生物計(jì)算與3D打印的結(jié)合：推動(dòng)未來(lái)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展

隨著人工智能軍備競(jìng)賽導(dǎo)致能源需求的不斷上升，計(jì)算需求的管理面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。每次查詢ChatGPT這樣的工具，成本已經(jīng)攀升至0.36美元，這促使行業(yè)加速探索新的計(jì)算模式。一方面，改進(jìn)數(shù)據(jù)中心的冷卻和熱量管理是亟需解決的課題；另一方面，優(yōu)化芯片或GPU以提高計(jì)算能力的利用效率也成為熱點(diǎn)。此外，光學(xué)和增材制造電子技術(shù)（AME）的突破，為全世界的計(jì)算技術(shù)進(jìn)步提供了新的動(dòng)力。



生物計(jì)算的崛起
“生物計(jì)算”或稱“濕件”技術(shù)，是一種創(chuàng)新的計(jì)算方法，它利用生物組織、神經(jīng)元或DNA來(lái)執(zhí)行計(jì)算任務(wù)。隨著對(duì)天然材料（例如蛋白質(zhì)）潛力的挖掘，生物計(jì)算在多種任務(wù)上的效率可能超過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算，并且在能耗方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。具體來(lái)說(shuō)，相較于傳統(tǒng)計(jì)算，生物計(jì)算所需的能量可僅為其百萬(wàn)分之一，從而為解決復(fù)雜計(jì)算任務(wù)提供了新的可能。

生物計(jì)算的基本原理在于利用生物體內(nèi)的自然過(guò)程。例如，類器官（水凝膠結(jié)構(gòu)）和其他生物結(jié)構(gòu)可能在某些任務(wù)上優(yōu)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。在這些系統(tǒng)中，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)改變化學(xué)物質(zhì)的濃度，或者通過(guò)生物力學(xué)機(jī)制改變形狀以展示結(jié)果，生物計(jì)算展現(xiàn)出從生物體中獲取信息和計(jì)算能力的巨大潛力。

3D打印與生物計(jì)算的深度結(jié)合
值得注意的是，3D打印技術(shù)在生物計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用正在不斷加強(qiáng)，尤其是在類器官的制造方面。類器官是從人體細(xì)胞培養(yǎng)而成的三維微型器官模型，結(jié)合3D打印技術(shù)，我們可以為其創(chuàng)造更加適宜的環(huán)境，以維持其活性并增強(qiáng)其性能。


△麥吉爾大學(xué)初創(chuàng)公司TissueTinker有望利用3D打印加速抗癌藥物研發(fā)

研究人員正在積極探索如何利用3D打印技術(shù)為類器官創(chuàng)造智能化的生態(tài)系統(tǒng)。例如，3D打印的水凝膠結(jié)構(gòu)能夠?yàn)轭惼鞴偬峁┲С趾捅Ｗo(hù)，同時(shí)允許液體和氣體有效流動(dòng)。通過(guò)這種方式，生物計(jì)算系統(tǒng)能夠在更穩(wěn)定的條件下運(yùn)行，提高實(shí)驗(yàn)效率。

此外，微流體設(shè)備借助3D打印技術(shù)的進(jìn)步，使得在類器官中有效傳輸營(yíng)養(yǎng)并維持適宜溫度成為可能。這種設(shè)備不僅可以加速類器官的生長(zhǎng)，還能夠?yàn)槠涮峁┍匦璧沫h(huán)境，確保計(jì)算能力的最大化。

例如，斯坦福大學(xué)最近開發(fā)了一個(gè)“可擴(kuò)展大腦皮層類器官平臺(tái)”，這是一個(gè)旨在推動(dòng)藥物研發(fā)的創(chuàng)新項(xiàng)目。通過(guò)結(jié)合3D打印技術(shù)，研究人員能夠在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行改變，進(jìn)行高效精確的藥物篩選和測(cè)試。這種靈活性進(jìn)一步印證了3D打印如何推動(dòng)生物計(jì)算和藥物研發(fā)交匯的前景。


△斯坦福大學(xué)的研究-Scalable production of human cortical organoids using a biocompatible polymer

3D打印在生物計(jì)算中的關(guān)鍵作用
對(duì)于3D打印愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，深度理解其在生物計(jì)算中的應(yīng)用至關(guān)重要。3D打印技術(shù)的靈活性和高效性，使其能夠以較低的成本和更短的時(shí)間來(lái)制造復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)。例如，科學(xué)家們已經(jīng)在研究如何使用3D打印構(gòu)建可以長(zhǎng)期支持類器官功能的支架，這對(duì)于提升類器官性能至關(guān)重要。這些支架不僅可以用來(lái)容納類器官，還能夠?qū)崿F(xiàn)脈管系統(tǒng)的優(yōu)化，以確保其在體內(nèi)功能的正常發(fā)揮。未來(lái)，3D打印將能夠改進(jìn)這些支架的設(shè)計(jì)，使其在運(yùn)輸和使用過(guò)程中更具可控性和穩(wěn)定性。

在制造過(guò)程中，3D打印的可能性遠(yuǎn)不止于此。通過(guò)不同的打印技術(shù)（例如FDM、SLA、選擇性激光燒結(jié)等），研究人員可以根據(jù)需要定制打印材料，實(shí)現(xiàn)最佳性能。這使得3D打印不僅可以用于創(chuàng)建生物計(jì)算設(shè)備，還可以制造生物傳感器等其他智能設(shè)備。



未來(lái)展望
隨著3D打印技術(shù)和生物計(jì)算的不斷發(fā)展，二者的結(jié)合為多個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇。在醫(yī)療行業(yè)，生物計(jì)算代表著一個(gè)新的高度，它將為精準(zhǔn)醫(yī)療、智能監(jiān)測(cè)以及新的人機(jī)交互方式提供創(chuàng)新解決方案。利用生物計(jì)算設(shè)備，醫(yī)生可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病人的生理信號(hào)，識(shí)別潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)，從而采取更加及時(shí)和有效的干預(yù)措施。

在這樣一個(gè)充滿機(jī)遇的背景下，我們也同樣面對(duì)倫理和技術(shù)等多方面的挑戰(zhàn)。例如，在處理干細(xì)胞和其他生物材料的利用時(shí)，如何確保倫理合規(guī)和技術(shù)安全，將是行業(yè)內(nèi)的關(guān)鍵議題。只有有效解決這些挑戰(zhàn)，才能充分發(fā)掘3D打印與生物計(jì)算結(jié)合的巨大潛力。

南極熊點(diǎn)評(píng)
總之，生物計(jì)算與3D打印的結(jié)合開辟了全新的可能性，這場(chǎng)技術(shù)結(jié)合能夠推動(dòng)醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步，解決許多復(fù)雜的科學(xué)問(wèn)題提供工具。期待未來(lái)能夠在生物計(jì)算與藥物研發(fā)、智能監(jiān)測(cè)甚至是個(gè)性化醫(yī)療中，看到3D打印發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。