華盛頓州立大學(xué)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(fù)雜設(shè)計

2024年8月24日,，南極熊獲悉，來自華盛頓州立大學(xué)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(jī)器學(xué)習(xí)算法,，可以節(jié)省制造時間和成本,、降低勞動強(qiáng)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(jī)器學(xué)習(xí)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(jìn)材料技術(shù)》雜志上,。研究得到了美國國家科學(xué)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(fù)雜設(shè)計中更加無縫地使用,。作為研究的一部分,，該算法學(xué)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(jìn)的版本,。

圖1. 多目標(biāo) 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(dāng)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(jìn)行比較,，以測量正負(fù)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(jī)器學(xué)習(xí)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(jī)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(zhǔn)校準(zhǔn)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(jìn)展和主導(dǎo)地位進(jìn)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(biāo)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(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)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(jī)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(xué)計算機(jī)科學(xué)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(fù)雜、逼真的人體器官 3D 打印模型,。這些模型可用于培訓(xùn)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(jī)械和物理特性，包括靜脈,、動脈,、通道和其他詳細(xì)結(jié)構(gòu)。

Qiu,、Doppa 和他們的學(xué)生使用一種名為貝葉斯優(yōu)化的 AI 技術(shù)進(jìn)行訓(xùn)練,，并找到優(yōu)化的 3D 打印設(shè)置。訓(xùn)練完成后,，研究人員能夠優(yōu)化器官模型的三個不同目標(biāo)——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(jī)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(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院 Qiu 課題組的訪問學(xué)生）說道：“平衡所有目標(biāo)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(xué)電氣工程與計算機(jī)科學(xué)學(xué)院研究生 AlalehAhmadian 補(bǔ)充說,，研究人員能夠以平衡的方式看待所有目標(biāo)，以獲得有利的結(jié)果,，該項目也受益于其跨學(xué)科視角,。她說：“通過進(jìn)行物理實驗室實驗來創(chuàng)造現(xiàn)實世界的影響，開展跨學(xué)科研究是非常有意義的,�,！�

研究人員首先訓(xùn)練計算機(jī)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(jìn)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(fù)雜的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，甚至可用于其他領(lǐng)域,�,！