摘要：来自斯图加特大学和弗莱堡大学的研究人员通过他们的最新发明 Solar Gate 引入了一种可持续建筑的创新方法。这种 4D 打印的、响应天气的遮阳系统可以根据环境变化自动打开和关闭，而无需电力。通过利用先进的材料科学和计算制造，Solar Gate 向节能和自

来自斯图加特大学和弗莱堡大学的研究人员通过他们的最新发明 Solar Gate 引入了一种可持续建筑的创新方法。这种 4D 打印的、响应天气的遮阳系统可以根据环境变化自动打开和关闭，而无需电力。通过利用先进的材料科学和计算制造，Solar Gate 向节能和自适应建筑设计迈出了重要一步。《自然通讯》杂志发表了该研究结果。

Solar Gate 功能的核心是 4D 打印，这是传统 3D 打印的延伸，它结合了能够随着时间的推移改变其形状的智能材料。3D 打印创建的是静态对象，而 4D 打印则集成了对湿度和温度等环境因素做出反应的响应材料。

纤维素是一种天然、丰富且可再生的材料，会随着湿度的变化而膨胀和收缩。这种特性被称为潮态性，在自然界中经常观察到，例如松果鳞片的打开和关闭过程。研究团队利用了这种吸湿特性，对生物基纤维素纤维进行了定制工程改造，并受到松果鳞片的启发，将它们 4D 打印，创建了能够自主响应周围环境的双层结构。

对于Solar Gate ，研究人员开发了一种制造方法，使用标准 3D 打印机控制纤维素材料的挤出，从而可以利用 4D 打印材料系统的自塑形和可逆行为。在高湿度下，纤维素材料会吸收水分并膨胀，导致打印元素卷曲和打开。相反，在低湿度下，纤维素材料会释放水分并收缩，导致打印元素变平和闭合。

Solar Gate可以在没有任何外部能源的情况下运行，完全依赖环境条件来运作。其运行取决于其响应湿度变化的能力：当湿度较高时，材料会吸收水分并膨胀，导致打印层卷曲和打开。相反，在低湿度环境中，材料会释放水分、收缩和变平，从而有效地封闭结构。这种行为使 Solar Gate 能够自然地调节室内气候条件，无缝适应不同的季节性周期，而无需任何机械干预，生物材料结构本身就是机器。

为了验证他们的创新，研究人员在弗莱堡大学研究大楼 livMatS 仿生外壳的朝南天窗上安装了Solar Gate，该建筑旨在研究建筑中的仿生解决方案。在长达一年的测试期间，Solar Gate 成功展示了其自主调节室内气候条件的能力，在冬季保持开放以最大限度地提高阳光穿透以实现自然供暖，并在夏季关闭以减少太阳辐射并防止室内温度过高。这项自主法规凸显了 Solar Gate 作为被动式建筑气候控制的可持续解决方案的潜力，显着减少了对能源密集型供暖和制冷系统的依赖。

a 朝南的建筑立面 b 在冬季让低角度阳光穿过，此时solar gate双层卷曲。c 在夏季，solar gate的双层会变平以阻挡大角度阳光。d 自调节遮阳元件的模块化设计允许在冬季最大限度地收集太阳热量，并在夏季屏蔽高入射辐射进入建筑物。

Solar Gate 的成功凸显了建筑和材料科学的两项重要进步。关键突破之一是增材制造在可持续建筑中的可行性。通过使用标准 3D 打印机创建复杂的功能性结构，研究人员为更具成本效益和可扩展性的解决方案打开了大门。另一个重大进步是纤维素基材料的潜力。作为一种广泛可用的可再生资源，纤维素已被证明是可持续建筑应用的优秀材料，可显著减少建筑构件对环境的影响。

随着气候响应型结构越来越受欢迎，像 Solar Gate 这样的创新为无需人工干预即可适应环境的自给自足建筑铺平了道路。随着进一步的研究和开发，这些材料可能会成为未来城市设计不可或缺的一部分，从而提高现代建筑的可持续性和能源效率。

素材来源：Cheng， T.， Tahouni， Y.， Sahin， E.S.， Ulrich， K.， Lajewski， S.， Bonten， C.， Wood， D.， Rühe， J.， Speck， T.， Menges， A.：2024， 通过生物基和生物启发的湿度 4D 打印实现天气响应自适应着色。Nature Communications，第 15 卷，第 1 期。（DOI：10.1038/s41467-024-54808-8)；斯图加特大学。友绿智库编译

来源：友绿