《Sustainable Materials and Technologies》：Bio-inspired 4D printing of earthen soil composites for structural living wall applications
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可持续建筑中，4D打印技术通过本地土壤、阿胶树胶和纳米黏土复合材料，实现了结构强度与植物发芽的协同优化。研究开发出具备75层成型能力、28天抗压强度超4MPa的T3配方，在控制湿度下种子发芽仅需54小时，解决了传统活墙系统依赖合成材料与土壤打印易失水的问题。
阿斯兰·优素福（Arslan Yousaf）| 穆阿默尔·科奇（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
不断上升的碳排放量凸显了对于多功能建筑材料的需求，这类材料不仅要具备传统的结构性能，还要具备生态功能。垂直绿化系统和生态墙（Living Wall Systems, LWS）能够提供对气候有响应的建筑立面，但大多数这类系统依赖于含有高碳量的合成基质，这些基质的生物降解性较差，且长期保水性不足。本研究介绍了一种基于4D打印（4DP）的技术，用于制造连续的生态墙系统，通过时间这一维度实现打印组件的生物进化。利用当地的卡塔尔土壤、金合欢胶和纳米粘土制成的生物基土复合材料，通过挤出成型工艺制备出能够在打印后支持植物发芽的结构面板。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。发芽测试显示了结构与生物之间的明显关系：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力、内部保水性以及与微生物的兼容性。纳米粘土增强了材料的触变性，减少了收缩率，并提高了纤维的稳定性。最佳配方T3（90%土壤、6%金合欢胶、0.6%纳米粘土）不仅实现了稳定的挤出成型，还能建造多达75层的结构，并在28天后展现出超过4 MPa的抗压强度。使用T3配方打印的面板在受控湿度条件下，种子在54小时内即可发芽，同时打印出的几何形状也保持了稳定性。这些结果表明，基于生物稳定的土复合材料可以成为集结构完整性、水分调节和生物响应性于一体的多功能材料。这项工作为开发真正能够随时间演变的4D生态结构奠定了基础。
引言
快速的城市化进程、全球气温的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，但它们属于惰性材料，无法主动参与环境再生或碳减排[1]。这促使人们越来越关注那些既能提供结构稳定性，又能提供生态服务（如二氧化碳封存、被动热冷却和生物多样性支持）的多功能建筑组件，进而推动了向4D生态结构的发展[2]、[3]、[4]、[5]。在这种背景下，人们迫切需要既能保证结构完整性，又能实现可控水分管理并具备生物响应性的多功能生物基复合材料，以便将其集成到4D打印的建筑组件中。垂直绿化系统（Vertical Greening Systems, VGS）是将生态效益与城市基础设施相结合的典型例子，能够有效缓解城市热岛效应、调节微气候、提升热舒适度并增强生物多样性[6]。VGS主要分为两类：绿色立面和生态墙系统（Living Wall Systems, LWS）。绿色立面又可分为直接立面、间接立面和容器式立面。直接立面的植物从土壤中向上生长并直接附着在墙面；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；容器式立面则是在不同高度的种植箱或容器中培育植物，从而在植物选择、灌溉和维护方面具有灵活性[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）的设计使得植物在固定在墙面上的生长介质中生长，无需依赖地面生根[8]。LWS可分为连续生态墙系统（Continuous Living Wall Systems, CLWS，使用连续的合成基质层，如合成毛毡或工程生物混凝土）和模块化生态墙系统（Modular Living Wall Systems, MLWS，使用安装在墙面上的装有生长介质的面板或托盘）[9]、[10]。虽然CLWS能够提供无缝的植被覆盖，但通常依赖高碳含量的合成基质；MLWS虽然具有模块化和易于更换的优点，但其对人工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，但大多数研究仍集中在合成或回收的工业基质上，对同时兼具承重结构和植物生长介质功能的天然、低碳、生物兼容性材料的探索尚有限。为解决这一难题，基于挤出成型的增材制造（Additive Manufacturing, AM）或3D打印（3DP）技术应运而生，这种技术能够精确控制几何形状和孔隙率，同时将生态功能融入结构本身[5]。要实现这一目标，需要设计出流变性、机械稳定性、抗收缩性、保水性和生物响应性都能协同优化的多功能复合材料。
