聲波3D打印：使用超聲波全息圖立即使物體具體化的新技術(shù)

2023年2月27日，南極熊獲悉，根據(jù)德國科學(xué)家最近取得的一項技術(shù)突破，他們開發(fā)出了一種使用超聲波全息圖立即使物體具體化的機(jī)器，這聽起來像是外星科技，但這不是科幻小說，而是現(xiàn)實。

△圖片：©Max Planck Society

馬克斯普朗克醫(yī)學(xué)研究所和海德堡大學(xué)本月發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的一項題為“Compact holographic sound fields enable rapid one-step assembly of matter in 3D”新研究探討了“非接觸式 3D 打印”的概念，以及如何使用它，特別是打印活體組織。傳統(tǒng)的 3D 打印是依賴于逐層添加物質(zhì)、將它們粘合直到最終得到一個終端物品的技術(shù)，而這種新形式的 3D 打印則是使用聲波來推動物質(zhì)，而無需物理接觸它。具體而言這些科學(xué)家取得的成就是找到了一種方法，可以使用這些聲波來構(gòu)建他們想要的任何 3D 形狀。

相關(guān)論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf6182

△照片：WolframScheible/© Max Planck Society

根據(jù)該研究的主要作者Kai Melde 的說法，將這項技術(shù)用于“生物細(xì)胞的組裝”方面具有巨大的潛力，他解釋道：“超聲波溫和且對細(xì)胞無毒，并且無需接觸的遠(yuǎn)程組裝有助于保持無菌狀態(tài)，并且對細(xì)胞也很溫和無害�！�

△照片：WolframScheible/© Max Planck Society

這項研究認(rèn)為傳統(tǒng)方法打印活體組織的效果并不理想，因為它們速度慢，并且會對生物細(xì)胞施加機(jī)械或化學(xué)應(yīng)力。研究人員表示：“幾年前，我們想知道如何以非接觸方式組裝粒子并探索各種領(lǐng)域�！睘榇耍�研究團(tuán)隊嘗試了一切新方法：，包括像光、磁鑷子、電場，最后是聲場。

△圖片：©Max Planck Society

如果您曾經(jīng)去過音樂會舞臺，您就會知道聲音會影響物理物質(zhì)：揚(yáng)聲器的刺耳聲音會對您自己的身體施加一種力，有時力大到讓您喘不過氣來。在實驗室里，在 Melde 的團(tuán)隊開始他們的工作之前，超聲聲場已經(jīng)在以簡單的方式操縱微小物質(zhì)，將粒子組織在一個點周圍或排列成直線。當(dāng)研究人員想到使用全息圖在 3D 空間中塑造物體時，他們靈光一現(xiàn)。但是，全息圖不是由光制成的，而是由超聲波制成的。將聲波想象成無形的手在沒有實際接觸的情況下塑造物質(zhì)。這些聲音全息圖是有效的模具，可以制作成任何需要的形狀。

Melde 解釋說，這是一項相當(dāng)復(fù)雜的成就。根據(jù) Melde 的說法，創(chuàng)建 3D 形狀需要使用多個全息場，這些場相互分層并相互作用。計算全息圖形狀所需的算法非常復(fù)雜，需要大量的計算能力。他說：“3D 計算的一個問題是，當(dāng)你添加三維時，內(nèi)存需求會迅速增加。然后，最重要的是你需要計算整個體積的波場，這個過程需要通過優(yōu)化過程一次又一次地重復(fù)�！�

為了解決這一計算挑戰(zhàn)，他們求助于 GPU 加速——游戲卡中用于渲染逼真的復(fù)雜 3D 世界的處理器——以及 Google 的TensorFlow，這是最流行的機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能軟件。根據(jù)編寫所有所需計算魔法的團(tuán)隊成員 HeinerKremer 的說法：“將整個 3D 對象數(shù)字化為超聲全息圖場在計算上要求非常高，需要我們提出新的計算例程�！�

△照片：Wolfram Scheible/© Max Planck Society

計算完成后，就輪到打印產(chǎn)品了，這是一個比較簡單的過程。他們使用專有的機(jī)器將超聲波場發(fā)射到實驗室培養(yǎng)皿中，塑造懸浮在液體中的生物細(xì)胞（或任何微觀物質(zhì)），液體為細(xì)胞提供營養(yǎng)，使它們保持活力。令人驚奇的是，這是一個單一的步驟：對象只是一次成型，而不是傳統(tǒng)的 3D 打印過程，后者需要很長時間。

△圖片：©Max Planck Society

Melde 表示，他們實驗中所打印最大尺寸的物品是一個長約 20 毫米、直徑約 10 毫米的雙圈螺旋。這可能看起來很小，不比你的小拇指指骨大，但它非常不尋常。這可能是邁向我們可以安全地對器官進(jìn)行生物打印的未來的第一步，這是曾幾何時感覺無法實現(xiàn)的夢想之一。”但也正如科幻作家羅伯特·A·海因萊因(RobertA. Heinlein)曾經(jīng)說過的那樣：一切建立在理論上的說法都是不現(xiàn)實的，直到它被完成才有意義。