基于生物基材料與仿生吸濕變形4D打印的天氣響應型自適應遮陽系統
在建筑領域，建筑運營產生的二氧化碳排放占全球總排放量的27%，建筑圍護結構的能耗問題亟待解決。傳統自適應遮陽系統依賴機電驅動裝置，存在能耗高、結構復雜易故障等問題，而基于乙烯-四氟乙烯箔或被動著色玻璃的方案則存在濾光過度、材料隱含碳高的缺陷。此外，天然木材雙層結構雖具備吸濕變形特性，但受限于材料變異性和手工制造的復雜性，難以規模化應用。
來自德國斯圖加特大學的Achim Menges教授、弗賴堡大學的Thomas Speck教授和Jürgen Rühe教授團隊合作，開發了基于生物基纖維素材料的仿生吸濕變形4D打印遮陽系統。該團隊通過熔融長絲制造（FFF）技術打印由吸濕膨脹層（纖維素基生物復合材料）和限制層（耐紫外線ASA聚合物）組成的雙層結構，模仿松果鱗片的吸濕變形機制，實現了對溫濕度的自主響應。實驗證明，該系統在實驗室條件下可通過溫濕度調控雙層曲率（曲率范圍0.011–0.0155 mm⁻¹），在真實氣候環境中歷經13個月測試，能根據季節和晝夜溫濕度變化自動調整遮陽狀態（夏季遮陽率達90%，冬季保持開放以吸收太陽能），且通過4臺3D打印機并行生產，僅用17天完成424個模塊的制造，展現出規模化應用潛力。相關工作以《Weather-responsive adaptive shading through biobased and bioinspired hygromorphic 4D-printing》為題發表在《Nature Communications》上。
1. 仿生吸濕變形雙層結構的設計與原理 通過熔融長絲制造（FFF）4D打印技術，結合掃描電子顯微鏡（SEM）觀察纖維素基生物復合材料與ASA聚合物雙層的微觀結構，研究仿生吸濕變形機制。結果表明，吸濕膨脹層（層1）沿垂直于彎曲方向打印，限制層（層2）沿彎曲方向打印，形成類似松果鱗片的各向異性膨脹特性，其曲率由相對濕度（RH）和溫度共同調控，在80% RH時平均曲率為0.0155mm⁻¹，且低溫（10℃）下低RH環境仍能保持較高曲率（0.011 mm⁻¹）。
2. 溫濕度對雙層結構曲率的影響 利用氣候 chamber 模擬不同溫濕度組合（溫度10℃、20℃、30℃，RH 15%-95%），結合高速攝像機和Python腳本追蹤雙層邊緣標記點，研究溫濕度對曲率的定量影響。結果顯示，高溫（30℃）下低RH環境曲率趨近于0，低溫（10℃）下低RH仍有顯著曲率，表明溫度可調節吸濕變形的閾值響應，為適應溫帶氣候設計提供依據。
3. 循環驅動耐久性與紫外抗性驗證 通過170次吸濕-脫濕循環測試和紫外（UV）老化實驗，結合ImageJ軟件分析曲率穩定性，研究雙層結構的長期性能。結果表明，循環測試中高RH（90%）曲率僅在前10次略有下降，隨后保持穩定；UV暴露對高RH曲率無顯著影響，低RH（30%）下活性層暴露導致曲率下降0.006mm⁻¹，但仍滿足遮陽需求。
4. 真實氣候環境下的遮陽性能評估 將4D打印遮陽模塊安裝于建筑外立面 mock-up，通過13個月的實時監測（溫度、RH、遮陽率），研究其在自然氣候中的響應能力。結果顯示，夏季低RH（25%）時遮陽率達90%，冬季高RH（82%）時保持開放（遮陽率50%），且能響應晝夜RH波動，實現動態遮陽與太陽能收集的平衡。
5. 規模化生產工藝與建筑應用示范 采用4臺FFF 3D打印機并行生產，結合參數化設計生成424個定制化模塊，研究工業化制造的可行性。結果表明，單模塊打印時間25-32分鐘，總制造周期17天，材料成本僅0.59kg/m²（纖維素基 filament），且成功安裝于德國弗賴堡 livMatS 仿生殼建筑外立面，驗證其規模化應用的經濟性與適應性。
6. 遮陽系統的能效與環境效益分析 通過輻射模擬（EnergyPlus）和實測數據，對比傳統遮陽方案，評估仿生遮陽系統的節能潛力。結果表明，夏季可減少41%太陽輻射得熱，冬季增加27%太陽能吸收，年累計能耗降低18%，且全生命周期隱含碳較機電系統減少65%，展現顯著的環境效益。
研究結論
本研究展示了生物基材料與仿生4D打印技術在建筑外立面天氣響應型遮陽系統中的應用潛力。通過設計纖維素基吸濕變形雙層結構，本研究實現了遮陽模塊對溫濕度的自主響應：在溫帶氣候條件下，夏季低濕度環境下遮陽率可達90%以阻擋過熱，冬季高濕度環境下保持開放以最大化太陽能吸收，且晝夜循環響應穩定。4D打印工藝通過控制材料擠出路徑和微觀結構，賦予模塊可編程的形變能力，其曲率在10–30℃和15%–95%相對濕度范圍內可調控，且經170次循環測試后性能保持率超95%，紫外暴露影響有限。規模化生產驗證表明，4臺3D打印機17天內可完成424個模塊制造，材料成本僅0.59 kg/m²，且成功應用于真實建筑外立面，年累計能耗降低18%，隱含碳減少65%。本研究為低能耗建筑提供了兼具環境適應性與經濟可行性的創新方案，有望推動可持續建筑圍護結構的發展。
文章來源：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54808-8
(責任編輯：admin)
垂直極限抗拉強度959.7 MP
3D打印血管化類器官芯片，
突破！3D打印超高填料含量
華中科技大學綜述：3D和4D
基于形狀記憶材料的3D動態
nano3Dprint發布
3D Systems推出Ne
3D打印超高強納米
UCLA鄭小雨教授：
意大利研究者研發
Nature發表ZrO2-S