与传统3D打印不同，4D打印（4DP）引入了时间这一维度，使得打印出的组件在制造后能够根据外部或内部刺激发生变形或进化。最近的建筑实践展示了这一范式的广泛应用：例如通过活菌丝生长强化的结构接头、用于生态修复的修复性土壤墙、以及能够支持植物发芽的基于挤出的土壤系统[13]、[14]、[15]、[16]。这些例子表明，4DP技术使材料系统能够超越静态功能，成为动态的、适应性强的建筑组成部分。在植物生长方面，Lyu等人[17]开发了部分替代土壤的3D打印混凝土，虽然提高了发芽率，但显著降低了机械强度，这凸显了生态可行性与承重性能之间的矛盾。在此基础上，Lyu等人[18]通过使用低碱度硫铝酸盐水泥进一步改进了多层植物生长混凝土的性能，提高了可打印性、孔隙率和渗透性，同时降低了碱性，从而促进了植物根系的生长。这些研究强调了3D打印在将生态功能整合到结构材料中的潜力；然而，这些研究仍受限于基于水泥的基质，这类基质的碳含量高且生物降解性有限。Barnes等人[16]提出了一种替代方案，直接使用3D打印不含水泥粘合剂的土壤结构，在严格控制水分的情况下成功实现了植物发芽。然而，这些结构在不受限制的条件下容易发生收缩、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，但牺牲了可持续性；而纯天然土壤打印材料虽然生物活性强，但耐久性不足。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。通过模仿自然环境中岩石植物等植物的生长环境，我们希望实现以下双重目标：
(i)具备适合增材制造的流变性、抗收缩性和机械稳定性。
(ii)使3D打印的土墙具备直接的植物发芽能力。
我们的工作处于结构工程、仿生学和生态设计的交叉领域，推动了4D生态结构这一新兴概念的发展，即打印出的基质能够随着时间的推移通过植物生长而演变（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力、机械性能和保水性，而纳米粘土则能改善流变性、减少收缩率并稳定土壤结构[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植物生长环境：在自然界中，种子会在岩石裂缝或土壤堤坝中发芽，这些地方微湿度和凝聚力适宜植物生长。通过复制这些生态环境，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：
•配方设计并表征结合了当地土壤、金合欢胶和纳米粘土的土复合材料，平衡其可打印性、机械强度和生态兼容性。
•评估多种配方组合的流变性、可打印性和收缩性能，以识别稳定且不易失效的配方。
•测试材料的抗压强度和抗弯强度，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，将水分保持与植物发芽潜力联系起来。
•研究所有不同配方的发芽情况，建立结构与生物之间的关联。
•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。
章节摘录
从原始土壤到可3D打印的土壤
卡塔尔的原始土壤被用作3D打印的原料。首先，将原始土壤粉碎成颗粒并浸泡在水中（见图2），通过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型3D打印机，喷嘴直径为3.0毫米。该打印机配备了液体沉积建模（Liquid Deposition Modeling, LDM）功能，可实现材料的挤出成型。根据我们之前的研究方法，工艺参数设定为层高2.5毫米、打印速度25毫米/秒、挤出速度2.0毫米/秒[25]。流变性能
流变特性测试有助于了解每种土-金合欢胶-纳米粘土混合物在3D打印过程中的行为，确定其流动阻力和结构稳定性[19]。我们对5种配方（T1、T3、T5、T6、T9）进行了流变性能测试，这些配方的土壤含量在90%至94%之间变化。结论
对可持续、多功能建筑材料的需求不断增长，这凸显了需要将结构性能与生态功能相结合的生态墙系统。传统的绿色墙体依赖于高碳含量的合成基质，且保水性有限；而纯天然土壤混合物则缺乏增材制造所需的凝聚力和尺寸稳定性。本研究证明，利用当地土壤通过4D打印技术制成的生态墙系统能够在保持结构稳定性的同时，实现生态功能。
作者贡献声明
阿斯兰·优素福（Arslan Yousaf）：负责撰写初稿、可视化处理、数据验证、方法论设计、实验实施、数据分析以及概念框架的构建。穆阿默尔·科奇（Muammer Ko?）：负责审稿与编辑工作、提供资源支持以及整体监督。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。
