白蚁丘揭示了建造“鲜活”的建筑以减少能源消耗的秘密

白蚁丘揭示了建造“鲜活”的建筑以减少能源消耗的秘密发表在《材料前沿》上的一项突破性研究表明，我们可以从白蚁丘中学到宝贵的经验，以便在我们的建筑中创造舒适的室内气候。令人振奋的是，这些技术有可能将通常与空调有关的碳足迹降至最低。隆德大学生物数字物质研究小组的高级讲师、该研究的第一作者DavidAndréen博士说："这里我们表明，'出口复合体'，即白蚁丘中发现的相互连接的隧道的复杂网络，可以在人类建筑中以新的方式促进空气、热量和水分的流动。"印度班加罗尔的白蚁丘Andréen和共同作者RupertSoar博士，诺丁汉特伦特大学建筑、设计和建筑环境学院的副教授，研究了纳米比亚的Macrotermesmichaelseni白蚁丘。这个物种的殖民地可以由超过一百万个个体组成。白蚁丘的核心是共生的真菌园，白蚁以这些真菌为食物。研究人员把重点放在出口复合体上：一个密集的、格子状的隧道网络，宽度在3毫米到5毫米之间，将内部较宽的管道与外部相连。在雨季（11月至4月），当土丘正在生长时，这延伸到其朝北的表面，直接暴露在正午的阳光下。在这个季节之外，白蚁工人保持出口通道被封锁。人们认为这种复合体可以使多余的水分蒸发，同时保持足够的通风。但它是如何工作的呢？纳米比亚沃特贝格的白蚁丘Andréen和Soar探讨了出口综合体的布局如何实现振荡或脉冲式流动。他们的实验基于2005年2月从野外收集的一个出口复合体碎片的扫描和3D打印副本。这块碎片有4厘米厚，体积为1.4升，其中16%是隧道。他们用一个扬声器鼓动空气来模拟风，驱动二氧化碳-空气混合物在碎片中振荡，同时用一个传感器跟踪质量转移。他们发现，气流在30赫兹和40赫兹之间的振荡频率下最大；在10赫兹和20赫兹之间的频率下适中；而在50赫兹和120赫兹之间的频率下最小。研究人员得出结论，该建筑群中的隧道与吹在土丘上的风相互作用，以加强空气的质量转移，从而实现通风。某些频率的风振荡在内部产生湍流，其效果是将呼吸道气体和多余的水分从土丘的心脏地带带走。"当给建筑物通风时，你想保持内部产生的温度和湿度的微妙平衡，而不妨碍陈旧空气向外和新鲜空气向内的流动。大多数暖通空调系统都在努力解决这个问题。在这里，我们有一个结构化的界面，允许呼吸气体的交换，只是由一侧和另一侧的浓度差异驱动。内部条件因此得以维持，"Soar解释说。Macrotermesmichaelseni白蚁出口复合体的一个片段的三维扫描。资料来源：D.Andréen和R.Soar然后，作者用一系列的二维模型模拟了出口复合体，这些模型的复杂性从直线隧道增加到格子。他们用一个电动马达驱动一个摆动的水体（用染料使之可见）通过隧道，并拍摄了质量流。他们惊讶地发现，电机只需要来回移动空气几毫米（相当于微弱的风的振荡），退潮和流动就可以穿透整个建筑群。重要的是，只有在布局足够格子化的情况下才会产生必要的湍流。作者的结论是，在弱风下，出口复合体可以实现白蚁丘的风力通风。"我们想象未来的建筑墙体，用粉末床打印机等新兴技术制造，将包含与出口复合体类似的网络。"Andréen说："这些将使空气的移动成为可能，通过嵌入式传感器和执行器，只需要极少量的能量。"Soar总结道："只有当我们能够设计出与自然界一样复杂的结构时，建筑规模的3D打印才有可能。出口综合体是一个复杂结构的例子，它可以同时解决多个问题：保持我们室内的舒适度，同时调节呼吸道气体和水分在建筑围护结构中的流动。""我们正处于向类似自然的建筑过渡的边缘：第一次有可能设计出真正有生命、会呼吸的建筑"。这项研究得到了工程和物理科学研究委员会、瑞典研究委员会和人类前沿科学计划的资助。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1364551.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1364551.htm

