ROBOTICALLY 3D PRINTED MYCELIUM-SOIL-COMPOSITES ROBOTISCH 3D GEDRUCKTE MYZELIUM-LEHM-KOMPOSITE

PLANNING

DESIGN

INFORMATION TRIAL REVISION

GROWTH

ERROR

KNOWLEDGE

Jan Hüls

freie BA WiSe 22/23

BA 22/23

ADDITIVE MANUFACTURING MYCELIAL EARTH PRINTING METHODS _______________________________ JAN HÜLS ITE _ TUBS NORMAN HACK JOSCHUA GOSSLAR NOOR KHADER I. EARTH 3D PRINTING USING ONE OF THE OLDEST CONSTRUCTION MATERIAL II. MYCELIUM MUSHROOM BIOLOGY II.I MYCELIAL GROWTH PARAMETERS OF GROWTH II.II MYCELIAL PROPERTIES REINFORCEMENT THERMAL INSULATION EROSION PROTECTION ACOUSTIC PANELS II.III PETRI DISHES II.IV FIBER CULTIVATION BAMBOO, MISCANTHUS, HEMP, COCONUT III. GRAIN MANUAL INTERVENTION GRAIN SPAWN PLACEMENT III.I SMALL BRICK III.II HAND-EXTRUSIONS III.III LARGE CYLINDER IV. LIQUID MYCELIAL INJECTION CULTIVATING LIQUID MYCELIUM DEVELOPING THE SETUP IV.I THE NOZZLE IV.II CONTROLLING THE FLOW RATE IV.II.I GRAVITATIONAL FORCE IV.II.II SYRINGE PUMP COMPUTATIONALLY CONTROLLED FLOW

BA 22/23

ADDITIVE FERTIGUNG MYZELE ERDDRUCKTECHNIKEN ______________________________________ JAN HÜLS ITE _ TUBS NORMAN HACK JOSCHUA GOSSLAR NOOR KHADER I. ERD 3D DRUCK VERWENDUNG EINES DER ÄLTESTEN MATERIALIEN II. MYZELIUM PILZ BIOLOGIE II.I MYZELES WACHSTUM PARAMETER DES WACHSTUMS II.II MYZELE EIGENSCHAFTEN BEWÄHRUNG THERMISCHE DÄMMUNG EROSIONSSCHUTZ AKUSTISCHE DÄMMUNG II.III PETRI SCHALEN II.IV FASER KULTIVIERUNG BAMBUS, MISCANTHUS, HANF, KOKOSNUSS III. PILZBRUT MANUELLE INTERVENTION PILZBRUT III.I KLEINE ZIEGEL III.II HANDEXTRUSIONEN III.III GROSSE ZYLINDER IV. INJEKTION VON FLÜSSIGMYZEL FLÜSSIGMYZEL KULTIVIERUNG ENTWICKLUNG DES SETUPS IV.I DIE DÜSE IV.II DIE DURCHFLUSSRATE IV.II.I GRAVITATION IV.II.II SPRITZEN PUMPE COMPUTERGESTEUERTE DURCHFLUSSRATE

BA 22/23

ADDITIVE MANUFACTURING MYCELIAL EARTH PRINTING METHODS _______________________________ JAN HÜLS ITE _ TUBS NORMAN HACK JOSCHUA GOSSLAR NOOR KHADER

V. GEOMETRY INFORMED GROWTH CONTROLLING MYCELIAL GROWTH THROUGH MOISTURE RETENTION CHAMBERS VI. MECHANICAL PROPERTIES VI.I COMPRESSION TEST PREPARATIONS FOR COMPRESSION TESTING VI.II THREE-POINT-BENDING-TEST PREPARATIONS FOR THREE-POINT-BENDING- TEST

