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、多节、布满裂缝的珊瑚礁是海洋避难所和抵御暴风雨的天然缓冲区。但随着气候变化的影响导致世界各地的珊瑚礁白化和破坏，极端天气事件变得更加普遍，沿海社区越来越容易遭受频繁的洪水和侵蚀。

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——可持续的近海结构，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栖息地。

该团队的珊瑚礁设计以圆柱形结构为中心，周围有四个舵状板条。工程师发现，当这种结构抵抗波浪时，它可以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。研究小组计算出，新设计可以减少与现有人工鱼礁一样多的波浪能，但使用的材料却少了十倍。

研究人员计划用可持续水泥制造每个圆柱形结构，将其模制成可以自动组装的“体素”图案，并为鱼类探索和其他海洋生物提供栖息地。这些圆柱体可以连接起来形成一堵长的半透墙，工程师们可以沿着海岸线建造它，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，设计的珊瑚礁可以将传入波浪的能量减少 95% 以上。

“这就像一个长波浪破碎机，”机械工程系海洋科学与工程教授 Michael Triantafyllou 说。 “如果冲向这个珊瑚礁结构的波浪有 6 米高，那么在另一边最终波浪的高度将不到一米。因此，这消除了波浪的影响，从而可以防止侵蚀和洪水。”

今天发表在开放获取期刊 PNAS Nexus上的一项研究报告了建筑礁石设计的详细信息 。 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·奥伊拉·费兰迪斯和埃里克·斯特兰德;研究科学家 Patricia Maria Stathatou 和 Carolina Bastidas;以及比特和原子中心主任 Neil Gershenfeld 教授;与巴黎理工学院的 Alexis Oliveira Da Silva、西湖大学的 Dixia Fan 以及 Scinetics, Inc. 的 Jeffrey Gair Jr. 一起参与研究。

利用动荡

一些地区已经建立了人工鱼礁，以保护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、轮胎和石头的组装结构。然而，目前现有的人工鱼礁类型各不相同，并且没有设计此类结构的标准。更重要的是，所采用的设计往往具有每单位体积所用材料的低波耗散。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寻找设计人工鱼礁的方法，以更少的材料有效地消散波浪能，同时为生活在任何脆弱海岸的鱼类提供庇护所。

“请记住，天然珊瑚礁只存在于热带水域，”麻省理工学院海洋资助项目主任 Triantafyllou 说。 “例如，我们不能在马萨诸塞州拥有这些珊瑚礁。但人工珊瑚礁不依赖于温度，因此它们可以放置在任何水域中，以保护更多的沿海地区。”

这项新工作是麻省理工学院海洋格兰特研究人员和比特与原子中心(CBA)研究人员合作的结果，他们开发了珊瑚礁结构的流体动力学设计，他们致力于使该结构模块化并易于现场制造。该团队的建筑礁石设计源于两个看似无关的问题。 CBA 研究人员正在为航空航天工业开发超轻蜂窝结构，而 Sea Grant 研究人员正在评估海上石油结构防喷器的性能——用于密封油气井并防止泄漏的圆柱形阀门。

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，该结构在消散高压油气流方面似乎特别有效。他们想知道：同样的排列是否可以消散另一种类型的流动，即海浪中的流动?

研究人员开始研究水流模拟中的一般结构，调整其尺寸并添加某些元素，以观察波浪在撞击每个模拟设计时是否以及如何变化。这个迭代过程最终得到了优化的几何形状：一个垂直的圆柱体，两侧有四个长板条，每个板条都以一种方式连接到圆柱体上，为水流过最终的结构留出空间。他们发现这种设置本质上会分解任何传入的波浪能量，导致部分波浪引起的水流螺旋向两侧而不是向前冲撞。

“我们正在利用这种湍流和这些强大的喷射来最终消散波浪能，”费兰迪斯说。