研究人员观察到白蚁相互协调工作以建造巨型巢穴的方式

研究人员观察到白蚁相互协调工作以建造巨型巢穴的方式最近的研究发现，白蚁是通过感知和响应湿度水平而不是使用信息素来建造它们复杂的巢穴的，这揭示了白蚁建造复杂结构的一种简单而有效的机制。自然环境中的白蚁巢穴（澳大利亚新南威尔士州的一个白蚁丘）。图片来源：AndreaPerna由卢卡国际高级研究学院（IMTSchoolforAdvancedStudiesLucca）复杂系统教授安德烈娅-佩尔纳（AndreaPerna）负责协调的一项新研究发表在《电子生命》（eLife）杂志上，现已查明白蚁完成这种非凡任务的独特机制。白蚁已基本完成拱形结构的建造。红灯是3D扫描仪用来量化施工进度的光束。图片来源：GiulioFacchini在对Coptotermesgestroi白蚁（原产于南亚，现已扩散到美国东海岸）进行实验室实验时，研究人员使用湿粘土建造了具有不同高度和形状的人工结构的小台子。然后，他们从一个较大的白蚁群中收集了小群白蚁，并通过视频跟踪白蚁群中所有白蚁的活动，同时描述三维结构的变化，量化它们对这些结构的建筑行为。通过这种方法，可以对各种假设进行检验，从而发现白蚁筑巢时所使用的协调机制。白蚁（Coptotermesgestroi）在实验场自发地建造了几根柱子。图片来源：GiulioFacchini比较观察和实验除了白蚁之外，蚂蚁是能够建造大型复杂建筑的另一大昆虫类群，以蚂蚁为例，人们认为，蚂蚁在建筑材料中浸渍了一种信息素，这种化学物质能够吸引其他蚂蚁来到建筑工地，并"告诉"它们在哪里建造。这样，一只工蚁的活动就会引发其他蚂蚁的活动，这是一个自我强化的过程。如果白蚁也像蚂蚁一样依靠信息素来指导它们的建筑活动，那么它们就不应该表现出偏好把建筑材料颗粒堆放在任何特定的位置，因为在实验人员准备的人工舞台上没有任何信息素。但事实并非如此：虽然场内到处都在收集颗粒，但沉积物都集中在已有建筑的顶部。也许他们可以评估地面上的小柱子和异质物的高度，这样，他们就会在已有结构的顶部不断添加建筑材料。但事实并非如此：事实上，白蚁在高低支柱上堆积建筑材料的概率是相同的。一小群Coptotermesgestroi白蚁在实验人员放置的人工支柱顶部添加粘土颗粒。图片来源：GiulioFacchini另一个假设是，白蚁可能能够感知建筑基质的曲率，因为之前的一些建模显示，在曲率最高的位置不断添加颗粒足以产生非常复杂的结构，类似于某些物种的白蚁巢穴。这项研究的第一作者、法国巴黎国家科学研究中心复合材料与系统研究所研究员朱利奥-法奇尼（GiulioFacchini）说："在我们的模拟中，我们观察到，表面的小异质具有比周围平坦基质更高的曲率，因此它们会膨胀形成支柱，支柱的尖端反过来又会吸引建筑材料进一步沉积并继续生长，直到它们分裂或与另一个支柱合并，以此类推；利用这一简单规则可以形成非常复杂的结构。"事实上，当白蚁面对实验中提供的人工刺激时，它们总是喜欢在曲率最大的地方建造，在柱子的顶端添加颗粒（与柱子的高度无关）；当提供一个小的墙壁刺激时，它们最常在墙壁的两个角落添加颗粒，也就是曲率达到最大的两个点。了解白蚁的感知能力问题是：白蚁怎么能如此可靠地感知到它们正在建造的建筑物的弧度？研究人员发现，这可能与水分蒸发和湿度有关。佩尔纳解释说："白蚁对湿度浓度非常敏感：与大多数其他昆虫不同，白蚁的外骨骼很薄，皮肤也很柔软，这意味着即使长时间暴露在低于70%的湿度水平下，也会对它们造成致命伤害。它们能够感知这些湿度梯度，并通过行为对其做出反应，这并不太令人惊讶。"但如何证明这一点呢？"我们找到了一种被《eLife》杂志的一位匿名审稿人称为'非常巧妙的低技术解决方案'的解决方案：我们准备了与白蚁相同的实验场地，但这次用碳酸氢钠盐溶液浸渍粘土。当盐溶液中的水分蒸发时，会留下微小的盐晶体，这些晶体的生长标志着蒸发量最大的区域：这些区域就是柱子的顶端和墙壁的角落：这正是白蚁选择进行建筑活动的区域！"Facchini解释道。佩尔纳评论说："真正让我们感到惊讶的是，我们发现白蚁用如此简单的方法解决了一个非常复杂的问题。在我们的实验中，巢穴的复杂性仅仅产生于一个简单的机制：白蚁只需要根据当地的湿度添加颗粒材料，但它们添加的颗粒材料反过来又会改变所有的蒸发和湿度模式，诱使其他白蚁在不同的位置建造巢穴，以此类推，直到产生非常复杂的结构"。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427113.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427113.htm

