頂級期刊《Science Advances》：利用聲波一次成型，制造復(fù)雜的幾何3D形狀

導(dǎo)讀：聲波在與物質(zhì)相互作用時能夠產(chǎn)生作用力。因此，在三維空間中精確地塑造超聲場可以控制力，并能夠控制材料落到適當(dāng)?shù)奈恢�，從而有可能一次成型整個三維物體，不用層層累計，這加快了3D打印的速度，特別是生物制造，因為傳統(tǒng)的方法通常很慢，并對生物細(xì)胞施加機(jī)械或化學(xué)壓力。



2023年2月，南極熊獲悉，來自馬克斯普朗克醫(yī)學(xué)研究所和海德堡大學(xué)的研究者在《Science Advances》期刊上發(fā)表了題為《Compact holographic sound fields enable rapid one-step assembly of matter in 3D》（《緊湊的全息聲場使物質(zhì)的一次成型成為可能》）的文章。在研究中，它們利用了聲波進(jìn)行制造，無需接觸即可進(jìn)行打印，并控制聲波制造了復(fù)雜的幾何3D形狀。



在研究中，研究人員實現(xiàn)了緊湊的全息超聲場的生成，并展示了利用聲學(xué)作用力對物質(zhì)進(jìn)行一步式組裝。他們結(jié)合了多個全息場，驅(qū)動固體微粒子、水凝膠珠和生物細(xì)胞在標(biāo)準(zhǔn)實驗器皿內(nèi)的無接觸組裝。這些結(jié)構(gòu)可以通過周圍介質(zhì)的凝膠化而被固定。與以前的工作相比，這種方法不需要對立的波、支撐面或支架。研究者表示，全息超聲場在組織工程和增材制造中的應(yīng)用前景廣闊。


△形成緊湊的聲學(xué)三維壓力圖像的概念

根據(jù)該研究的主要作者Kai Melde 的說法，將這項技術(shù)用于在“生物細(xì)胞的組裝”種具有巨大的潛力，因為超聲波溫和且對細(xì)胞無毒，并且無需接觸的遠(yuǎn)程組裝有助于保持無菌，并且保持細(xì)胞活性�！边^去的打印活性組織的方法并不理想，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。所以研究者們積極探索了各種非接觸方式組裝粒子并探索各種領(lǐng)域，在經(jīng)歷了光、磁鑷子、電場的研究后，最終選擇了聲場。


△用超聲波在三維的指定點誘捕硅膠微球。

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)：揚聲器的刺耳聲音會對身體施加一種力，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)可以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)雜的研究。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：“3D 計算的一個問題是，當(dāng)使用三維時，內(nèi)存需求會迅速增加，然后，最重要的是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)，他們利用 GPU 加速，這是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。團(tuán)隊成員 Heiner Kremer 說：“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，需要提出全新的算法�！�

計算完成后，就該“打印”對象了。這是一個比較簡單的過程。他們專有的機(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)，真的），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，只是一次成型，而不是傳統(tǒng)的 3D 打印過程，需要很長時間。



Melde 實驗的最大尺寸是一個長約 20 毫米、直徑約 10 毫米的雙圈螺旋，可能看起來很小，僅比小拇指指骨大一點，但這已經(jīng)非常不容易了，因為這可能是邁向器官打印的第一步!

原文鏈接：DOI：10.1126/sciadv.adf6182