在大約2000個公認的白蟻種類中，有些白蟻作為生態系統的工程師發揮著關鍵作用。由Amitermes、Macrotermes、Nasutitermes和Odontotermes等幾個白蟻屬建造的高達8米的巨大土丘，代表了全球最重要的一些生物形態。這些結構經過數千萬年的自然選擇，已經得到了磨練和完善。那麼，人類建築師和工程師如何能從研究這些勤勞的昆蟲中獲益？

發表在《材料前沿》上的一項突破性研究表明，我們可以從白蟻丘中學到寶貴的經驗，以便在我們的建築中創造舒適的室內氣候。令人振奮的是，這些技術有可能將通常與空調有關的碳足跡降至最低。

隆德大學生物數字物質研究小組的高級講師、該研究的第一作者David Andréen博士說：”這裡我們表明，’出口復合體’，即白蟻丘中發現的相互連接的隧道的複雜網絡，可以在人類建築中以新的方式促進空氣、熱量和水分的流動。”

印度班加羅爾的白蟻丘

Andréen和共同作者Rupert Soar博士，諾丁漢特倫特大學建築、設計和建築環境學院的副教授，研究了納米比亞的Macrotermes michaelseni白蟻丘。這個物種的殖民地可以由超過一百萬個個體組成。白蟻丘的核心是共生的真菌園，白蟻以這些真菌為食物。

研究人員把重點放在出口復合體上：一個密集的、格子狀的隧道網絡，寬度在3毫米到5毫米之間，將內部較寬的管道與外部相連。在雨季（11月至4月），當土丘正在生長時，這延伸到其朝北的表面，直接暴露在正午的陽光下。在這個季節之外，白蟻工人保持出口通道被封鎖。人們認為這種複合體可以使多餘的水分蒸發，同時保持足夠的通風。但它是如何工作的呢？

納米比亞沃特貝格的白蟻丘

Andréen和Soar探討了出口綜合體的佈局如何實現振盪或脈衝式流動。他們的實驗基於2005年2月從野外收集的一個出口復合體碎片的掃描和3D打印副本。這塊碎片有4厘米厚，體積為1.4升，其中16%是隧道。

他們用一個揚聲器鼓動空氣來模擬風，驅動二氧化碳-空氣混合物在碎片中振盪，同時用一個傳感器跟踪質量轉移。他們發現，氣流在30赫茲和40赫茲之間的振盪頻率下最大；在10赫茲和20赫茲之間的頻率下適中；而在50赫茲和120赫茲之間的頻率下最小。

研究人員得出結論，該建築群中的隧道與吹在土丘上的風相互作用，以加強空氣的質量轉移，從而實現通風。某些頻率的風振盪在內部產生湍流，其效果是將呼吸道氣體和多餘的水分從土丘的心臟地帶帶走。

“當給建築物通風時，你想保持內部產生的溫度和濕度的微妙平衡，而不妨礙陳舊空氣向外和新鮮空氣向內的流動。大多數暖通空調系統都在努力解決這個問題。在這裡，我們有一個結構化的界面，允許呼吸氣體的交換，只是由一側和另一側的濃度差異驅動。內部條件因此得以維持，”Soar解釋說。

Macrotermes michaelseni白蟻出口復合體的一個片段的三維掃描。資料來源：D. Andréen和R. Soar

然後，作者用一系列的二維模型模擬了出口復合體，這些模型的複雜性從直線隧道增加到格子。他們用一個電動馬達驅動一個擺動的水體（用染料使之可見）通過隧道，並拍攝了質量流。他們驚訝地發現，電機只需要來回移動空氣幾毫米（相當於微弱的風的振盪），退潮和流動就可以穿透整個建築群。重要的是，只有在佈局足夠格子化的情況下才會產生必要的湍流。

作者的結論是，在弱風下，出口復合體可以實現白蟻丘的風力通風。”我們想像未來的建築牆體，用粉末床打印機等新興技術製造，將包含與出口復合體類似的網絡。”Andréen說：”這些將使空氣的移動成為可能，通過嵌入式傳感器和執行器，只需要極少量的能量。”

Soar總結道：”只有當我們能夠設計出與自然界一樣複雜的結構時，建築規模的3D打印才有可能。出口綜合體是一個複雜結構的例子，它可以同時解決多個問題：保持我們室內的舒適度，同時調節呼吸道氣體和水分在建築圍護結構中的流動。”

“我們正處於向類似自然的建築過渡的邊緣：第一次有可能設計出真正有生命、會呼吸的建築”。

這項研究得到了工程和物理科學研究委員會、瑞典研究委員會和人類前沿科學計劃的資助。