一起來看看那些不按常理出牌的3D打印技術(shù)

隨著美國前總統(tǒng)奧巴馬對3D打印技術(shù)的提倡，這個行業(yè)如同旋風(fēng)一般掃過傳統(tǒng)工業(yè)。醫(yī)學(xué)，建筑，電子，航空機(jī)械等領(lǐng)域?qū)?D打印的探索項目如同雨后春筍。在百花齊放的環(huán)境下，幾乎每個月都有新的3D打印概念被提出，每個月都有新的3D打印機(jī)器被推出。今天我們要探討的并不是已經(jīng)風(fēng)靡業(yè)界的SLM或者Polyjet，而是那些比較冷門的概念。

ASTM (美國材料與試驗協(xié)會) 在2009 年10 月正式命名三維打印(3D Printing)為增材加工(Additive Manufacturing)。 無奈3DP是個很容易流行的詞，到如今業(yè)界還是順口叫3DP。 我們常見的3D打印機(jī)都是打印塑料，金屬以及陶瓷材料。當(dāng)然，生物打印，器官打印等也成了這些年的熱門。

科學(xué)家的腦洞永遠(yuǎn)是個黑洞，還真就有那么幾個不按照常理出牌的團(tuán)隊。在這篇我們重點(diǎn)介紹打印冰模型，打印紙模型，以及打印肉這三種概念。打印肉?真肉，真的牛肉羊肉豬肉，口味略重，最后介紹。 本文如果觸犯某些宗教信仰請見諒，這只是一篇耿直的學(xué)術(shù)報告。

1. 打印冰- 快速凍結(jié)原型機(jī)(Rapid Freeze Prototyping)。

此概念被密蘇里大學(xué)羅拉分校的Ming Leu博士提出。相比于常被用來做鑄造原型的石蠟或者塑料，冰顯然更環(huán)保。于是利用3D打印冰原型來制造鑄模成了一個誘人的主意。

在這里稍微科普下鑄造，首先做一個原型，一般是用石蠟或者塑料這種容易塑形的材料。其次，將沙粉或者陶瓷粉覆蓋到原型上(一般加入粘合劑)，直到定型。此過程一般稱作沙模 (sand casting)或者脫蠟(investment casting)法。最后，通過加熱固化模具，同時抽離鑄模。

如下圖1所示，快速凍結(jié)原型機(jī)利用一個準(zhǔn)確定位噴頭將水一層一層的撒到冷卻臺上， 液體水快速轉(zhuǎn)化為固體，形成一個晶瑩剔透的原型。這并不是簡單的灑水，科學(xué)家們花了大量的時間研究了熱力學(xué)原理，以及水的固液態(tài)轉(zhuǎn)化過程，才準(zhǔn)確的定義了水滴的大小，噴水的速度，以及冷卻溫度等。

圖1：快速凍結(jié)原型機(jī)的工作原理。 摘自文獻(xiàn)1.

夢想：(1)3D打印的冰原型可以被用來制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄模原型，天然無污染成本低易脫模。
(2)它也可以制作醫(yī)療用的透明模型， 方便手術(shù)團(tuán)隊觀察探討內(nèi)部細(xì)節(jié)，更好的完成手術(shù)計劃。
(3)它可以以極低的成本打印漂亮的冰晶模型，比如婚禮上打印一對漂亮的冰晶天鵝，冰晶新人雕塑。以低廉的價格享受水晶的奢華。

現(xiàn)實：
(1)在室溫下，制作鑄模的材料顆粒尚未附著上冰原型，微小的冰結(jié)構(gòu)自己就融化了。除非去零下的冷凍室完成沙粉或者陶瓷粉的覆蓋。問題是，溫度越低，這些沙粉或者陶瓷粉的粘合劑流動性越差，很難附著在模型表面。
(2)想要使用醫(yī)用冰模型，醫(yī)生必須不怕冷，能在冷凍室拿著冰模型跟工作人員討論手術(shù)細(xì)節(jié)。
(3)美麗的冰晶造型只限冬天在零下的環(huán)境下結(jié)婚的人，為了這冰雕，酒店暖氣都得關(guān)掉。除非你能請來冰雪女王Elsa。

評論：就環(huán)保來說，前景還是美好的。他們團(tuán)隊最近還研究出了用糖溶液來做可溶解支撐的技術(shù)，堅持環(huán)保。 我們的大東北或者我們在西伯利亞的鄰居可以用快速凍結(jié)原型機(jī)打印門口的獅子，柵欄，雕塑。不負(fù)責(zé)的推薦，哈爾濱有關(guān)單位可以考慮買幾臺，打印冬天店外的各種冰晶展品，打印一個冰雪小世界。

2. 打印紙- 選擇性紙層積累打印(Selective Deposition Lamination)

Mcor technologies公司在2003年推出了這個紙層積累打印機(jī)。此打印機(jī)是利用一個激光刀在鍍了一層黏膠的紙長上切出每一層的形狀，然后反復(fù)疊加得到最終的3D模型。他們宣稱能打印出100萬種顏色，像素在 5760 x 1440 x 508 dpi 的部件。 圖2解釋了選擇性紙層積累打印的工作原理。

圖2：選擇性紙層積累打印的工作原理

此機(jī)器的工作原理很簡單：鋪一層紙，用激光刀切出這層的形狀;加熱溶解紙上的膠水，兩層緊緊的粘合在一起。是不是想到了我們小學(xué)的手工作業(yè)?

