佛罗里达国际大学开发3D打印生物瓷砖系统，改造海堤生态和气候适应能力

2025年5月6日，南极熊获悉，佛罗里达国际大学(FIU)针对海堤环境开发了一种模块化混凝土3D 打印生物瓷砖系统，以测试瓷砖系统如何增强海洋生物多样性、减少海岸线侵蚀并改善城市水质。3D打印海堤模块名为 BIOCAP，即“通过优化海岸适应和性能改善生物多样性”的缩写，计划于 2025 年春季在迈阿密比斯坎湾的公共场所晨边公园进行试点安装。

这项研究由佛罗里达国际大学建筑学院博士生、CREST CAChE（水生化学与环境中心）成员Sara Pezeshk领导。她关于系统的同行评审论文以题为“Bio-Tile: An Intelligent Hybrid-Infrastructure”已由施普林格·自然出版集团发表，概述了一种融合增材制造、生态设计和响应式材料系统的混合基础设施战略。项目由美国国家科学基金会和环境保护署资助。

论文链接：https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-16-5983-6_8#Ack1

标准海堤的设计初衷是阻挡海浪，但往往会将能量反射回水体，加剧侵蚀，并消除栖息地。Pezeshk的设计引入了凹凸不平的海堤，并设计了阴影凹槽、缝隙和凹陷区域——这些设计旨在模拟自然海岸线的几何形状。每个海堤模块的设计都旨在蓄水、调节温度，并扩大海洋生物的栖息表面积。

牡蛎、藤壶和海绵等滤食性物种可以降低水体的浊度，并去除导致藻华的营养物质。嵌入在瓦片几何结构中的微生境可以为水体提供躲避热应力和湍流的庇护。Pezeshk 的研究将 BIOCAP 描述为“多用途活海岸线”。与人工湿地或珊瑚礁设施不同，瓷砖系统附着在现有的海堤上，使其与密集的城市基础设施兼容。

△迈阿密晨边公园海堤安装的BIOCAP瓷砖效果图。图片来自Sara Pezeshk。

这些瓷砖采用3D打印技术制造，能够实现标准模具无法铸造的复杂表面形态。Pezeshk从含化石的石灰岩中汲取灵感，尤其是佛罗里达沿海地区原生的珊瑚图案，以此来塑造瓷砖的表面形态。增材制造技术可以控制凹槽深度、高度变化和孔隙度。

这既增加了热变化性，也增加了生物附着的可能性。计算建模（包括使用Wallacei 进行的多目标优化）用于根据特定性能目标配置瓷砖形状。设计变量包括几何纹理、模块化互连和根茎空间逻辑。BIOCAP 并非采用刚性阵列，而是使用基于 Voronoi 的系统来模拟根系网络，使瓷砖能够流畅地适应沉积物运动和水流。

安装后评估将重点关注三个主要性能指标：生物多样性增强、水质改善和波浪能量衰减。延时水下摄像机将记录海洋生物在纹理瓷砖表面的定居模式。在项目为期两年的试点期内，物种多样性、频率和行为将被追踪。

△机器人3D打印机将混凝土挤出，形成层层错综复杂的通道，最终形成BIOCAP瓷砖。图片来自Sara Pezeshk。

为了评估环境化学，一部分原型瓷砖嵌入了实时传感器，用于监测pH值、溶解氧、盐度、浊度和温度。这些指标将有助于确定BIOCAP瓷砖附近的微生物和无脊椎动物活动是否会导致水体状况发生可测量的变化。此外，还将在BIOCAP改造的海堤和相邻的未改造海堤上安装压力传感器，以测量不同潮汐和风暴条件下的波浪力差异。这些数据将量化瓷砖系统与传统垂直混凝土墙相比在能量耗散方面的表现。

BIOCAP 的方法论借鉴了建筑理论、材料行为和环境性能模型。在 Springer Nature 的出版物中，生物瓷砖系统以远离平衡态的动力学为框架，强调基础设施能够适应环境力量，而非强加静态形式。根茎设计模型——植根于生态根系和非线性空间理论——强调分布式连接而非层级组装。瓦片单元被描述为自组织组件，它们在一个由潮汐模式、温度变化和生物相互作用塑造的更大的新兴框架内运作。

BIOCAP 并非取代海堤，而是挑战传统功能。这种改造方法将基础设施重新定位为栖息地界面，使其能够支持生态过程，而非充当硬边界。迈阿密晨边公园的部署将为 BIOCAP 在现实条件下提供试验平台。如果生物瓷砖系统成功减少侵蚀、增加栖息地复杂性并改善水质，或许可以考虑在其他城市沿海地区推广。

△一系列3D打印的BIOCAP瓷砖，旨在支持海洋生物多样性。图片来自Sara Pezeshk。