基于溶液的数字化制造：高性能复合材料的可持续新路径

自然构建的结构强韧、多功能且自适应，随环境生长运作——如树木、骨骼、几丁质。后者同时构成甲壳类动物的硬壳和柔性关节。自然构造近乎零废料、极低能耗、寿命结束可循环。反观人造建构：通常预设规范、大量消耗能源、产生有毒废物、鲜有回收。据美国环保署2018数据，塑料回收率仅9%（2010年以来无变化），玻璃25%、金属33%（均低于2010）。尽管数字化设计制造飞速进步，能生产精密多功能结构，但在可持续性方面尚未实质突破。

这正是麻省理工学院（MIT，美国马萨诸塞州剑桥）媒体实验室中介物质研究组自2013年起发起“基于水的数字化制造”项目的初衷与目标。该计划开发出一种新型数字制造技术，将地球最丰富的天然材料与机器人控制的多腔挤出系统结合，沉积不同浓度的生物复合溶液——首批为甲壳类外壳提取的几丁质与乙酸——制造各向异性结构。从毫米到米级尺度，实现力学、化学、光学性能的梯度分布，不仅达成独特几何与多功能性，还具备结构自组装潜力。例如，湿法沉积可设计为干燥过程中因多层复合材料内部定向蒸发应力而自发成型（如圆柱体）。

这种基于溶液的数字化制造被视为连接生物与建筑环境的桥梁，潜在应用涵盖可持续建筑板材、可回收包装、消费品或轻量可降解汽车零部件。MIT后续探索了纤维素微纤维、果胶、藻类、陶瓷纳米片等复合体系。若能将这种水基数字沉积与当今3D打印复合材料中快速发展的连续/短纤维增强挤出增材技术相结合，会怎样？

为何选择壳聚糖溶液？

项目初期实验使用源自几丁质的壳聚糖。作为地球第二大天然聚合物（仅次于纤维素），几丁质化学结构与纤维素相似，既构成甲壳类和昆虫的高模量高韧性外壳，也形成其关节处强韧柔性的组织。项目核心研究员Laia Mogas-Soldevila指出，天然材料——尤其是几丁质、纤维素等聚糖——提供巨量可再生资源，产出率远超人造合成聚物。她主张多糖衍生物可替代石油基聚合物，提供新性能组合，实现更可持续制造。

Mogas-Soldevila在2015年论文《基于水的数字化设计制造：打印壳聚糖及其复合材料的材料、产品与建筑探索》中详述技术发展。灵感源于研究喷墨和喷嘴生物制造软材料作为组织生长支架的方法。

团队决定尝试喷嘴基3D沉积：将壳聚糖粉末配制成凝胶，以4% w/v乙酸水溶液为溶剂，重量体积比（w/v）浓度1-12%。这些水凝胶从3%浓度的半透明液体（粘度似稀蜜）到12%浓度的不透明材料（质地似天然橡胶）（图1）。初始沉积干燥壳聚糖薄膜极限抗拉强度达40 MPa，Mogas-Soldevila称其在纤维方向上可比拟尼龙聚合物或木材。结构在室温下制备固化。

新型数字制造平台

MIT定制的机器人增材制造平台，将库卡（德国奥格斯堡）Agilus KR1100六轴机械臂（54公斤平台，10公斤负载，±0.03毫米重复定位精度）与挤出式末端执行器结合。创新末端执行器含六个装壳聚糖水凝胶的料筒，连接计算机控制气压系统：正压（压缩空气罐）和负压（真空泵），配数字PSI调节器和双步进电机控制挤出。

末端执行器含料重4公斤。典型流速8-4000 mm³/s，喷嘴内径0.5-8 mm。线性运动速度10-50 mm/s。沉积区域1000×500 mm，后通过滑动打印床移除长度限制。

步进电机、气动系统和机械臂数字化协同，可实时调节进给/速度比、可变混合比、挤出速率、沉积压力和速度，基于目标挤出几何和材料性能。机器人运动与挤出不显式耦合——即两功能相互独立——允许独立控制各电机驱动料筒及机械臂末端位移。系统成功无模具制造大尺寸3D形状，实现多种几何形态与结构性能变化。

从数字设计到沉积

初始制造试验仿生叶片、蜻蜓翅膀等生物结构。主纵向结构提供整体形状，用较粗沉积直径和高材料浓度保证刚度；次级结构由较细、低浓度材料沉积网络形成。制造系统采用多种技术：特定路径沉积不同浓度溶液、沉积中数字控制压力调节材料宽高、重复分层。这些策略编码为实时发送给库卡机器人（定位）和挤出末端（沉积）的位置、速度、压力、材料指令。

先在CAD建模，再经定制切片软件转为打印层。数字控制系统测试优化沉积路径。几何刀具路径用Rhino3D（美国Robert McNeel & Associates）及其脚本插件Grasshopper设计，控制挤出系统操作。

系统编码数字设计相关的独立参数阵列及基础力学化学材料属性，还协调制造系统给定的平台相关约束：粘度、剪切率、料筒类型、硬件响应时间、包络尺寸等。所有参数再结合设计特定变量：喷嘴类型、材料成分、时变压力图。最终计算输出所需流速、料筒补给模式、定位速度。最后生成定制制造指令，分别编码运动和挤出命令发送给定位和沉积系统。

新型结构探索

Mogas-Soldevila描述的制造试验包括：50厘米长仿蜻蜓翅膀结构，“脉络”用天然褐藻酸钠增稠的壳聚糖凝胶制成，上覆3%壳聚糖凝胶透明抗张膜。得益于材料自修复特性，膜在沉积过程中与脉络结合。该概念延展为长达3米的各类叶片结构。另一例中，用2%壳聚糖凝胶中的纤维素微纤维溶液平铺沉积5×15毫米网格，干燥过程中因内部蒸发应力设计自发卷曲成50厘米长圆柱体。

该技术由建筑师/工程师Jorge Duro-Royo首创，他是Neri Oxman教授指导下MIT中介物质组首席研究员，后在Aguahoja项目中深化：用水基溶液（"agua"）创建塑形皮肤状结构（"hojas"）。Aguahoja I含5米高建筑亭（图2）和材料实验库，2018年展出后被旧金山现代艺术博物馆（SFMOMA）永久收藏。Aguahoja II入选2019年展览，由荷兰Cube设计博物馆和美国库珀休伊特史密森设计博物馆联合策展。

Aguahoja项目机器人制造平台演进为机器人和龙门双系统。亭子含95个3D打印片段。白色脊柱用现成F900熔融沉积建模（FDM）系统和丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯（ASA）热塑性塑料打印。多个生物复合板材设计不同刚度、柔韧度、不透明度，形成结构、窗户、环境过滤等功能区。Aguahoja I部分材料随湿度和温度变化，随季节深浅变色。材料从脆性透明到柔性皮革感，均可编程在水中降解（如雨水），将构成单元还原自然生态系统。

Mogas-Soldevila随后在塔夫茨生物医学工程Silklab完成博士学位，研究丝素及其他天然纤维材料（含MIT时期材料）。现任宾夕法尼亚大学斯图尔特·魏茨曼设计学院建筑助理教授，教授并研究可持续性与前沿生命科学交叉的材料驱动设计。近期成果见dumolab.com。“这些材料源自自然，极易功能化——可混合、掺杂、转化，能针对特定制造能力调控。我们在展望明天的可能。”