基于生物基材料与仿生吸湿变形 4D 打印的天气响应型自适应遮阳系统

来源：EFL生物3D打印与生物制造


在建筑领域，建筑运营产生的二氧化碳排放占全球总排放量的27%，建筑围护结构的能耗问题亟待解决。传统自适应遮阳系统依赖机电驱动装置，存在能耗高、结构复杂易故障等问题，而基于乙烯-四氟乙烯箔或被动着色玻璃的方案则存在滤光过度、材料隐含碳高的缺陷。此外，天然木材双层结构虽具备吸湿变形特性，但受限于材料变异性和手工制造的复杂性，难以规模化应用。   

来自德国斯图加特大学的Achim Menges教授、弗赖堡大学的Thomas Speck教授和Jürgen Rühe教授团队合作，开发了基于生物基纤维素材料的仿生吸湿变形4D打印遮阳系统。该团队通过熔融长丝制造（FFF）技术打印由吸湿膨胀层（纤维素基生物复合材料）和限制层（耐紫外线ASA聚合物）组成的双层结构，模仿松果鳞片的吸湿变形机制，实现了对温湿度的自主响应。实验证明，该系统在实验室条件下可通过温湿度调控双层曲率（曲率范围0.011–0.0155 mm⁻¹），在真实气候环境中历经13个月测试，能根据季节和昼夜温湿度变化自动调整遮阳状态（夏季遮阳率达90%，冬季保持开放以吸收太阳能），且通过4台3D打印机并行生产，仅用17天完成424个模块的制造，展现出规模化应用潜力。相关工作以《Weather-responsive adaptive shading through biobased and bioinspired hygromorphic 4D-printing》为题发表在《Nature Communications》上。

1. 仿生吸湿变形双层结构的设计与原理   通过熔融长丝制造（FFF）4D打印技术，结合扫描电子显微镜（SEM）观察纤维素基生物复合材料与ASA聚合物双层的微观结构，研究仿生吸湿变形机制。结果表明，吸湿膨胀层（层1）沿垂直于弯曲方向打印，限制层（层2）沿弯曲方向打印，形成类似松果鳞片的各向异性膨胀特性，其曲率由相对湿度（RH）和温度共同调控，在80% RH时平均曲率为0.0155mm⁻¹，且低温（10℃）下低RH环境仍能保持较高曲率（0.011 mm⁻¹）。

图1. 4D打印吸湿变形双层结构的仿生设计与曲率响应。   

2. 温湿度对双层结构曲率的影响   利用气候 chamber 模拟不同温湿度组合（温度10℃、20℃、30℃，RH 15%-95%），结合高速摄像机和Python脚本追踪双层边缘标记点，研究温湿度对曲率的定量影响。结果显示，高温（30℃）下低RH环境曲率趋近于0，低温（10℃）下低RH仍有显著曲率，表明温度可调节吸湿变形的阈值响应，为适应温带气候设计提供依据。   

图2. 4D打印双层结构在不同温湿度下的曲率变化。   

3. 循环驱动耐久性与紫外抗性验证   通过170次吸湿-脱湿循环测试和紫外（UV）老化实验，结合ImageJ软件分析曲率稳定性，研究双层结构的长期性能。结果表明，循环测试中高RH（90%）曲率仅在前10次略有下降，随后保持稳定；UV暴露对高RH曲率无显著影响，低RH（30%）下活性层暴露导致曲率下降0.006mm⁻¹，但仍满足遮阳需求。   

图3. 吸湿变形双层结构的循环稳定性与紫外抗性分析。   

4. 真实气候环境下的遮阳性能评估   将4D打印遮阳模块安装于建筑外立面 mock-up，通过13个月的实时监测（温度、RH、遮阳率），研究其在自然气候中的响应能力。结果显示，夏季低RH（25%）时遮阳率达90%，冬季高RH（82%）时保持开放（遮阳率50%），且能响应昼夜RH波动，实现动态遮阳与太阳能收集的平衡。   

图4. 4D打印遮阳系统在真实气候中的季节性响应与遮阳率变化。   

5. 规模化生产工艺与建筑应用示范   采用4台FFF 3D打印机并行生产，结合参数化设计生成424个定制化模块，研究工业化制造的可行性。结果表明，单模块打印时间25-32分钟，总制造周期17天，材料成本仅0.59kg/m²（纤维素基 filament），且成功安装于德国弗赖堡 livMatS 仿生壳建筑外立面，验证其规模化应用的经济性与适应性。   

图5. 4D打印遮阳模块的规模化生产流程与建筑外立面安装示范。   

6. 遮阳系统的能效与环境效益分析   通过辐射模拟（EnergyPlus）和实测数据，对比传统遮阳方案，评估仿生遮阳系统的节能潜力。结果表明，夏季可减少41%太阳辐射得热，冬季增加27%太阳能吸收，年累计能耗降低18%，且全生命周期隐含碳较机电系统减少65%，展现显著的环境效益。   

图6. 4D打印遮阳系统的能耗模拟与环境效益对比。

研究结论
本研究展示了生物基材料与仿生4D打印技术在建筑外立面天气响应型遮阳系统中的应用潜力。通过设计纤维素基吸湿变形双层结构，本研究实现了遮阳模块对温湿度的自主响应：在温带气候条件下，夏季低湿度环境下遮阳率可达90%以阻挡过热，冬季高湿度环境下保持开放以最大化太阳能吸收，且昼夜循环响应稳定。4D打印工艺通过控制材料挤出路径和微观结构，赋予模块可编程的形变能力，其曲率在10–30℃和15%–95%相对湿度范围内可调控，且经170次循环测试后性能保持率超95%，紫外暴露影响有限。规模化生产验证表明，4台3D打印机17天内可完成424个模块制造，材料成本仅0.59 kg/m²，且成功应用于真实建筑外立面，年累计能耗降低18%，隐含碳减少65%。本研究为低能耗建筑提供了兼具环境适应性与经济可行性的创新方案，有望推动可持续建筑围护结构的发展。
文章来源：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54808-8