新研究揭开白蚁王和蚁后“御膳”成分

新研究揭开白蚁王和蚁后“御膳”成分日本一项新研究揭开了白蚁群中的蚁王和蚁后由工蚁喂给特殊的食物成分，为解释为何蚁后能长时间维持旺盛的繁殖能力提供了线索。新华社报道，白蚁啃食木材，并依靠它们肠道内微生物的作用将木材中的纤维素转化为生存所需的营养物质。而白蚁群中的蚁王和蚁后并不啃食木材，它们由工蚁喂给特殊的食物，以便专心繁殖。京都大学和滨松医科大学的研究人员在新一期美国《国家科学院学报·交叉学科》杂志上报告说，他们以栖北散白蚁为研究对象，对工蚁喂食蚁王和蚁后的行为进行了分析，并从正在给蚁王和蚁后喂食的工蚁身上直接采集到了足量的“御膳”。化学分析发现，“御膳”的主要成分包括鞘脂类、甘油二酯、短肽和蛋白质等。通过电脑断层扫描对比蚁王、蚁后和工蚁的消化道结果，可以观察到蚁王、蚁后和工蚁的中肠和后肠占消化道的体积比明显不同：工蚁的后肠占了很大比例，这里是共生微生物生活并分解纤维素的地方，而蚁王和蚁后的中肠占比较大，这是它们用于吸收营养物质的器官。这种觅食和消化的分工成为白蚁社会劳动和繁殖分工体系的基础。京都大学发布的公报说，一般来说，活动越活跃的生物寿命越短，而在蜜蜂、蚂蚁、白蚁这类社会性昆虫的巢穴中最活跃繁殖的个体最长寿，造成这一现象的根本是繁殖个体所摄入的特别食物。研究这类特别食物，了解其中的功能性成分，有望贡献于研究促进人类健康长寿的方法。

