生物制造讓建筑更有“生命力”

近年來，3D打印、綠色屋頂、太陽能電池板、地?zé)峁┡椭评湎到y(tǒng)，以及可持續(xù)材料的使用，大大減少了建筑對環(huán)境的負(fù)面影響，提高了能源利用效率。而生物制造，則有望成為可持續(xù)建筑技術(shù)領(lǐng)域的“后起之秀”。

生物制造涉及利用經(jīng)過基因改造的微生物生產(chǎn)擁有先進(jìn)性能的產(chǎn)品。與建筑技術(shù)中使用的傳統(tǒng)方法相比，這種創(chuàng)新工藝可以帶來更可持續(xù)的建材，更有效地維護(hù)建筑安全。美國《福布斯》網(wǎng)站在8日的報道中，向人們介紹了生物制造技術(shù)的新風(fēng)潮，這種技術(shù)有望賦予建筑物更持久的“生命力”。

混凝土能自我修復(fù)

大部分建筑物是由鋼筋混凝土建造而成。混凝土是一種復(fù)合材料，由細(xì)骨料和粗骨料與隨時間硬化（固化）的水泥漿黏合在一起形成。隨著時間的推移，混凝土?xí)兊萌菀灼屏?，這不僅影響其美觀，還會危及其強(qiáng)度。而混凝土也是有壽命的，日積月累，混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力作用，撕裂其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生裂縫。

材料科學(xué)最近取得了一些進(jìn)展，有望帶來能自行修復(fù)的混凝土，對建筑行業(yè)來說，這不啻為一個“福音”。在自修復(fù)混凝土中，微生物受到營養(yǎng)物質(zhì)的刺激，會促進(jìn)自身的生長和代謝活動。這些生物體產(chǎn)生的酶催化反應(yīng)，最終會形成能愈合裂縫的物質(zhì)。

例如，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)教授亨德里克·容克斯發(fā)現(xiàn)了一種桿菌——芽孢桿菌。這種桿菌可以在石灰石內(nèi)生存，也就是說具備生活在混凝土中的能力，并且可以產(chǎn)生孢子。孢子在缺水狀態(tài)下休眠，一旦混凝土出現(xiàn)了裂縫，接觸到空氣和水，孢子就會激活，隨即開始生長，生成大量的菌絲進(jìn)行裂縫填補(bǔ)。這種生物混凝土能在大約3周時間內(nèi)愈合最多0.5毫米寬的裂縫，大大延長了建筑物的使用壽命。

目前這項技術(shù)已經(jīng)研發(fā)出3種產(chǎn)品：自愈混凝土、修補(bǔ)水泥砂漿和修復(fù)液。這項技術(shù)可以用于建造軍用和民用機(jī)場的跑道，這些跑道會隨著時間的推移而磨損。

美國伍斯特理工學(xué)院的研究人員則在紅細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了一種酶，該酶與二氧化碳反應(yīng)可以產(chǎn)生碳酸鈣晶體，讓混凝土自我修復(fù)。在他們的實驗中，經(jīng)過一天之后，3毫米的裂縫和1.5毫米的小洞都復(fù)原如初。

研究指出，未來如果這種微生物修復(fù)技術(shù)能夠成功應(yīng)用于橋梁、隧道和道路建設(shè)等工程領(lǐng)域，每年有望節(jié)省數(shù)十億美元的維修費(fèi)用。而且這種自修復(fù)生物材料對混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)而言，也具有劃時代的意義。

硅藻可用于水泥制造

水泥廣泛應(yīng)用于各種建筑內(nèi)。當(dāng)干燥的成分與水反應(yīng)時，水泥就會變成黏合劑，保護(hù)硬化材料免受化學(xué)侵蝕。但水泥行業(yè)也是二氧化碳排放大戶，水泥制造商通過碳捕獲和封存技術(shù)來減少二氧化碳排放，提高能源效率和建筑壽命。

生物制造可用于為水泥開發(fā)添加劑。例如，將硅藻用于建筑中，以增強(qiáng)水泥的力學(xué)和流變特性。硅藻是最早在地球上出現(xiàn)的一種單細(xì)胞藻類生物，生存在海水或湖水中，形體極為微小，常常以驚人的速度生長繁殖。硅藻具有多孔二氧化硅細(xì)胞壁，可用于水泥內(nèi)以提高材料的強(qiáng)度。

此外，科學(xué)家還可以對硅藻進(jìn)行基因改造，創(chuàng)造出其他有價值的產(chǎn)品。不過，生物制造技術(shù)在將硅藻用于水泥產(chǎn)業(yè)時，還需要克服成本問題。

利用生物為建筑“把脈”

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是近年來新興的一種對建筑物或構(gòu)筑物進(jìn)行常規(guī)“體檢”和“健康”監(jiān)測的重要手段，主要方法就是利用智能傳感儀器，例如應(yīng)變傳感器、裂紋檢測器、振動和測壓計等，對建筑物或構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行實時監(jiān)測、動態(tài)管理和趨勢研判。

微生物可以動態(tài)地感知和響應(yīng)不同的環(huán)境條件，科學(xué)家指出，對生物進(jìn)行基因改造，可以讓其“變身”為生物傳感器，報告建筑物的特定情況。這為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供了新思路。

美國特拉華大學(xué)在混凝土內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一些細(xì)菌，包括弓形桿菌屬、雜色純潔桿菌、嗜堿鹽水球菌等，這些細(xì)菌似乎都跟降解反應(yīng)有關(guān)。研究團(tuán)隊指出，假設(shè)能夠監(jiān)測諸如建筑物和橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)中的這些細(xì)菌，那么有朝一日可能會將其用作倒塌風(fēng)險的早期預(yù)警系統(tǒng)。

此外，借助生物制造技術(shù)，還可以定制微生物，利用合成生物學(xué)精確調(diào)整建筑工程的材料等。不過，目前將合成微生物引入建筑工地還面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。