В свете глобальной проблемы сокращения выбросов углекислого газа и потребления энергии при регулировании микроклимата в помещениях учёные всё чаще изучают возможность применения природных материалов. В частности, в Штутгартском университете (Германия) обратили внимание на целлюлозу на биологической основе. Целлюлоза — это широкодоступный материал, который обладает гигроскопичностью и может использоваться в 4D-печати для имитации подвижных растительных структур в бислоях (бислои имитируют структуру и биологию клеточной мембраны).

Обычно чтобы архитектурные фасады зданий реагировали на погоду, нужны сложные технические приспособления. В университете обратились к природе, к изучению целлюлозы — это не только доступный, но и возобновляемый материал, который изменяет размеры в зависимости от влажности: набухает при высокой и сжимается при низкой. Это свойство, известное как гигроморфизм, наблюдается, например, при раскрытии и закрывании чешуек сосновых шишек. Команда использовала это свойство, создав специальные волокна из целлюлозы и напечатав двухслойную конструкцию, похожую на чешуйки. В итоге немецкие исследователи разработали инновационную систему оконных блоков Solar Gate («Солнечные ворота»), способную адаптироваться к изменчивой сезонной погоде.

При высокой влажности целлюлозные материалы впитывают влагу и расширяются, из-за чего напечатанные элементы скручиваются и раскрываются. И, наоборот, при низкой влажности целлюлозные материалы выделяют влагу и сжимаются, из-за чего напечатанные элементы распрямляются и закрываются. Помимо практического применения, фасад демонстрирует «эстетику движений растений».

Команда протестировала функциональность и долговечность биоинспирированной системы адаптивного затенения в реальных погодных условиях. Выяснилось, что блоки Solar Gate вполне хорошо регулируют и микроклимат в здании. Так, зимой элементы затенения, напечатанные на принтере, открываются, пропуская солнечный свет для естественного обогрева. Летом они закрываются, чтобы минимизировать солнечную радиацию. Этот адаптивный процесс, работающий исключительно за счёт суточных и сезонных погодных циклов, не требует электроэнергии.