然而，他們是如何打印出顏色的呢?不要吃驚，他們用的是一個Epson的2D彩色打印機(jī)!有顏色設(shè)計的那層紙用彩色打印機(jī)印上顏色，然后鋪過去切。

夢想：
(1)鑒于目前市場打印機(jī)使用的材料限制，顏色比較單一。選擇性紙層積累打印機(jī)能打印出顏色極其豐富的模型。比如飯館用來展示菜品的紙?zhí)O果，紙香蕉，紙面條，紙碗;用來裝飾的紙燈罩，紙餐巾紙盒，等。
(2)環(huán)保，紙的廢料可以再用來做紙，無限循環(huán)。(3)安全，紙無毒無害，　可安全觸摸。

現(xiàn)實： 明明花幾十塊錢就能買到或者定做到各種顏色豐富，無毒，可觸摸的石膏或者塑料的制品，為何要花大價錢，花功夫弄一個打印機(jī)去做呢? 可能我的環(huán)保意識還不夠。

評論： Mcor還不是唯一賣這個打印機(jī)的。有一家叫Cubic Technologies 也推出了一款類似的產(chǎn)品。 試想一下，如果花幾十歐元打印一個心形的印著女朋友名字的模型，在情人節(jié)那天送給她，會不會被打死呢?忘了提醒，一個等比例打印的紙?zhí)O果售價約為二十多歐元。

3. 打印肉- 3D打印肉(3D bioprintsteak/meat)

本文最重口味最可怕的部分來了，打印肉!WHAT! 打印肉?作為一個吃貨，看到這個概念機(jī)的時候，我的內(nèi)心是顫抖的，是害怕的。3D 生物打印(3D bioprint)Modern Meadow公司一直專注于3D打印可供人類食用的肉類以及動物皮革。

2013年，Modern Meadow公司的CEO Andreas Forgacs 的一個會議上提出了打印肉產(chǎn)品這個概念。Forgacs提出，人類花費(fèi)了大量的資源在肉食品上。譬如一塊牛排就要消耗人力，飼料，水，土地，運(yùn)輸?shù)龋?養(yǎng)殖過程中還產(chǎn)生大量的溫室氣體(二氧化碳)。吃肉造成了如此大的資源消耗，這對我們的地球是一個很大的負(fù)擔(dān)。因此，我們應(yīng)該發(fā)展3D打印肉制品，保護(hù)環(huán)境。(對不起， 沒想到吃肉就造成了這么多的麻煩。)

2014年李嘉誠先生投資千萬美元給Modern Meadow可謂是一時熱門。2015年，著名石油大王洛克菲勒的繼承人賈斯丁-洛克菲勒 (Justin Rockefeller)也對Modern Meadow進(jìn)行了一次數(shù)目不明的投資。賈斯汀甚至成了Modern Meadow生產(chǎn)的3D打印牛排的粉絲之一�！拔乙呀�(jīng)吃了3D打印的牛排，它的味道像咸牛肉片，很美味。”

那么，3D打印肉的原理是什么呢?

圖3： 3D 打印肉流程示意圖

首先，提取豬身上的細(xì)胞，利用3D 打印技術(shù)完美的模擬出肉組織細(xì)胞的分布結(jié)構(gòu)。比如，肉中的軟骨支架，血管，不同部位不同類型的細(xì)胞分布等。

其次，3D打印的微型細(xì)胞結(jié)構(gòu)，在模擬的跟動物身上完全一樣的環(huán)境下，進(jìn)行自然分化(這樣欺騙細(xì)胞真的好嗎?)。例如，五花肉細(xì)胞就完全模擬五花肉的受力情況以及結(jié)構(gòu)。最后，微型細(xì)胞結(jié)構(gòu)開始從肉細(xì)胞長成肉塊，成熟后直接做成香腸，肉排等。想吃五花肉就打印五花肉的結(jié)構(gòu)，肥瘦相間，完美五層。想吃豬腳就打印豬腳，從此還省了啃骨頭的苦工。是不是很方便，是不是很環(huán)保?從此養(yǎng)殖戶屠宰場成歷史。

最近，打印肉的概念還掀起了一輪道德議論。我們既然可以用豬肉細(xì)胞打印豬肉，那是否可以創(chuàng)造新的肉? 比如用牛的細(xì)胞豬的組織結(jié)構(gòu)，制造出來的是不是就變成牛肉味的五花肉呢?更恐怖一點(diǎn)，人肉是否也變成了餐桌上的一種選擇呢?對于素食者來說，他們提倡保護(hù)動物善待生命，那么是否也應(yīng)該保護(hù)動物細(xì)胞?還是開始吃3D打印的肉呢? 細(xì)胞是個有生命的寶寶還是無生命的物體?

這些道德探討就交給那些道德家。對于我們普通大眾，最關(guān)心的莫過于，3D打印肉會不會像轉(zhuǎn)基因食品一樣偷偷的包抄我們的餐桌?據(jù)Andreas Forgacs, 也就是Modern Meadow公司的CEO估計，一磅3D打印肉的成本高達(dá)數(shù)千美元。所以，至少最近這十年一般人是吃不起的。反向來說，如果生物3D打印技術(shù)能進(jìn)步到打印肉跟真的動物肉價格差不多，那么，可移植的器官打印還會遠(yuǎn)嗎?最后，Modern Meadow公司已經(jīng)開始在美國各大城市開放試吃3D打印肉的活動。

備注：其實生物打印最先的概念是利用細(xì)胞分化打印人體可移植器官，用來幫助那些需要器官移植的病人。最新的研究報道中，有科學(xué)家成功打印了兔子的軟骨并完成了移植手術(shù)。這項技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的價值不可估量。換個方向，如果能大批量的打印毛皮，象牙等，人類對瀕危野生動物的偷獵情況是否能有所改善?

來源：材料牛  
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