VI.III EXECUTION OF THREE-POINT-BENDING- TEST VII. GEOMETRY EXPLORATION GRASSHOPPER EXPERIMENTATION VII.I PARAMETRIC WALL SEGMENT MULTI LAYERED WALL COMPONENT VII.II GROWTH ALGORITHM TIME BASED SURFACE MANIPULATION VIII. 3D PRINTED MYCELIAL SOIL BRIDGE DEVELOPING VARIATIONS OF A PRINTED SOIL BRIDGE IX. BIO POLYMERS EXPERIMENTATION WITH ALGAE BASED BIO-PLASTIC COMPOSITES X. CONCLUSIONS & FUTURE PERSPECTIVES

BA 22/23

ADDITIVE FERTIGUNG MYZELE ERDDRUCKTECHNIKEN ______________________________________ JAN HÜLS ITE _ TUBS NORMAN HACK JOSCHUA GOSSLAR NOOR KHADER

V. GEOMETRIE BESTIMMTES WACHSTUM KONTROLLE MYZELEN WACHSTUMS DURCH FEUCHTIGKEITSSPEICHERUNG IN KAMMERN VI. MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN VI.I DRUCKTEST VORBEREITUNG EINES DRUCKTESTS VI.II DREI-PUNKT-BIEGETEST VORBEREITUNGEN FÜR EINEN DREI-PUNKT- BIEGETEST VI.III AUSFÜHRUNG EINES DREI-PUNKT BIEGETESTS VII. GEOMETRIE ERFORSCHUNG GRASSHOPPER EXPERIMENTE VII.I PARAMETRISCHES WANDSEGMENT MEHRSCHICHTIGER WANDAUFBAU VII.II WACHSTUMSALGORITHMUS ZEIT BASIERTE OBERFLÄCHEN MANIPULATION VIII. 3D GEDRUCKTE MYZELE ERD BRÜCKE KONZIPIERUNG VON BRÜCKENGEOMETRIEN IX. BIOPOLYMERE EXPERIMENTE MIT ALGEN BASIERTEN BIOPLASTIK KOMPOSITEN X. FAZIT & ZUKUNFTSPERSPEKTIVEN

PROLOGUE

INTRODUCTION INTO MYCELIAL EARTH PRINTING

Jan Hüls

_EN

For thousands of years, humans have relied on nature to supply us with nutrition as well as materials for tools and shelter. One of the most widely available material resources is the soil we walk on. Easily manipulated and kneaded into shape, soils and sands are first introduced to us in our childhoods, building sandcastles and other structures, tearing them down and reshaping them. It‘s a natural process that seems to be within our inherent nature and curiosity as humans. Even today about a third of humankind lives in loam structures, in developing countries that number rises to more than half1. Loam can be found almost anywhere in the world and usually also occurs as a waste product of construction when digging out excavation pits. Ever since the industrial revolution we have strayed from the renewable materials that are locally accessible around us, and have instead turned to carbon emitting processes that have lead us down a dangerous road towards our current climate crisis. To combat long supply chains and processing cycles of materials, which both create carbon emissions, we ought to strive to use more locally sourced materials. As humans, we are in dire need to reconnect with old techniques and ways to manipulate materials and rejoin our place in the natural system as well as the lifecycles of the biological world around us. Since 2020 the anthropomass has surpassed all living biomass2. This is an alarming fact that should serve as

a reminder for us as architects to rethink the way we currently build. In comparison, the total amount of metal, asphalt, bricks and concrete at the start of the 20th century was only at about 3% of the total biomass. One rapidly growing field of architecture and construction that seeks to challenge the way we see our current way to build is Additive Manufacturing. Only with computational design and robotically aided construction are we able to create nature-like structures that are able to support organic biological growth of organisms in a multi species design approach. Researchers all around the world are finding ways to incorporate more organic or living matter into our current productions. That is why we are seeing more and more applications for biopolymers or other plant based materials. In the beginning of my thesis it was important to me to protect loam structures against the forces of nature, such as making them more resistant against erosion. Algae based biopolymers seemed to be a good initial starting point, as they are entirely renewable and compostable instead of recyclable. However during my research phase I also came across mycelial structures as replacements for styrofoams. This was very interesting to me, because we‘re dealing with a new area of research into living organism that can be gown on a sort of scaffolding structure, which ties in perfectly with the previously mentioned advantages of additive manufacturing.

