2026年5月21日，科罗拉多大学与哥伦比亚大学的研究团队找到了一种让3D打印机直接“打印泥土”的方法。只需要添加0.12%的海藻酸钠——一种从海藻中提取的天然物质——就能让普通的土变得易于打印，这可能是建筑行业摆脱水泥依赖的一种新思路。△相关研究成果已发表在《自然通讯》期刊，研究题目为“仿生3D打印土质材料和结构”（传送门）
仿生灵感：白蚁丘、黄蜂巢与蜂巢虫礁
土质材料成本低廉、无毒，在建筑领域有数千年的应用历史。然而，材料性能的不稳定性一直限制着它在现代建筑中的规模化应用。此项研究为将本地差异化土壤系统化转化为可打印混合物提供了方法论支撑。研究团队将目光投向自然界中的典型仿生结构——白蚁丘、黄蜂巢穴和蜂巢虫礁。在这些结构中，生物体将矿物颗粒与生物聚合物基粘合剂结合，形成坚固的层状构造。研究人员以此为模型，构建了一个从微观矿物-生物聚合物相互作用入手，逐步推进至流变学测试、小规模挤出实验，直至宏观打印的多尺度框架。研究聚焦地下矿物，因为这类材料通常作为建筑垃圾产生，可回收利用于土工材料生产。测试覆盖沙子及高岭石、膨润土、蛭石、云母四种黏土矿物——这四种黏土矿物约占全球地下矿物组成的90%。生物聚合物方面，团队评估了瓜尔胶、刺槐豆胶、决明胶、海藻酸钠和黄原胶，选择依据为各自不同的化学性质与生产路线。
海藻酸钠可改善流动性和可构建性
在微观尺度测试中，瓜尔胶、刺槐豆胶等非离子型半乳甘露聚糖生物聚合物与黏土呈现较强结合力；刺槐豆胶因在黏土-砂体系中表现稳定，被选作结合型生物聚合物进行进一步研究。海藻酸钠的作用机制则截然不同——它并非与矿物表面牢固结合，而是分散黏土的微观结构并改变表面电荷行为。这种非结合机制降低了屈服应力，改善了材料流动性，使它成为挤出式3D打印的理想候选之一。研究还发现，沙子在体系中并非简单的惰性填料。生物聚合物在黏土-沙子体系中的行为更接近纯沙子体系，挑战了传统认知。
利用天然土壤进行宏观尺度3D打印
中观尺度流变学研究将最优海藻酸钠浓度确定为0.12%（生物聚合物与水的比例），小规模3D打印试验随即证实了这一结果。宏观尺度测试采用含0.12%海藻酸钠的天然土壤（土水比3:1），使用WASP
40100系统打印，工具路径由Rhino和Grasshopper生成。优化后的配方在4000毫米/分钟打印速度、0.7流量倍率、4巴气压下实现了稳定的8毫米层壁厚度，成功打印70°和60°悬垂结构。
相比之下，对照组（未添加稳定剂）需要降至3000毫米/分钟才能获得同等层壁厚度，且60°及50°悬垂结构均无法成形。在材料性能上，0.12%海藻酸钠配方使干燥收缩率从10.31%降至2.61%（降幅75%），抗压强度提升25%。研究团队最终确认，正是海藻酸钠的分散作用而非直接矿物结合，驱动了宏观打印性能的全面提升。
未来展望：迈向可扩展的土质建筑材料
研究团队指出，这种框架可以扩展到优化实际施工所需的其它性能，包括结构构成、触变性、密度、机械性能、导热性、防潮性和环境耐久性。未来的应用可能还包括夯土墙、压缩土块和其它以土为基础的建筑方法。研究人员认为，该框架最终可能与合成生物学、原位成像和基于人工智能的预测模型相结合，以优化废弃土方的处理，并开发适用于建筑规模的定制生物聚合物稳定剂。对于3D打印建筑而言，这项研究的主要贡献在于提供了一种更为系统的方法，将当地不同的土壤材料转化为可打印的混合物。这项研究并非将稳定剂视为简单的添加剂，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。
来源：南极熊
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