松果可以帮助提高建筑物的能源效率

发明新事物的科学家经常从大自然中寻找灵感。他们的目标是模仿生物系统，以创造新的消费品或改进现有的产品。例如，1941 年发明的 Velcro 源自一位瑞士工程师的好奇心，他想知道为什么牛蒡籽会在他和他的狗的外套上粘着，当他们在树林里行走时。如今，为了应对日益紧迫的气候变化，研究人员正在从生物学中寻找减少排放和节约能源的思路。

慕尼黑工业大学 (TUM) 的化学家、森林科学家和材料研究员 Cordt Zollfrank 认为，他找到了一种可以将耗能建筑转变为节能建筑的潜在能源：树锥。

松树、云杉、铁杉和冷杉等树木的球果会自然地对不同程度的湿度做出反应，打开和关闭，而无需消耗任何电能。根据窗帘的机械特性设计窗帘，使其能够根据湿度打开和关闭，但在此过程中不消耗任何能量，可以节省大量能源。许多建筑物（以及住宅）使用电动百叶窗或遮阳帘，这些百叶窗或遮阳帘由插入式电力或电池供电。

但这种方法还有许多其他潜在应用，例如阀门和闸门，“无论在哪里我们发现湿度发生变化，比如在气候控制装置中，无论你想在哪里移动某物，都取决于环境条件，”该大学生物聚合物系主任佐尔弗兰克说。

他说：“节约和减少电能消耗是工业和社会未来面临的主要挑战之一。节约电能意味着保护我们的环境并减缓气候变化。可持续建筑迫切需要新材料。”

工程、建筑和便利设施中的机械移动产品需要电源来使其移动，“因此，一种可以移动但不需要电能的设备将受到高度需求，”Zollfrank说。

根据国际能源署的数据，建筑物是全球最大的能源消耗者，占能源消耗的 40% 或更多。建筑物的大部分能源用于供暖或制冷，因此几乎不需要能源的设备可以帮助减少这种消耗。许多建筑物都依赖电动气候控制系统，其中包括有助于控制制冷和供暖的移动窗帘。

慕尼黑工业大学、弗莱堡大学和斯图加特大学的团队正在开发一种基于松树和冷杉球果机械行为的系统。下雨时，球果会闭合鳞片以保护种子，干燥时则张开鳞片释放种子。球果的细胞壁由膨胀程度不大的木质素和膨胀能力很强的纤维素组成。湿度高时，组织中的纤维向内弯曲，干燥时则向外弯曲。

“鳞片中的纤维素原纤维可以膨胀或收缩，并且在针叶鳞片中以特定的方式排列，”Zollfrank 说。“因此，我们正试图生成模仿生物原件的人工可膨胀材料。我们还利用可再生资源来制造它们。”

科学家们使用的材料是纤维素，一种多糖，“世界上最丰富的生物聚合物”，Zollfrank 说。“它存在于植物的细胞壁中，是细胞壁的主要结构成分。在植物中，它通常伴有其他多糖和木质素。纤维素是通过木材制浆从这些木质纤维素中获得的。因此，执行器（驱动设备的元件）可以是纯纤维素或木质基材料。因此，这些材料是完全可再生和可持续利用的。”

该项研究最近发表在《先进材料》杂志上。

Zollfrank 和他的同事已经成功开发出由两层材料组成的执行器，这些材料可以吸收不同量的液体，其行为与自然界的执行器非常相似。然而，在这些材料广泛应用于建筑之前，他们必须解决一个问题：细胞或组织越大，水渗透到其孔隙内部所需的时间就越长。在松果中只需两个小时的过程在建筑物中可能需要几年的时间才能完成。

但研究人员认为他们知道如何解决这个问题。

“整个鳞片由单个细胞组成，这些细胞组成鳞片细胞组织，”Zollfrank 解释道。“水（即湿度）必须在基于扩散的传输过程中‘淹没/浸没’鳞片组织，这使其速度变慢。然而，单个细胞会迅速行动。因此，我们的想法是从小型、微米级、快速移动的单个细胞中制造驱动材料。”

作为一名材料科学家，他对它们的潜力持乐观态度。“令人兴奋的是，这些运动的能量不是来自代谢过程，而是完全来自物理机制和材料特性，”他说。

玛琳·西蒙斯为 Nexus Media 撰稿，这是一家涵盖气候、能源、政策、艺术和文化的联合通讯社。