「付加製造」（SCI ゾーン 1）押し出し 3D プリントにより、持続可能な開発を促進する植生構造を製造します。

はじめに: 土壌 3D プリントという新興分野は、現在の建築景観を変える可能性を秘めています。現在、住宅および商業ビルは世界の年間エネルギー消費量の 6%、世界の CO2 排出量の 11% を占めています。建物の環境への影響を減らす方法の一つは、建物の外面に植物を組み込んで、緑の屋根や緑の壁を作ることです。これにより、雨水の流出と都市のヒートアイランド現象が軽減され、空気と水質が改善され、暖房、冷房、騒音公害が軽減され、都市環境の美的価値が向上します。しかし、通常、これらの構造は複雑で高価です。

アンタークティックベアは、2022年初頭にバージニア大学（UVA）の研究チームが、3Dプリント技術を使用して種子を埋め込んだ土でできた構造物を作成するという、革新的で持続可能な新しい建設方法を開発したことを知りました。彼らの研究は、「生態学的に活性な土壌構造の 3D プリント」というタイトルで Additive Manufacturing (SCI Zone 1) に掲載されました。

この研究では、植物の生命を支えることができる土壌構造を 3D プリントすることの実現可能性を調査しました。研究者たちは押し出し法を用いて、添加物なしで自立型の土壌構造物を印刷することに成功した。水分含有量が適切な値に制御されると、印刷された構造は植物の発芽と成長をサポートできます。さらに、この研究では、印刷された構造物の保水能力は、同じ組成の培養土の保水能力とは異なることが示されました。研究者らは、3つの異なる土壌の質にわたって、乾燥特性と植物の成長を支える土壌の能力を関連づけ、圧縮された土壌の土壌水分特性の根本的な違いを示した。

研究プロセス

△ Hyrel 3D Engine SR を使用した押し出し性の評価。(b) ロボットアームに接続された Potterbot 押し出し機を使用した完全な構造の印刷。(c) そのまま印刷された土壌構造の例。(d) 印刷された構造上のクローバーの発芽と成長。

●植物を支える土壌構造の印刷の実現可能性<br /> 研究者たちは土壌構造を印刷するために押し出し法を使用し、その過程で 2 台のプリンターを使用しました。まず、小型の Hyrel 3D Engine SR を SDS 150 プリントヘッドとともに使用しました。これは、ねじ山が均等に圧縮され、土壌混合物の圧縮性を評価し、印刷に必要な水分含有量を判定できる 150 ml のプラスチックシリンジです。土壌混合物を所望の速度で押し出すことができるまで、各土壌の体積水分含有量を 5% ずつ増加させました。実験の結果、各土壌混合物の水分含有量が 30 ～ 35% を超えると押し出しが可能であることが示され、これは各土壌混合物の液性限界とほぼ一致しました。水分含有量が 50 体積% の場合、高い押し出し速度と自重下での許容可能な構造的完全性のバランスが保たれます。次に、ポッターボット押し出し機とKuka Agilus KR10 R1100ロボットアームを組み合わせた自家製プリンターを使用して、より大きな土壌混合物を作成し、ドーム状の幾何学的形状に押し出しました。

△ 3Dプリントされたさまざまな形状の土壌ドーム。オーバーハング角度の影響を示しています。

●印刷構造物の水特性<br /> 実現可能性調査における発芽条件は、開放された大気中では達成できない理想的な「温室」条件を表しています。印刷された土壌構造が植物の発芽と成長をサポートする能力をよりよく理解するために、研究者は、独立した印刷構造と「鉢植え」状態の同じ土壌の水分特性の違いを理解することに焦点を当てた一連の実験を実施しました。シリンダーの 1 セットは自立型 (制約なし) で、もう 1 セットは鉢植えの植物をシミュレートするために同じ形状のコンテナーに印刷されました (制約あり)。拘束されたサンプルは釉薬をかけた粘土の容器に入れられました。余分な水を排出できるように容器の底に穴を開けました。したがって、拘束されていないサンプルは底部を除いて完全に空気に開放されていますが、拘束されたサンプルでは上面のみが空気に開放されています。この研究では、より長いサンプリング期間を確保するために、発芽が遅い種が選択されました。

△粘土サンプルの水分特性（砂30%、粘土50%、泥20%）

研究者たちは、3Dプリントのスピード、コスト効率、低エネルギー要件と、地元産のバイオベースの材料を組み合わせました。このアプローチは、耐用年数が経過した原材料が廃棄物として廃棄される典型的な線形設計および建設方法から、建築資材をリサイクルして再利用できる循環型アプローチへと脱却し、それによって炭素排出量を削減します。

結論と展望<br /> 押し出しベースの 3D 印刷技術により、植物の発芽と成長をサポートする土壌構造の作成に成功しました。これらの構造は、さまざまな土壌組成から印刷することができ、任意の形状でさまざまな植物種をサポートできます。しかし、乾燥中、自立型土壌構造の母材ポテンシャルはより急速に増加し、制約のない条件では鉢植えの条件と比較して植物の成長を支えるための水の需要が増加しました。同様に、圧搾土壌の土壌水分特性曲線と鉢植え土壌の土壌水分特性曲線には違いが見られ、保水能力に根本的な変化があることが示されました。今後は、個々の構造物の保水特性に対する形状の影響を調査する研究が必要であり、それにより、3D プリントされた土壌を使用して、特定の植物種の正確な栽培計画を設計できるようになります。

「付加製造」（SCI ゾーン 1）押し出し 3D プリントにより、持続可能な開発を促進する植生構造を製造します。

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