由于气候变化 美国城市建筑用电量未来可能激增110%

由于气候变化美国城市建筑用电量未来可能激增110%俄克拉荷马大学助理教授王成浩领导的一项研究最近发表在《自然-通讯》杂志上，该研究探讨了在气候变化影响下，城市环境中城市规模的建筑能耗将如何演变这一关键问题。化石燃料约占美国城市中心所有建筑能源使用量的40%，美国能源信息署报告称，美国城市中的住宅和商业建筑是主要的能源消耗者（39%）和温室气体排放者（28%）之一。了解城市未来的能源使用情况，对于制定气候变化减缓战略、提高能源效率、制定和实施能源和环境法规、政策和激励计划，以及增强我们社会在未来气候和极端天气条件下的抗灾能力和适应能力都非常重要。先前的研究和当前的研究目标他说："以前的研究在估算国家或州一级的能源使用如何应对未来气候变化方面取得了长足进步。然而，我们对城市尺度的理解还有很大差距。随着全球城市致力于实现雄心勃勃的可持续发展目标，对城市规模的能源使用情况进行更细致的了解势在必行。"研究团队成员包括美国国家可再生能源实验室的珍妮特-雷纳（JanetReyna）和亨利-霍西（HenryHorsey），香港大学的宋纪云、石大川和周钰，智利圣地亚哥大学的莎拉-费伦（SarahFeron），斯坦福大学的欧阳祖涛和罗伯特-杰克逊（RobertJackson），以及中国三峡大学的李颖。在零碳电力行业的四种气候变暖情景下，2050年代年能源消耗相对于2010年代的可视化资料。资料来源：王成浩博士他们利用模型模拟和"耦合模型相互比较项目"（CMIP6）数据集的最新未来气候预测，对美国毗连地区的277座城市进行了研究。他们考虑了四种可能的气候变暖情景，包括各种可能的气候变暖情景和两种电力部门情景。"在一种电力行业情景中，我们假设未来不会实施任何碳政策，但我们也包含了一种情景，即假设到2050年电力行业将快速去碳化并实现净零碳排放，这与美国总统拜登在2023年宣布的无碳污染目标类似，"王成浩说。研究结果和影响为了研究未来气候变化下城市建筑能源使用的演变情况，王成浩的团队使用了一种称为能源使用强度（EUI）的指标。EUI是指每年每平方英尺的能耗，计算方法是将建筑物消耗的总能耗除以总建筑面积。"由于气候变化，我们发现与2010年代相比，预计到2050年代，城市规模的建筑EUI将发生不均衡的变化，电力EUI的最大增幅将主要出现在南部、西南部、西部和东南部，增幅将高达7.2%。"俄克拉荷马大学助理教授王成浩领导的一项研究解决了城市环境中城市规模的建筑能耗在气候变化影响下将如何演变这一关键问题。资料来源：俄克拉荷马大学他们发现，在温暖的季节和最热的日子里，电力EUI的增长将远远大于全年的变化，尤其是在西北地区。造成这种差异的主要原因是，在未来气候变暖的情况下，空调的采用率和空间制冷的能源使用量会更高。每升温一度，城市一级的平均空间冷却EUI将增加13.8%。"我们发现，城市夏季高峰建筑用电EUI平均增加10.1%至37.7%。然而，一些城市的增幅将超过110%。这将需要更高的电网容量和更强的抗极端热浪停电的能力，"王说。考虑到发电、输电和配电过程中的能源损耗，研究小组还评估了城市建筑所使用的能源来源的潜在变化。"电力部门的去碳化在抑制未来城市建筑的源能耗方面非常有效，但关键是要进一步减少建筑中化石燃料的直接燃烧，"王说。"简而言之，我们需要快速实现未来城市建筑的电气化。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1390813.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1390813.htm

