松果作为模型：斯图加特大学和弗赖堡大学的研究人员创造了一种开创性的外立面系统，该系统独立于能源运作并适应天气条件。这项发现已发表在期刊《自然通讯》中。
“传统上，创建响应天气的建筑外立面涉及复杂的技术系统。我们的研究调查了如何通过先进设计和3D打印技术利用材料的固有响应性，” 斯图加特大学计算设计与建造研究所（ICD）主任、卓越集群综合计算设计与建造建筑（IntCDC）发言人阿希姆·门戈斯教授表示。“我们的遮阳系统能够自主开合，响应天气变化，而无需外部能源或机械部件。生物材料结构作为其自身机制。”
借助自然启发的设计、自然材料和可获得技术，斯图加特大学和弗赖堡大学的研究团队创造了“太阳门”，这是一种无需电力运作的开创性自适应遮阳系统。该原型模仿松果的运动，使其能基于湿度和温度变化进行开闭，而无需任何代谢能量消耗。研究人员成功复现了植物组织中典型的纤维素各向异性结构，使用常规3D打印机。其研究结果已发表于《自然通讯》。
生物基湿度响应材料和生物启发的4D打印
纤维素是一种 readily available 和可再生的自然资源，随着湿度变化而膨胀和收缩，这一现象被称为湿度反应性。这种特性可以在自然界中找到，例如松果鳞片或银蓟花瓣的开闭。研究小组通过创新性地制作生物基纤维素纤维，并利用4D打印来创建模仿松果鳞片的双层结构，利用了这一特性。
使用这种4D打印方法生产的材料能够根据外部因素自主改变其形状。对于“太阳门”，研究人员设计了一种方法，以精确控制如何使用标准3D打印机挤出纤维素材料，使他们能够利用4D打印系统的自我变形和可逆特性。在潮湿条件下，纤维素吸收水分并膨胀，促使组件卷曲并打开。相反，在干燥条件下，材料释放水分并收缩，使组件扁平并关闭。
“通过模仿松果鳞片和银蓟苞片的吸湿运动，太阳门不仅将这些生物模型的高效和耐用性转化为一种生物设计的遮阳解决方案，还展现了植物运动的美。这体现了‘仿生学的终极道路’，因为我们对这些生物类比所感兴趣的一切都在这一生物启发的建筑创新中得以反映，”弗赖堡大学植物生物力学小组主任、卓越集群生命、适应性和能源自给自足材料系统（livMatS）发言人托马斯·斯佩克教授解释道。
自我成型元素的建筑整合
团队对生物基自适应遮阳系统在现实天气条件下的性能和耐用性进行了长达一年以上的广泛测试。之后，“太阳门”被安装在livMatS生物仿生外壳上，这是一座与卓越集群IntCDC及卓越集群livMatS关联的实验性建筑，作为弗赖堡大学的研究设施。遮阳系统位于朝南的天窗上，有助于调节建筑的内部气候。在冬季，4D打印的遮阳元件打开，以让阳光进入以提供温暖；在夏季，它们关闭以阻挡过多的太阳热量。这个自适应过程完全依赖于日常和季节性天气变化，无需任何电力输入。
因此，“太阳门”为标准遮阳解决方案提供了一个能源独立和资源高效的替代方案。鉴于建筑由于维持室内舒适所需的巨大能量消耗，对全球碳排放做出了重要贡献，因此减少供暖、制冷和通风的能量消耗至关重要。“太阳门”强调了诸如增材制造等可获得的、经济高效技术的能力，并展示了如纤维素这样一种丰富、可再生的材料如何能够引导可持续的建筑方法。
项目合作伙伴
这一创新的“太阳门”由斯图加特大学的计算设计与建造研究所（ICD）、塑料技术研究所（IKT）以及卓越集群综合计算设计与建造建筑（IntCDC）共同开发，弗赖堡大学的植物生物力学小组、微系统工程系（IMTEK）和卓越集群生命、适应性和能源自给自足材料系统（livMatS）也参与了其中。
