导读：新兴的土壤3D打印领域能够改变当前的建筑景观。目前，住宅和商业建筑占全球年度能源消耗的6%，占全球二氧化碳排放的11%。减少建筑物对环境影响的一种方法是制造绿色屋顶和绿色墙壁，将植被纳入结构的外表面。这可以减少雨水径流和城市热岛效应，提高空气和水的质量，减少加热、冷却和噪音污染，并增加城市环境的审美价值。但通常情况下，这些结构是复杂且昂贵。
南极熊获悉，2022年初，来自弗吉尼亚大学 (UVA)的一个研究小组开发了一种新的创新和可持续的建筑方法，该方法利用3D打印技术创建了由植入种子的土壤制成的结构。 他们的研究已经发表在了《Additive Manufacturing》（SCI 一区）中，题目为《3D printing of ecologically active soil structures》（《3D打印的生态活性土壤结构》）。
这项研究调查了可以支持植物生命的3D打印土壤结构的可行性。研究人员使用挤压法，在没有添加剂的情况下成功地打印了独立的土壤结构。当含水量控制到合适值时，打印的结构能够支持植物的发芽和生长。此外，研究表明，打印结构的保水能力与相同成分的盆栽土壤不同。在三种不同的土壤质地中，研究人员将干燥特性与土壤支持植物生长的能力联系起来，并显示出挤压土壤的土壤-水特性的根本区别。
研究过程
△使用Hyrel 3D Engine SR进行挤出性评估；（b）使用连接到机械臂的Potterbot挤出机进行全结构打印；（c）原样打印的土壤结构实例；（d）打印结构上三叶草的发芽和生长。
●打印植物支撑的土壤结构的可行性
研究人员使用挤压法打印土壤结构，在这个过程中他们使用了两台打印机。首先，使用了一台较小的Hyrel 3D Engine SR与SDS 150打印头，这是一个150毫升的塑料注射器，能够实现螺纹螺丝均匀地压缩，以此评估土壤混合物的可挤压性，并确定打印所需的水含量。每种土壤的体积含水量以5%的梯度递增，直到土壤混合物能够以所需的速度挤压出来。 实验表明，当每种土壤混合物的含水量超过30-35%时，就可以进行挤压，这与每种土壤混合物的液体极限大致吻合。50%的体积含水量可以实现高挤压率和自重下可接受的结构完整性的平衡。 然后，用自制的打印机将Potterbot挤出机和Kuka Agilus KR10 R1100机械臂结合起来，制作了一个更大的土壤混合物，并将其挤压成一个类似圆顶的几何形状。
△不同几何形状的3D打印土壤穹顶显示了悬垂角的影响
●打印结构的水特征
在可行性研究中的发芽条件代表了理想化的 "温室 "条件，无法在开放大气环境中实现。为了更好地了解打印土壤结构支持植物发芽和生长的能力，研究人员进行了一组实验，重点是了解独立的打印结构与 "盆栽 "条件下的相同土壤的水分特性的不同。一组圆柱体是自由站立的（无约束），而另一组圆柱体被打印到一个相同几何形状的容器中，以模拟盆栽状态（有约束）。受约束的样品被放置在一个釉面陶土容器中。在容器的底部开了一个口，以便排出多余的水。因此，除底部外，无约束的样品整个向空气开放，而有约束的样品只有顶部表面向空气开放。本研究选择了发芽较慢的物种，以提供更长的采样时间。
△粘土样品的水特性（30%的沙子，50%的粘土，20%的泥）
研究人员将3D打印的速度、成本效率和低能源需求与本地采购的生物基材料相结合。这种方法打破了典型的线性设计和施工方法，即原材料在其使用寿命结束时作为废物丢弃，转变为循环方法，其中建筑材料可以回收利用，从而减少碳排放。
结论与展望
基于挤压的3D打印技术成功创建了支持植物发芽和生长的土壤结构。这些结构可以从广泛的土壤成分中打印出来，以便在任意的几何形状中支持不同的植物物种。然而，自由站立的土壤结构的母质电位在干燥过程中增加得更快，与盆栽条件相比，无约束条件的结构增加了支持植物生长的水分需求。同样，也观察到挤压土的水土特性曲线与在盆栽条件下的差别，这表明了保水能力发生了根本性变化。 未来有必要研究几何形状对独立结构保水特性的影响，这将使3D打印土壤为特定的植物物种设计出精确的培育计划。
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