PROLOG

EINLEITUNG IN MYZELE ERDDRUCKVERFAHREN

Jan Hüls

_DE

Seit Jahrtausenden verlässt sich die Menschheit auf die von der Natur bereitgestellte Nahrung und die Materialien für Werkzeuge und Unterkünfte. Eines der am weitesten verbreiteten Materialien ist der Erdboden auf dem wir gehen. Leicht zu bearbeiten und in Form zu kneten, treffen wir das erste mal in unserer Kindheit auf Erde und Sand beim spielerischen Bau, Abriss und Neubau von Sandburgen. Es handelt sich um einem natürlichen Prozess, der in unserer menschlichen Natur und Neugierde zu liegen scheint. Auch heute lebt ein Drittel der globalen Bevölkerung in Lehmbauten, in Entwicklungsländern sogar mehr als die Hälfte. Lehm ist fast überall aufzufinden und fällt häufig als Abfallprodukt beim Ausheben von Baugruben an. Seit dem Beginn der Industriellen Revolution sind wir von den natürlichen, erneuerbaren und lokalen Materialien abgewichen und wendeten uns stattdessen den Kohlenstoffdioxid freisetzenden Prozessen zu, die uns in unsere aktuelle Klimakrise führten. Um langen Versorgungsketten und Herstellungsprozessen entgegenzuwirken, die beide viele CO2 Emissionen freisetzen, sollten wir danach streben lokal gewonnene Materialien zu verwenden. Als Menschheit sind wir dringend gezwungen uns wieder alten Methoden und Techniken der Materialbearbeitung zuzuwenden und unseren ursprünglichen Platz in der natürlichen biologischen Umwelt einzunehmen. Seit 2020 hat die Anthropomasse die lebendige Biomasse auf unserem Planeten überschritten. Dabei handelt es sich um einen alarmierenden Fakt, der uns als Architekten ein Weckruf sein sollte unsere aktuellen

Bauweisen zu überdenken. Im Vergleich, die Gesamtmenge aller Metalle, Asphalte, Ziegel und Betone lag zu Beginn des 20. Jahrhunderts bei lediglich 3% der gesamten Biomasse. Ein schleunig Wachsender Sektor des Bauwesens, der Versucht unsere aktuellen Bauweisen zu überdenken, ist die Additive Fertigung. Nur mit computerbasiertem Design und robotischer Fertigung sind wir in der Lage naturhafte Strukturen zu entwerfen, die ein organisches und biologisches Wachstum von Organismen in einem Spezies übergreifenden Design Ansatz ermöglichen. Forscher auf der ganzen Welt sind aktuell interessiert daran Wege zu erkunden mehr organische und lebendige Stoffe in unsere gegenwärtigen Produktionen zu integrieren. Genau deshalb sehen wir heutzutage mehr und mehr Anwendungen für Biopolymere und pflanzliche Materialien. Zu Beginn meiner Thesis war es mir wichtig Lehmstrukturen gegen die Naturgewalten zu schützen, indem man sie beispielsweise erosionsresistenter macht. Algenbasierte Biopolymere scheinten mir als ein guter Anhaltspunkt für meine anfängliche Recherche, da sie komplett nachhaltig und kompostierbar statt recycelbar sind. Während meiner Recherche begegnete ich allerdings auch myzelen Strukturen, die als Styropor Ersatz verwendet werden. Dies weckte mein Interesse, da es sich um einen vergleichsweise neuen Forschungsbereich handelt, der sich mit lebendigen organischen Materialien auseinandersetzt, die auf einer Art Gerüst wachsen können, was die perfekte Verbindung zu den vorherigen Vorteilen der Additiven Fertigung bildet.

