红树林仿生学教授如何改善海岸屏障

作为一名研究“建筑生态学”的研究生，我第一次被红树林勤劳背后的建筑方面所吸引。红树林是唯一能在咸水中茁壮成长并维持如此丰富多样栖息地的树木。

相比之下，人造海岸屏障的复原力要弱得多。它们也不环保、不美观，而且造价昂贵。因此，我把我的研究重点放在设计一个受红树林启发的海岸建筑上——一个在形式和功能上都能仿生学红树林的建筑。

后来，在佛罗里达大西洋大学(FAU)任教时，我在海洋和机械工程系发现了同样有灵感的研究人员——奥斯卡·库雷特(Oscar curret)和阿米尔霍斯罗·卡泽米(Amirkhosro Kazemi)。我们开始探索根系是如何与周围的液体相互作用并作出反应的。

解决海岸侵蚀问题的根源

使用计算流体动力学模拟，我们能够可视化不同斑块配置对湍流(尾迹)流动的影响。

红树林如何保护免受海岸侵蚀

通过观察几个流动结构参数，包括涡度(旋转)和湍流动能，我们观察到水通过斑块的容易程度(“孔隙度”)显著影响下游流动。

ANSYS Fluent涡度(左)和湍流动能(右)模拟

斑块的密度越小，孔隙越大，斑块后面的涡度和湍流能量就越弱。水流旋转决定沉积物是被携带(低涡度)还是被沉积(高涡度)到下游。

湍流是泥沙运动起始的关键因素。

两者都会影响根部周围沉积物的积累，从而使树木与海平面同步上升。

在佛罗里达海岸应用仿生学

我与生态学家、生物学家、工程师和承包商合作，探索了沿佛罗里达海岸安装圆柱形结构的方法。

用类似红树林的面板改造海堤

由于市政、州和联邦法律禁止许多地方的财产扩展，我们不能安装开放水域的独立式结构。然而，法规确实允许修改海堤:我们可以在现有的海堤上安装汽缸。

经过几次迭代，我们的设计演变成具有根状投影的混凝土面板。这些半灵活的“根”有内置的缝隙，促进水流，为栖息地的繁荣创造空间。

为了吸引附近的牡蛎，我们在混凝土混合物中加入了碎牡蛎壳。

结果表明，红树林的仿生学可能拯救佛罗里达海岸

我们将这些装置与面板附近的裸海堤和种植的红树林海岸线进行比较。结果将与沿海房主分享，以供未来的建设考虑。

而这仅仅是个开始。我们希望测试和建立根系结构，更接近地反映在红树林中发现的深水边缘和沼泽内陆条件。通过水动力模拟、波浪槽研究和物理原型，我们的目标是创建抗浪涌的海岸结构，使周围的水流减速。这将抑制侵蚀土壤或沙子的湍流能量，并重建海堤取代自然时失去的栖息地。

Oscar curret是佛罗里达大西洋大学的助理教授。他的研究得到了美国国家科学基金会(NSF)和海军研究办公室(ONR)的资助。

Amirkhosro Kazemi是佛罗里达大西洋大学的博士后研究员。他关于红树林根系模型流体动力学的研究成果曾发表在《科学》、Phys.org、EurekAlert和《科学日报》上。