材料的压缩强度和弯曲强度，验证其作为生态墙的可行性。
•通过热重分析评估热稳定性和水分管理能力，探讨水分保持与植物发芽之间的关系。
•评估所有配方下的植物发芽情况，明确结构与生物之间的相互作用。
•寻找兼具机械可靠性和植物发芽能力的最佳配方，推动4D生态结构在建筑领域的应用。
部分内容摘录
从天然土壤到可3D打印的土壤
卡塔尔的天然土壤被用作3D打印的原料。首先对土壤进行净化处理，以获得细粒、适合打印的土壤颗粒。如图2所示，将原始土壤粉碎后浸泡在水中，手动搅拌确保土壤完全分散，去除粗颗粒并使其吸水膨胀[22]、[23]、[24]。
3D打印设备
3D打印试验使用了Delta Wasp 2040粘土，喷嘴直径为3.0毫米。该设备配备了液体沉积建模（Liquid Deposition Modeling, LDM）功能，可实现材料的挤出打印。根据我们之前的研究方法，打印参数设定为层高2.5毫米、打印速度25毫米/秒、挤出速率2.0毫米/秒[25]。
流变性能
流变特性分析有助于了解每种土壤-金合欢胶-纳米粘土混合物在3D打印过程中的行为，从而确定控制挤出过程和层稳定性的流动阻力和结构特性[19]。我们对5种配方（T1、T3、T5、T6、T9）进行了流变测试，这些配方的土壤含量范围为90%至94%（重量百分比）。
结论
对可持续多功能建筑材料的日益增长的需求凸显了生态墙系统的必要性，这类系统需要同时具备结构性能和生态功能。传统绿色墙体依赖高碳含量的合成基材，且保湿能力有限；而纯天然土壤混合物则缺乏增材制造所需的凝聚性和尺寸稳定性。本研究证明了使用卡塔尔本土土壤并通过4D打印技术制造的生态墙系统的可行性。
作者贡献声明
阿斯兰·优素福（Arslan Yousaf）：负责撰写初稿、可视化设计、数据验证、方法选择、实验设计、数据分析、概念构建。
穆阿迈尔·科克（Muammer Ko?）：负责审稿与编辑、监督工作以及资源协调。利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