地球过去的极端高温事件导致深海环流减少 预示未来气候混乱

地球过去的极端高温事件导致深海环流减少预示未来气候混乱在最近发表在《美国国家科学院院刊》上的这项研究中，研究人员利用从古代深海沉积物中发现的贝壳化石，发现了5000万年前传送带是如何应对极端高温事件的。当时的地球气候与本世纪末预测的情况相似，如果不采取重大行动减少碳排放的话。海洋在调节地球气候方面发挥着至关重要的作用。它们将赤道的暖水向南北两极流动，平衡地球的温度。如果没有这个循环系统，热带会更热，而两极则会更冷。这一系统的变化与重大和突然的气候变化有关。此外，海洋在清除大气中的人为二氧化碳方面起着至关重要的作用。第一作者、加州大学地球与行星科学系副主任桑德拉-柯特兰-特纳（SandraKirtlandTurner）说："海洋是目前地球表面最大的碳库。""今天，海洋中含有近40000亿吨碳，是大气中碳含量的40多倍。海洋还吸收了大约四分之一的人为二氧化碳排放量，"KirtlandTurner说。"如果海洋环流减慢，海洋对碳的吸收也会减慢，从而增加留在大气中的二氧化碳量。"_ueditor_page_break_tag_有孔虫贝壳帮助科学家拼凑出始新世时期的海洋运动图景，当时大气中的高碳含量导致海水交换速度减慢。资料来源：MarciRobinson，美国地质调查局以前的研究已经测量了地球较近地质时期海洋环流的变化，如上一个冰河时期的变化；但是，这些变化并不能近似地反映当今大气中二氧化碳的水平或地球变暖的情况。其他研究提供了第一个证据，表明深海环流，特别是北大西洋的环流已经开始减缓。为了预测海洋环流如何应对温室气体导致的全球变暖，研究小组将目光投向了始新世早期，即大约4900万年前到5300万年前。当时的地球比现在要温暖得多，在高热基线上，二氧化碳和温度会出现峰值，这种峰值被称为"高热"（hyperthermals）。在此期间，深海的温度比现在高出12摄氏度。在远古时期，海洋的温度又上升了3摄氏度。柯特兰-特纳说："尽管人们对高热事件的确切原因还存在争议，而且它们发生在人类出现之前很久，但这些高热事件是我们对未来气候变化的最好模拟。"加州大学河滨分校的SandraKirtlandTurner和海洋岩芯沉积物样本。图片来源：综合大洋钻探计划有孔虫：古代海洋的微小指标通过分析来自全球不同海底地点的微小贝壳化石，研究人员重建了这些过热事件期间的深海环流模式。这些贝壳来自名为有孔虫的微生物，有孔虫生活在世界各地的海洋中，包括海面和海底。它们的大小与句末的句号差不多。柯特兰-特纳说："生物在制造外壳的过程中，会吸收海洋中的元素，我们可以测量这些外壳的化学成分差异，从而广泛地重建有关古代海洋温度和环流模式的信息。"贝壳本身由碳酸钙构成。碳酸钙中的氧同位素是生物生长的水温和当时地球上冰量的指标。研究人员还研究了贝壳中的碳同位素，这反映了采集贝壳的海水的年龄，或海水与海洋表面隔离的时间。通过这种方法，他们可以重建深层海水的运动模式。有孔虫不能进行光合作用，但它们的外壳能显示附近其他生物（如浮游植物）光合作用的影响。光合作用只在表层海洋中进行，因此最近在表层的水具有富含碳-13的信号，当这些水沉入深海时，这种信号就会反映在贝壳上。相反，长期与地表隔绝的水，随着光合生物残骸的下沉和腐烂，积累了相对较多的碳-12。因此，与'年轻'的水相比，老水的碳-12含量相对较多。气候模型和现代预测科学家经常利用计算机气候模型对当今的海洋环流进行预测。他们利用这些模型来回答这样一个问题："随着地球不断变暖，海洋会发生怎样的变化？"该研究小组同样利用模型模拟了远古海洋对气候变暖的反应。然后，他们利用有孔虫贝壳分析来帮助检验气候模型的结果。在始新世时期，大气中的二氧化碳含量约为百万分之1,000(ppm)，这导致了当时的高温。如今，大气中的二氧化碳含量约为百万分之425。然而，人类每年向大气中排放近370亿吨二氧化碳；如果这种排放水平持续下去，到本世纪末可能会出现与早始新世类似的情况。因此，当务之急是尽一切努力减少排放。她说："这不是一个全有或全无的情况。在碳排放问题上，每一点渐进的变化都很重要。即使是二氧化碳的少量减少，也会减少对自然界的影响、生命损失和变化。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1436100.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1436100.htm

