顶级期刊《Science Advances》：利用声波一次成型，制造复杂的几何3D形状

时间：2023-02-28 10:50 来源：南极熊作者：admin 阅读：次

导读：声波在与物质相互作用时能够产生作用力。因此，在三维空间中精确地塑造超声场可以控制力，并能够控制材料落到适当的位置，从而有可能一次成型整个三维物体，不用层层累计，这加快了3D打印的速度，特别是生物制造，因为传统的方法通常很慢，并对生物细胞施加机械或化学压力。

2023年2月，来自马克斯普朗克医学研究所和海德堡大学的研究者在《Science Advances》期刊上发表了题为《Compact holographic sound fields enable rapid one-step assembly of matter in 3D》（《紧凑的全息声场使物质的一次成型成为可能》）的文章。在研究中，它们利用了声波进行制造，无需接触即可进行打印，并控制声波制造了复杂的几何3D形状。

在研究中，研究人员实现了紧凑的全息超声场的生成，并展示了利用声学作用力对物质进行一步式组装。他们结合了多个全息场，驱动固体微粒子、水凝胶珠和生物细胞在标准实验器皿内的无接触组装。这些结构可以通过周围介质的凝胶化而被固定。与以前的工作相比，这种方法不需要对立的波、支撑面或支架。研究者表示，全息超声场在组织工程和增材制造中的应用前景广阔。

△形成紧凑的声学三维压力图像的概念

根据该研究的主要作者Kai Melde 的说法，将这项技术用于在“生物细胞的组装”种具有巨大的潜力，因为超声波温和且对细胞无毒，并且无需接触的远程组装有助于保持无菌，并且保持细胞活性。”过去的打印活性组织的方法并不理想，因为它们速度慢，并且会对生物细胞施加机械或化学应力。所以研究者们积极探索了各种非接触方式组装粒子并探索各种领域，在经历了光、磁镊子、电场的研究后，最终选择了声场。

△用超声波在三维的指定点诱捕硅胶微球。

如果您曾经去过音乐会舞台，您就会知道声音会影响物理物质：扬声器的刺耳声音会对身体施加一种力，有时力大到让您喘不过气来。在实验室里，在 Melde 的团队开始他们的工作之前，超声声场已经可以以简单的方式操纵微小物质，将粒子组织在一个点周围或排列成直线。当研究人员想到使用全息图在 3D 空间中塑造物体时，他们灵光一现。但是，全息图不是由光制成的，而是由超声波制成的。将声波想象成无形的手在没有实际接触的情况下塑造物质，这些声音全息图是有效的模具，可以制作成任何需要的形状。

Melde 解释说，这是一项相当复杂的研究。根据 Melde 的说法，创建3D形状需要使用多个全息场，这些场相互分层并相互作用。计算全息图形状所需的算法非常复杂，需要大量的计算能力：“3D 计算的一个问题是，当使用三维时，内存需求会迅速增加，然后，最重要的是需要计算整个体积的波场，这个过程需要通过优化过程一次又一次地重复。”

为了解决这一计算挑战，他们利用 GPU 加速，这是游戏卡中用于渲染逼真的复杂 3D 世界的处理器，以及 Google 的 TensorFlow，这是最流行的机器学习和人工智能软件。团队成员 Heiner Kremer 说：“将整个3D对象数字化为超声全息图场在计算上要求非常高，需要提出全新的算法。”
计算完成后，就该“打印”对象了。这是一个比较简单的过程。他们专有的机器将超声波场发射到实验室培养皿中，塑造悬浮在液体中的生物细胞（或任何微观物质，真的），液体为细胞提供营养，使它们保持活力。令人惊奇的是，这是一个单一的步骤，只是一次成型，而不是传统的 3D 打印过程，需要很长时间。

Melde 实验的最大尺寸是一个长约 20 毫米、直径约 10 毫米的双圈螺旋，可能看起来很小，仅比小拇指指骨大一点，但这已经非常不容易了，因为这可能是迈向器官打印的第一步!

原文链接：DOI：10.1126/sciadv.adf6182

(责任编辑：admin)

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