白蚁丘揭示了建造消耗更少能源的“会呼吸的”建筑的秘密

26 年 2023 月 XNUMX 日 (Nanowerk新闻) 在大约 2,000 种已知白蚁中，有些是生态系统工程师。 一些白蚁属（例如阿米白蚁属、大白蚁属、纳苏提白蚁属和土白蚁属）建造的土丘高达八米，是世界上最大的生物结构之一。 数千万年来，自然选择一直在改善土丘的“设计”。 如果人类建筑师和工程师去白蚁那里思考他们的方法，他们会学到什么？ 在一项新研究中 材料前沿 (“受白蚁启发的超材料，用于流动的建筑围护结构”），研究人员展示了白蚁丘如何教会我们为没有空调碳足迹的建筑物创造舒适的室内气候。 “在这里，我们展示了‘出口综合体’，即在白蚁丘中发现的一个由相互连接的隧道组成的错综复杂的网络，可以用来以人类建筑中的新颖方式促进空气、热量和水分的流动，”高级研究人员大卫·安德烈博士说。隆德大学生物数字物质研究组讲师，该研究的第一作者。

来自纳米比亚的白蚁

安德烈恩和合著者鲁珀特·索尔博士（诺丁汉特伦特大学建筑、设计和建筑环境学院副教授）研究了来自纳米比亚的麦克罗白蚁群。 该物种的群体可以由超过一百万个个体组成。 土丘的中心是共生真菌花园，由白蚁种植以获取食物。 来自纳米比亚的迈克尔森白蚁丘的出口综合体的一部分。 （图片：D. Andréen）研究人员重点关注出口综合体：一个密集的、格子状的隧道网络，宽度在 3 毫米到 5 毫米之间，将内部和外部更宽的管道连接起来。 在雨季（十一月至四月）土丘生长期间，土丘会延伸到其朝北的表面，直接暴露在正午的阳光下。 在这个季节之外，白蚁工虫会堵塞出口隧道。 该综合体被认为可以蒸发多余的水分，同时保持足够的通风。 但它是如何运作的呢？ Andréen 和 Soar 探索了出口综合体的布局如何实现振荡或脉冲状流动。 他们的实验基于 3 年 2005 月从野外收集的出口复合体碎片的扫描和 4D 打印副本。 该碎片厚 1.4 厘米，体积为 16 升，其中 2% 是隧道。 他们用扬声器模拟风，驱动二氧化碳-空气混合物通过碎片振荡，同时用传感器跟踪质量传递。 他们发现，振荡频率在 30Hz 到 40Hz 之间时，气流最大； 频率在 10Hz 到 20Hz 之间时中等； 频率至少在 50Hz 到 120Hz 之间。

湍流有助于通风

研究人员得出的结论是，建筑群中的隧道与土丘上吹的风相互作用，增强了空气的质量传递以实现通风。 特定频率的风振荡会在内部产生湍流，其作用是将呼吸气体和多余的水分带离土丘的中心。 “在对建筑物进行通风时，您希望保持内部温度和湿度的微妙平衡，同时又不妨碍污浊空气向外流动和新鲜空气向内流动。 大多数暖通空调系统都在努力解决这个问题。 在这里，我们有一个结构化的界面，允许呼吸气体的交换，仅由一侧和另一侧之间的浓度差异驱动。 因此，内部条件得以维持。”索尔解释道。 然后，作者使用一系列二维模型模拟了出口综合体，其复杂性从直隧道到格子状。 他们使用电动机驱动振荡的水体（用染料可见）穿过隧道，并拍摄质量流。 令他们惊讶的是，电机只需将空气来回移动几毫米（相当于微弱的风振荡），潮起潮落就能穿透整个建筑群。 重要的是，只有当布局足够呈格子状时，才会出现必要的湍流。

会呼吸的建筑

作者得出的结论是，出口综合体可以在弱风时实现白蚁丘的风力通风。 “我们想象未来的建筑墙壁，采用粉床打印机等新兴技术制成，将包含类似于出口综合体的网络。 这些将使空气通过嵌入式传感器和执行器移动成为可能，而只需要少量的能量，”安德烈说。 Soar 总结道：“只有当我们能够设计出与自然界一样复杂的结构时，建筑规模的 3D 打印才有可能实现。 出口综合体是一个可以同时解决多个问题的复杂结构的例子：保持家中的舒适度，同时调节通过建筑围护结构的呼吸气体和湿度的流动。” “我们正处于向自然建筑过渡的边缘：第一次有可能设计出一座真正有生命力、会呼吸的建筑。”

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• Sumber: https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=63067.php