頂級(jí)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(shí)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)奈恢茫瑥亩�有可能一次成型整個(gè)三維物體,，不用層層累計(jì),，這加快了3D打印的速度，特別是生物制造,，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的方法通常很慢,，并對(duì)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(shí)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(duì)物質(zhì)進(jìn)行一步式組裝,。他們結(jié)合了多個(gè)全息場,，驅(qū)動(dòng)固體微粒子、水凝膠珠和生物細(xì)胞在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(xiàng)技術(shù)用于在“生物細(xì)胞的組裝”種具有巨大的潛力，因?yàn)槌�聲波溫和且�?duì)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?yàn)樗鼈兯俣嚷�，并且�?huì)對(duì)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(diǎn)誘捕硅膠微球,。

如果您曾經(jīng)去過音樂會(huì)舞臺(tái),，您就會(huì)知道聲音會(huì)影響物理物質(zhì)：揚(yáng)聲器的刺耳聲音會(huì)對(duì)身體施加一種力，有時(shí)力大到讓您喘不過氣來,。在實(shí)驗(yàn)室里,，在 Melde 的團(tuán)隊(duì)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(gè)點(diǎn)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(shí)，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(shí)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(xiàng)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(gè)全息場,，這些場相互分層并相互作用。計(jì)算全息圖形狀所需的算法非常復(fù)雜,，需要大量的計(jì)算能力：“3D 計(jì)算的一個(gè)問題是,，當(dāng)使用三維時(shí)，內(nèi)存需求會(huì)迅速增加,，然后,，最重要的是需要計(jì)算整個(gè)體積的波場，這個(gè)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(jì)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(duì)成員 Heiner Kremer 說：“將整個(gè)3D對(duì)象數(shù)字化為超聲全息圖場在計(jì)算上要求非常高,，需要提出全新的算法�,！�

計(jì)算完成后,，就該“打印”對(duì)象了,。這是一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)間,。



Melde 實(shí)驗(yàn)的最大尺寸是一個(gè)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(diǎn),，但這已經(jīng)非常不容易了，因?yàn)檫@可能是邁向器官打印的第一步!

原文鏈接：DOI：10.1126/sciadv.adf6182