INTRODUCTION EINFÜHRUNG

3D PRINTED EARTH LEHM 3D DRUCK

Jan Hüls

_EN

Additive manufacturing in architecture is a rapidly developing field with more and more architectural offices starting to print full scale buildings3 in situ and researchers finding new ways to save material and carbon emissions in the process, as well as pushing the boundaries of what can actually be achieved by robotically aided construction methods. There have been a three early examples of printed buildings that were already completed in 2008-20104, however that number has slowly been increasing to an all time high in 2019 when 27 printed building projects were completed. In the following two years that number dropped, most likely due to the halt in production and supply chains, caused by the pandemic5. The amount of publications however has been growing almost exponentially6, proving the overall interest and curiosity in regards to this new way to build. As mentioned in the prologue, loam is a fantastic building material that can be locally sourced and requires little processing, therefore creating almost no carbon emissions. Loam is a mixture of sand, silt and clay with varying material compositions based on the location or source, meaning some adjusting and tuning of the components has to be done in order to have the same material properties with each print. The different components are categorized based on their particle size. Clay particles have a diameter of less than 0,002 mm, silt between 0,002 to 0,06 mm and sand 0,6-2 mm7. Larger components are categorized as gravel, which is not compatible with the earth printing process and therefore not relevant in the following experiments. Material Mix In the loam mixture clay serves as the binding agent with 33,1% Clay sand and silt acting as a matrix. Water makes the loam more 17,5% Water workable, however it decreases the green strength and the 26,7% Sand ( Drei-Punkt-Biegetest). Während bei einem gewöhnlichen Druckversuch solide Zylinder eines Materials verwendet werden, schien es für das Myzeliumwachstum von Vorteil einen hohlen Zylinder robotisch zu extrudieren. Dadurch wird dem Myzelium mehr Oberfläche zur Verfügung gestellt an der es mit Luft und Licht versorgt wird. Während Probe 1, der Lehm-Kontrollkörper, noch problemlos zu extrudieren war kam es bei Probe 2, dem Lehm-Agar-Zylinder bereits zu einigen Problemen. Schon die Zugabe von 0,95% Agar und einer Erhöhung des Wasseranteils von 17,9% auf 20,49% sorgte für eine zwar augenscheinlich ähnlich wirkende Materialmischung, die sich jedoch als nicht pumpbar erwies und mit fortschreitender Zeit immer fester wurde. Ein weiterer Versuch mehr Wasser zu der Mischung zu geben um diese erneut extrudierbar zu machen, blieb erfolglos. Das Experiment musste an dieser Stelle abgebrochen werden.

THREE-POINT BENDING TEST DREI-PUNKT-BIEGETEST

_EN

_DE

Additionally, the flexural strength is to be determined in a three-point bending test at the Institute of Building Materials, Concrete Construction and Fire Safety. Since this requires solid rectangular material samples dimensions of 40 x 40 x 160 millimeters, these dimensions were to be produced in a robotic extrusion. The goal was to examine the same material compositions that were to be examined in the compression tests (loam, loam + agar as well as loam + agar + mycelium). This is why these samples for the three-point bending test also proved unsuitable due to the same problems during their preparation. We did learn through this experiment that even the addition of 1% Agar adding a large amount of water is necessary to keep the material pumpable.

Auch die Biegefestigkeit des Materials soll in einem Drei-Punkt-Biegetest am Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz analysiert werden. Da hierbei meistens rechteckige Materialproben mit den Maßen 40 x 40 x 160 Millimetern verwendet werden, sollte dieses Maß mit einem robotischen Extrusionsverfahren produziert werden. Zu untersuchen waren die selben Materialmischungen, die auch als Grundlage für die Druckversuche gelten sollten (Lehm, Lehm + Agar sowie Lehm + Agar + Myzelium). Deshalb scheiterte leider auch die Vorbereitung der Materialproben für den Drei-Punkt-Biegetest. Wir können diesem Druckversuch entnehmen, dass bereits bei der Zugabe von 1% Agar deutlich mehr Wasser in die Mischung gegeben werden muss um das Material pumpbar zu machen.

Material Mix 33,1% Clay 17,5% Water 26,7% Sand (