科罗拉多大学博尔德分校与哥伦比亚大学的研究人员从白蚁、黄蜂和蜂巢虫用泥土搭建巢穴的行为中获得灵感，开发了一种仿生方法，用于改进土建材料的3D打印性能。这项发表于《自然·通讯》的研究提出了一种多尺度优化框架，通过使用生物聚合物来提升天然土材料的可打印性、稳定性和加工速度。土木工程教授Wil Srubar说：「从白蚁丘到土坯建筑，人类和动物自古以来就利用泥土进行建造，但在泥土建筑材料的设计方面，相关的科学认知还很有限。因此，我们希望运用科学知识和工具来理解它。」

研究人员测试了不同生物聚合物与地下土壤中常见的沙子和粘土矿物的相互作用，然后将最有前景的配方从微观材料分析扩展到宏观3D打印结构。该研究确定了一种基于海藻酸钠的稳定剂，与未稳定的对照材料相比，其将3D打印速度提升了33%，并将结构稳定性提高了10°。

用于3D打印土建材料的仿生稳定剂

土建材料成本低、无毒，已在建筑中使用数千年。然而，材料性能的不一致性限制了其在现代建筑中的更广泛应用，尤其是在需要可预测性能和规模化制造的场景中。研究人员从白蚁丘、黄蜂巢和蜂巢虫礁等自然结构中寻找灵感，这些生物将矿物颗粒与基于生物聚合物的粘合剂结合，形成耐用的分层结构。论文指出，这些生物系统为改进3D打印土建材料提供了模型，但生物聚合物与矿物之间的潜在化学相互作用在建筑相关尺度上尚未被充分探索。研究团队从科罗拉多州戈尔登附近的一个花岗岩采石场挖来了天然泥土，然后对比了五种生物聚合物，包括瓜尔胶、刺槐豆胶、决明子胶、黄原胶和海藻酸钠。这些生物聚合物在食品行业有广泛应用，例如冰淇淋和爆爆珠等产品。

为解决这一问题，该团队开发了一个框架，从微观尺度的矿物-生物聚合物相互作用开始，经过流变测试和小规模挤出，最终进行宏观打印试验。这使得研究人员能够将材料化学与实际可打印性联系起来。

测试粘土、沙子和生物聚合物的相互作用

研究聚焦于地下土壤矿物，因为这些材料通常作为建筑废料产生，可用于土建材料生产。研究人员测试了沙子以及四种粘土矿物：高岭石、膨润土、蛭石和云母。根据论文，这些矿物约占全球地下土壤矿物成分的90%。随后评估了几种多糖生物聚合物，包括瓜尔胶、刺槐豆胶、决明胶、海藻酸钠和黄原胶。这些聚合物因其不同的化学性质和生产工艺而被选中，其中海藻酸钠在先前关于3D打印土建材料的研究中已显示出潜力。在微观尺度上，非离子型半乳甘露聚糖生物聚合物（如瓜尔胶、刺槐豆胶和决明胶）显示出与粘土的显著结合。刺槐豆胶在粘土-沙子系统中表现一致，被选作进一步测试的粘合生物聚合物。海藻酸钠的行为则不同。它并未与矿物表面强烈结合，而是分散了粘土微观结构并改变了表面电荷行为。这种非结合机制改善了流动性，使海藻酸钠成为挤出式3D打印的有前景候选材料。研究结果还表明，沙子在这些系统中具有积极作用。作者指出，生物聚合物在粘土-沙子系统中的行为更接近沙子系统而非单独粘土，这挑战了沙子仅作为惰性填料的假设。简单来说，刺槐豆胶能把土壤颗粒紧密结合在一起，却让打印性变得很差；而海藻酸钠反过来，它改变了粘土颗粒上的电荷，让它们互相排斥，这样一来泥浆就能稳定地流动，顺利被挤出。

