華盛頓州立大學開發(fā)自優(yōu)化AI算法提高3D打印效率，可實現(xiàn)人造器官等各種復雜設(shè)計

2024年8月24日,，南極熊獲悉,，來自華盛頓州立大學的研究人員開發(fā)一種能夠快速識別最佳 3D 打印設(shè)置的通用機器學習算法，可以節(jié)省制造時間和成本,、降低勞動強度并提高 3D 打印物體的質(zhì)量,。

相關(guān)研究以題為“Machine Learning Enabled Design andOptimization for 3D-Printing of High-Fidelity Presurgical Organ Models/機器學習支持高保真術(shù)前器官模型 3D 打印的設(shè)計和優(yōu)化”的論文發(fā)表在《先進材料技術(shù)》雜志上。研究得到了美國國家科學基金會,、WSU Startup 和 Cougar Cage Funds 的資助,。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202400037

人工智能算法 (AI)的突破可以讓 3D 打印在從人造器官到柔性電子產(chǎn)品和可穿戴生物傳感器等各種復雜設(shè)計中更加無縫地使用。作為研究的一部分,，該算法學會了識別然后打印腎臟和前列腺器官模型的最佳版本,。研究人員基于這一成果打印了 60 個不斷改進的版本。

圖1. 多目標 BO 輔助 3D 打印術(shù)前器官模型的流程圖,，該模型具有三個輸入?yún)��?shù)和四個輸出參數(shù),。循環(huán)從根據(jù)當前輸入數(shù)據(jù)集通過 BO 生成輸入值開始，這些輸入值用于生成直接墨水書寫 (DIW) 的打印路徑,。通過 DIW 3D 打印模型后,，將圖像處理應(yīng)用于模型以重建網(wǎng)格對象。然后調(diào)整網(wǎng)格對象以與理想模型進行比較,，以測量正負幾何精度,。還計算了模型打印時間和孔隙率測量值,。完成所有輸出測量后，它們各自的值將重新輸入到 BO 算法中以產(chǎn)生新的輸入?yún)��?shù),。

機器學習支持術(shù)前器官模型的 3D 打印和幾何保真度分析的設(shè)計和優(yōu)化,。a) 機械壓縮試驗期間定制聚合物墨水的應(yīng)力-應(yīng)變相關(guān)性。b) 使用定制聚合物墨水和 BO 生成的輸入作為打印參數(shù),，3D 打印前列腺和腎臟模型,。c) 按時間順序拍攝的第 1、22 和 46 次迭代的 3D 打印前列腺模型的照片,，以顯示保真度的增長,。d) 按時間順序拍攝的第 5、27 和 52 次迭代的 3D 打印腎臟模型的照片,，以顯示保真度的增長,。e、f) 通過 3D 配準校準的器官模型外表面的距離圖和直方圖,，以獲得幾何保真度,，在各自的 3D 打印前列腺和腎臟模型（見 c 和d）與基于原始 STL 文件的相應(yīng)理想模型之間。

對約60 次迭代中輸入解決方案集的進展和主導地位進行分析,。a,、b）分別針對前列腺模型和腎臟模型的超體積測量，超體積指的是輸入解決方案覆蓋的目標空間量,。c,、d）分別針對前列腺模型和腎臟模型在不同迭代次數(shù)下帕累托前沿內(nèi)的輸入解決方案集表。e,、f）分別針對前列腺模型和腎臟模型,，在最終帕累托前沿內(nèi)的輸入解決方案集表及其關(guān)于輸入和對應(yīng)輸出值的各自值。（圖 3e中的迭代 42,、46,、56（粗體）產(chǎn)生了最優(yōu)的前列腺模型，而圖3f中的迭代 52（粗體） 產(chǎn)生了最優(yōu)的腎臟模型）,。

論文的共同通訊作者,、華盛頓州立大學機械與材料工程學院的 Berry 助理教授 Kaiyan Qiu 說道：“憑借自動升級的人工智能算法，您可以優(yōu)化結(jié)果,，并節(jié)省時間,、成本和勞動力�,！�

對于工程師來說,，嘗試開發(fā)正確的打印設(shè)置通常很麻煩且效率低下，例如必須就材料,、打印機配置和噴嘴的分配壓力做出決定,。

論文的共同通訊作者,、華盛頓州立大學計算機科學系 Huie-Rogers 客座副教授 Jana Doppa 說道：“潛在組合的數(shù)量實在太多了，每次試驗都要花費時間和金錢,�,！�

Qiu教授多年來一直致力于開發(fā)復雜、逼真的人體器官 3D 打印模型,。這些模型可用于培訓外科醫(yī)生或評估植入裝置,，但模型必須包含真實器官的機械和物理特性，包括靜脈,、動脈,、通道和其他詳細結(jié)構(gòu)。

Qiu,、Doppa 和他們的學生使用一種名為貝葉斯優(yōu)化的 AI 技術(shù)進行訓練,，并找到優(yōu)化的 3D 打印設(shè)置。訓練完成后,，研究人員能夠優(yōu)化器官模型的三個不同目標——模型的幾何精度,、重量或多孔性以及打印時間。器官模型的孔隙率對于外科手術(shù)實踐很重要,，因為模型的機械性能會根據(jù)其密度而變化。

論文共同第一作者 Eric Chen （華盛頓州立大學機械與材料工程學院 Qiu 課題組的訪問學生）說道：“平衡所有目標很難,，但我們能夠取得良好的平衡,，并實現(xiàn)最佳質(zhì)量物體的打印，無論打印類型或材料形狀如何,�,！�

論文共同第一作者、華盛頓州立大學電氣工程與計算機科學學院研究生 AlalehAhmadian 補充說,，研究人員能夠以平衡的方式看待所有目標,，以獲得有利的結(jié)果，該項目也受益于其跨學科視角,。她說：“通過進行物理實驗室實驗來創(chuàng)造現(xiàn)實世界的影響,，開展跨學科研究是非常有意義的�,！�

研究人員首先訓練計算機程序打印前列腺手術(shù)演練模型,。由于該算法具有廣泛的可推廣性，他們可以輕松地對其進行微調(diào)以打印出腎臟模型,。Qiu教授表示：“這意味著這種方法可用于制造其他更復雜的生物醫(yī)學設(shè)備,，甚至可用于其他領(lǐng)域�,！