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三維打印機(jī)正悄然開啟新的科研領(lǐng)域

2012-07-26 14:01 來源：科技日報責(zé)編：王岑

摘要：: 目前，與3D打印技術(shù)有關(guān)的報道不時見諸報端，據(jù)報道，人們已經(jīng)使用三維打印機(jī)打印出了飛機(jī)模型、口味與日常食用肉相接近的肉類產(chǎn)品等。

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　　【CPP114】訊：目前，與3D打印技術(shù)有關(guān)的報道不時見諸報端，據(jù)報道，人們已經(jīng)使用三維打印機(jī)打印出了飛機(jī)模型、口味與日常食用肉相接近的肉類產(chǎn)品等。
　　
　　與此同時，科學(xué)界的業(yè)內(nèi)人士也開始關(guān)注三維打印機(jī)，并利用其打印出了從化石復(fù)制品到生物分子再到跳動的心臟細(xì)胞等研究對象和材料。有科學(xué)家認(rèn)為，三維打印技術(shù)的橫空出世改變了制造業(yè)的游戲規(guī)則。英國《自然》雜志網(wǎng)站在7月4日的報道中表示：三維打印機(jī)正潤物細(xì)無聲地開啟新的科研領(lǐng)域。
　　
　　打印出化石模型
　　
　　瑞士蘇黎世大學(xué)的研究員克里斯托弗·佐里科夫見證了尼安德特人在現(xiàn)代社會的首次誕生。2007年，在他位于瑞士蘇黎世大學(xué)的人類學(xué)實驗室內(nèi)，他見到了一個嬰兒尼安德特人的骨架從一臺復(fù)印機(jī)大小的機(jī)器中緩緩“現(xiàn)身”，所有這一切只不過經(jīng)歷了20個小時的噪音、呼呼作響的馬達(dá)傳遞以及塑料切割。
　　
　　盡管一切看起來很簡單，似乎手到擒來，但這個現(xiàn)代奇跡其實已經(jīng)經(jīng)歷了一個冗長的醞釀階段：佐里科夫團(tuán)隊花費幾年時間從尼安德特人嬰兒那兒找到合適的骨頭，使用計算機(jī)斷層掃面設(shè)備對其進(jìn)行了分析并使用數(shù)字化方法在計算機(jī)上將這些骨頭在計算機(jī)屏幕上縫合在一起。不過，制作模型的最后一步的確比較簡單，佐里科夫只是按下實驗室耗資5萬美元的三維打印機(jī)的“打印鍵”就做到了這一點。
　　
　　作為使用三維打印機(jī)開展科學(xué)研究的先鋒人物，早在20年前，佐里科夫就開始使用一臺三維打印機(jī)模型進(jìn)行研究，與現(xiàn)在的設(shè)備相比，這種模型售價昂貴而且會用到有毒的材料和溶劑，諸多限制讓大多數(shù)科學(xué)家望而卻步。但世易時移，現(xiàn)在更新、更便宜的三維打印機(jī)慢慢進(jìn)入主流。就像一臺噴墨打印機(jī)能在紙上逐行噴灑墨水一樣，很多現(xiàn)代的三維打印設(shè)備能將材料（通常是塑料）一層一層噴灑在表面上，制造出一個物體的形狀。其他由一桶液體或者固體粉末狀塑料組成的熔融固體層則常常使用紫外線或紅外線來將其噴射在表面上。另外，有時候在臨時支架（這些支架后來會溶解或被鏟除）的幫助下，三維打印機(jī)可以打印出其他任何復(fù)雜形狀的物體。
　　
　　專注于跟蹤分析三維打印市場的沃勒斯聯(lián)合公司的首席顧問兼總裁特里·沃勒斯表示，盡管工業(yè)系統(tǒng)使用的整套三維打印設(shè)備售價7.3萬美元，但現(xiàn)在，一套個人用的打印設(shè)備的售價還不足500美元。沃勒斯指出，去年，全球大約銷售出3萬套打印機(jī)，學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)購買了其中的三分之一，平均售價為1.5萬到3萬美元。
　　
　　那些先行使用三維打印設(shè)備的科學(xué)家們目前正使用這項技術(shù)研究復(fù)雜的分子、制造實驗室工具、共享罕見的人造制品、甚至打印出像心臟一樣跳動的心臟組織。在古生物學(xué)和人類學(xué)的會議上，越來越多人都拿著他們心儀的化石或骨頭的打印產(chǎn)品。佐里科夫表示：“任何把自己看做人類學(xué)家的科學(xué)家都需要擁有計算機(jī)圖像和三維打印機(jī)，否則，就像遺傳學(xué)家沒有遺傳序列圖無法開展工作一樣，不能算是名副其實的專業(yè)人士。”
　　
　　目前，這種打印產(chǎn)品正為我們提供一些使用更傳統(tǒng)的方法所無法獲得的信息。例如，尼安德特人的嬰兒化石相當(dāng)罕見，因此，佐里科夫不想冒險使用常用的砂型鑄造法來對其脆弱的樣本進(jìn)行復(fù)制。然而，使用三維打印機(jī)打印出的產(chǎn)品，佐里科夫或許有望探究與尼安德特人的出生有關(guān)的情況。除了這幅嬰兒骨架，他還打印出了一個成年女性尼安德特人的骨盆。
　　
　　此前，有不少科學(xué)家猜測尼安德特人寬寬的臀部使得他們勞作起來比現(xiàn)代人更加容易，但是，借用打印出來的產(chǎn)品，佐里科夫的實驗證明，尼安德特人嬰兒的頭骨要比現(xiàn)代人更大，這就抵消了臀部寬這一優(yōu)勢。就像現(xiàn)代人一樣，尼安德特人的頭部最大，或許生來就是如此，這就讓他們能盡快發(fā)育。
　　
　　在佐里科夫的研究中，他將打印出來的模型和計算機(jī)圖片上的模型前后交換并進(jìn)行了仔細(xì)分析。計算機(jī)模型非常容易計算體積或?qū)⒐穷^碎片拼接在一起，研究人員能將其放在合適的地方，沒有重力會導(dǎo)致它們下落。但是，他說，如果使用這些虛擬的模型，“你會失去觸感，甚至?xí)䦟拇笮∫矔䴖]有什么概念。”他補(bǔ)充道，這種虛擬的物理學(xué)模型更適合查看碎片如何各就各位，放置在什么地方合適。
　　
　　分子的游樂場
　　
　　長期以來，化學(xué)家和分子生物學(xué)家們都使用模型以更好地理解分子結(jié)構(gòu)以及X射線和晶體照相術(shù)獲得的數(shù)據(jù)。DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者、1962年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎獲得者、美國科學(xué)家詹姆斯·沃森和英國科學(xué)家弗朗西斯·克里克就在球和棍子結(jié)構(gòu)的幫助下，最終發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這被普遍看作分子生物學(xué)時代的開端。
　　
　　亞瑟·奧爾森表示，現(xiàn)在，科學(xué)家們開始使用三維打印技術(shù)鑄造更復(fù)雜的生物系統(tǒng)的模型。30年前，奧爾森在加州斯克里普斯研究所創(chuàng)建了這個分子圖像實驗室。該實驗室包含有由成千上萬個相互作用的蛋白質(zhì)組成的分子環(huán)境，這種環(huán)境其他方法根本不可能制造出來。奧爾森表示，使用三維打印機(jī)：“任何人都能定制出想要的模型”。但也并非每個人都這樣做，很多科學(xué)家不太那么容易獲得打印機(jī)，他們要么沒有想到使用三維打印機(jī)，要么買不起這種打印產(chǎn)品。