研究发现废弃尿布可以为未来的家园提供基础建筑材料

研究发现废弃尿布可以为未来的家园提供基础建筑材料建筑材料往往是房屋建设中最昂贵的部分，占到成本的80%。虽然使用天然纤维、土质材料和工业建筑废料等材料已被探索，但由于混凝土的强度和耐久性，它仍然是房屋建筑--实际上是任何建筑--的主流。但是，混凝土会留下大量的碳足迹。日本北九州大学的研究人员寻找一种方法，以保持混凝土的优点，但使其更加环保，生产成本更低。他们转向了一种常见的不可降解的废弃产品：一次性尿布。在进行这项研究时，研究人员被解决印度尼西亚显著的人口增长和对低成本住房需求的愿望所驱动。伴随着任何人口增长的是废物的增加。2019年，印度尼西亚的废物总量为2921万吨；2020年，这一数字上升到3276万吨。根据MaritimeFairtrade的数据，印度尼西亚的一次性尿布使用量在全球排名第六。许多用过的尿布被扔在该国的河流和水道中，通过渗入的化学品和微塑料造成污染。这项研究可以解决两个重要问题：清理环境和提供一个低成本的建筑替代方案。研究人员通过将洗净、晾干和切碎的一次性尿布与水泥、沙子、砾石和水相结合，制备了混凝土和砂浆样品。这些的样品被固化了28天，固化是在温度范围内保持混凝土有足够的水分，以帮助水泥水化的过程，水泥和水之间的化学反应有助于其强度和耐久性。研究人员对含有不同比例的一次性尿布废料的混合料进行了测试，观察它们在破裂前能承受多大的压力。然后，研究人员计算了可以用尿布垃圾替代的最大沙子数量，以安全地建造一个建筑面积为43平方码（36平方米）的房子。他们发现，在建造三层楼房的柱子和横梁所需的混凝土中，他们可以用一次性尿布废料代替10%的沙子。在单层房屋中，这一比例增加到27%。在用于建造隔墙的砂浆方面，研究人员可以用纸尿裤垃圾替代多达40%的沙子。对于地板的形成和花园的铺设，9%的沙子可以被取代。他们发现，超过这些比例会导致混凝土不适合建筑。总的来说，研究人员发现，建造一栋楼面面积为36平方米的单层房屋所需的所有混凝土和砂浆结构中，有高达8%的沙子可以用一次性尿布垃圾代替。这相当于60立方英尺（1.7立方米）的废物。"这项研究得出的结论是，将用过的尿布添加到混凝土中并不会显著降低其强度，"该团队表示。"研究表明，使用尿布来制造复合材料是可行的，特别是关于开发环境友好和成本效益高的材料。"研究人员认为他们的一次性尿布混凝土在印度尼西亚创造住房之外还有广泛的应用。这很重要，因为一次性尿布是全球垃圾填埋场的第三大贡献者。在全球范围内，每年有超过180亿片一次性尿布最终被填埋。"关于本文的社会和经济优势，材料的开发可以从低到高的技术中获取，"他们说。"这些程序相对容易进行，而且成本低"。研究人员知道目前使用废尿布作为建筑材料的局限性。首先，它需要与废物处理设施接触，从家庭中收集废旧尿布并对其进行消毒。其次，需要大规模地使用粉碎废旧尿布的机器。尽管如此，这项研究强调了将不可降解的垃圾作为建筑材料的潜力，解决可持续性问题并提供低成本的住房。该研究发表在《科学报告》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1360569.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1360569.htm