海藻酸钠改善流动性和可建造性

随后在介观尺度上研究了刺槐豆胶和海藻酸钠，以了解每种材料如何影响新鲜状态下的材料行为。刺槐豆胶在多个粘土-沙子系统中增加了屈服应力和储能模量，表明形成了更硬、更强的颗粒网络。海藻酸钠在低浓度下降低了屈服应力和刚度，产生分散效应，改善了材料流动。在高浓度下，聚合物重叠再次增加了刚度。基于这一行为，研究人员选择0.12%的海藻酸钠作为进一步开发的最佳生物聚合物-水比。小规模3D打印试验证实了流变学发现。对于天然土，0.12%海藻酸钠配方允许在更高的土-水比下进行打印。与对照打印件相比，这导致干燥收缩率从10.31%降至2.61%（减少75%），抗压强度提升25%。

天然土的宏观3D打印

在宏观测试中，研究人员使用了含有0.12%海藻酸钠和3:1土-水比的天然土。材料通过WASP 40100系统打印，刀具路径在Rhino和Grasshopper中生成。优化后的海藻酸钠混合物实现了4000毫米/分钟的打印速度、0.7的流量倍率和4巴的气压，同时产生一致的8毫米层壁。它成功打印了70°和60°的悬垂，而50°的几何形状在打印过程中坍塌。相比之下，对照材料需要更慢的3000毫米/分钟打印速度和更高的流量倍率才能产生类似的8毫米层壁。在这些调整后的条件下，对照材料保持了70°的悬垂，但在60°和50°时失败。研究团队用这个配方打印了一堵8毫米厚的墙，当墙倾斜到60度时依然结构稳定。

这可比萨斜塔还要陡峭。研究人员得出结论，海藻酸钠的分散效应（而非直接的矿物结合）是改善宏观打印性能的原因。通过改善流动性，该稳定剂实现了更快的挤出、更高的固体含量、更低的收缩率和更稳定的打印几何形状。

迈向可扩展的土建材料

作者表示，该框架可以扩展以优化实际建筑所需的其他性能，包括结构构建、触变性、密度、力学性能、导热性、耐湿性和环境耐久性。未来的应用还可能包括夯土墙、压缩土块和其他土基施工方法。研究人员建议，该框架最终可与合成生物学、原位成像和基于AI的预测建模相结合，以优化废弃土流和针对建筑规模使用的定制生物聚合物稳定剂。对于3D打印建筑而言，主要贡献在于提供了一种更系统的方法，将可变的地方土材料转化为可打印的混合物。该研究并非将稳定剂视为简单添加剂，而是将矿物化学、流变学和打印性能在多个尺度上联系起来。研究助理Samuel Armistead说：「用泥土做建筑有一些很好的室内环境效益。它可以调节室内湿度，吸收空气污染物，还能充当隔热材料，夏天凉快冬天暖和。」他还提到了建筑垃圾分流的意义：「我们的研究表明，存在将废弃泥土材料现场再利用的方法，这可以大大降低建筑的环境足迹。」

Srubar补充说，粘土和沙子是地球上最丰富的建筑材料之一，几乎到处都有。所以说，他们开发的这套科学方法几乎能在世界任何地方应用。

材料控制仍是3D打印土建材料的瓶颈

近期关于土基3D打印的研究侧重于使当地土壤适用于建筑规模的挤出。俄勒冈州立大学开发了一种快速凝固的粘土基材料，可在打印时固化，从而实现多层墙体和无支撑悬垂，但在获得施工批准前仍需进行进一步的ASTM测试。斯威本科技大学也在研究使用天然纤维增强土壤的机器人3D打印，旨在利用当地土材料形成致密的结构元件。随着这些项目使土建材料更接近实际应用，混合料设计仍然是打印质量和结构可靠性的核心。土壤、水、纤维、粘土和稳定剂在挤出前后如何相互作用，可决定打印材料是否能流动、堆积并保持其几何形状。通过将生物聚合物-矿物行为与流变学和宏观打印联系起来，这项新研究为改善天然土的可打印性提供了一条材料层面的路径。

题为「仿生3D打印土建材料与结构」的研究由Samuel J. Armistead、Yierfan Maierdan、Olga B. Carcassi、Rebecca A. Mikofsky、Shiho Kawashima、Lola Ben-Alon和Wil V. Srubar III完成。这项研究是与纽约哥伦比亚大学合作完成的，发表在《自然通讯》上。