麻省理工学院工程师设计的人工鱼礁可以保护海洋生物，减少风暴破坏

热带岛屿周围美丽、崎岖、蜿蜒曲折的珊瑚礁是海洋避难所和抵御暴风雨的天然缓冲区。但是，随着气候变化的影响漂白和破坏世界各地的珊瑚礁，极端天气事件变得越来越普遍，沿海社区越来越容易受到频繁的洪水和侵蚀的影响。

麻省理工学院的一个团队现在希望用“建筑”珊瑚礁来加固海岸线——可持续的海上结构，旨在模仿天然珊瑚礁的波浪缓冲效应，同时也为鱼类和其他海洋生物提供口袋。

该团队的珊瑚礁设计以圆柱形结构为中心，周围环绕着四个方向舵状板条。工程师们发现，当这种结构对抗波浪时，它会有效地将波浪分解成湍流射流，最终消散波浪的大部分总能量。该团队计算出，新设计可以减少与现有人工鱼礁一样多的波浪能，使用的材料少10倍。

研究人员计划用可持续水泥制造每个圆柱形结构，他们将将其塑造成可以自动组装的“体素”图案，并为鱼类探索和其他海洋生物提供定居点。这些圆柱体可以连接起来形成一堵长长的半透水墙，工程师可以沿着海岸线竖立，距离海岸约半英里。根据该团队对实验室规模原型的初步实验，建筑珊瑚礁可以将入射波的能量减少95%以上。

“这就像一个漫长的破浪者，”机械工程系海洋科学与工程系Henry L.和Grace Doherty教授Michael Triantafyllou说。“如果海浪有6米高，冲向这个珊瑚礁结构，那么它们在另一边的高度最终将不到一米高。因此，这消除了海浪的影响，可以防止侵蚀和洪水。

今天，在开放获取期刊 PNAS Nexus上发表的一项研究中报道了建筑珊瑚礁设计的细节。Triantafyllou 的麻省理工学院合著者是 Edvard Ronglan SM ’23;研究生阿方索·帕拉·卢比奥、何塞·德尔·阿吉拉·费兰迪斯和埃里克·斯特兰德;研究科学家帕特里夏·玛丽亚·斯塔塔图（Patricia Maria Stathatou）和卡罗莱纳·巴斯蒂达斯（Carolina Bastidas）;以及比特和原子中心主任Neil Gershenfeld教授;以及巴黎理工学院的亚历克西斯·奥利维拉·达席尔瓦、西湖大学的范迪克夏和Scinetics， Inc.的Jeffrey Gair Jr.。

利用湍流

一些地区已经建立了人工鱼礁，以保护其海岸线免受风暴的侵袭。这些结构通常是沉船、退役的石油和天然气平台，甚至是混凝土、金属、轮胎和石头的组装配置。然而，目前存在的人工鱼礁类型存在差异，并且没有设计此类结构的标准。更重要的是，所部署的设计往往具有每单位体积材料的低波耗散。也就是说，需要大量的材料才能分解足够的波浪能来充分保护沿海社区。

相反，麻省理工学院的团队正在寻找一种人造鱼礁的方法，该人工礁石可以用更少的材料有效地消散波浪能，同时也为生活在任何脆弱海岸的鱼类提供避难所。

“请记住，天然珊瑚礁只存在于热带水域，”麻省理工学院海洋基金主任Triantafyllou说。“例如，在马萨诸塞州，我们不能拥有这些珊瑚礁。但建筑珊瑚礁不依赖于温度，因此它们可以放置在任何水中，以保护更多的沿海地区。

这项新努力是麻省理工学院海洋格兰特的研究人员合作的结果，他们开发了珊瑚礁结构的水动力设计，以及比特和原子中心（CBA）的研究人员，他们致力于使结构模块化且易于现场制造。该团队的建筑珊瑚礁设计源于两个看似不相关的问题。CBA研究人员正在为航空航天业开发超轻型蜂窝结构，而Sea Grant研究人员正在评估海上石油结构中防喷器的性能 – 用于密封油气井并防止其泄漏的圆柱形阀门。

该团队的测试表明，该结构的圆柱形排列产生了大量的阻力。换句话说，该结构似乎在消散高强度的石油和天然气流方面特别有效。他们想知道：同样的安排能否在海浪中消散另一种类型的水流？

研究人员开始在模拟水流时玩弄一般结构，调整其尺寸并添加某些元素，以查看波浪在撞击每个模拟设计时是否以及如何变化。这个迭代过程最终落在了一个优化的几何形状上：一个垂直的圆柱体，两侧是四个长板条，每个板条都以一种为水流过最终结构留出空间的方式连接到圆柱体上。他们发现这种设置基本上分解了任何传入的波浪能量，导致部分波浪引起的流动向两侧螺旋而不是向前碰撞。

“我们正在利用这种湍流和这些强大的喷气机来最终消散波浪能，”费兰迪斯说。

经受住暴风雨的考验

一旦研究人员确定了最佳的消波结构，他们就制造了一个实验室规模的建筑珊瑚礁，该珊瑚礁由一系列圆柱形结构制成，他们用塑料3D打印。每个测试圆柱体的宽度约为 1 英尺，高约 4 英尺。他们组装了许多圆柱体，每个圆柱体相距约一英尺，形成一个类似栅栏的结构，然后将其放入麻省理工学院的波浪罐中。然后，他们产生了不同高度的波浪，并在穿过建筑珊瑚礁之前和之后对其进行了测量。

“我们看到海浪大幅减少，因为珊瑚礁破坏了它们的能量，”Triantafyllou说。

该团队还研究了使结构更加多孔，对鱼类友好。他们发现，与其用实心塑料板制造每个结构，不如使用更实惠和可持续的水泥类型。

“我们已经与生物学家合作测试了我们打算使用的水泥，它对钓鱼是良性的，并且已经准备好了，”他补充道。

他们确定了一种理想的“体素”或微观结构模式，可以将水泥塑造成这种模式，以便制造珊瑚礁，同时创造鱼类可以生存的口袋。这种体素几何形状类似于单个鸡蛋盒，首尾相连，似乎不会影响结构的整体耗波能力。

“这些体素仍然保持着很大的阻力，同时允许鱼在里面移动，”费兰迪斯说。

该团队目前正在制造水泥体素结构，并将它们组装成实验室规模的建筑珊瑚礁，他们将在各种波浪条件下进行测试。他们设想体素设计可以是模块化的，并可扩展到任何所需的尺寸，并且易于在各种海上位置运输和安装。“现在我们正在模拟实际的海洋模式，并测试这些模型在我们最终必须部署它们时的表现，”麻省理工学院的研究生Anjali Sinha说，他最近加入了该小组。

展望未来，该团队希望与马萨诸塞州的海滩城镇合作，以试点规模测试这些结构。

“这些测试结构不会很小，”Triantafyllou强调说。“它们大约有一英里长，大约5米高，每英里的成本约为600万美元。所以它并不便宜。但它可以防止数十亿美元的风暴损失。随着气候变化，保护海岸将成为一个大问题。

这项工作部分由美国国防高级研究计划局资助。