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三維打印機正悄然開啟新的科研領域

2012-07-26 14:01 來源：科技日報責編：王岑

摘要：: 目前，與3D打印技術有關的報道不時見諸報端，據報道，人們已經使用三維打印機打印出了飛機模型、口味與日常食用肉相接近的肉類產品等。

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　　【CPP114】訊：目前，與3D打印技術有關的報道不時見諸報端，據報道，人們已經使用三維打印機打印出了飛機模型、口味與日常食用肉相接近的肉類產品等。
　　
　　與此同時，科學界的業內人士也開始關注三維打印機，并利用其打印出了從化石復制品到生物分子再到跳動的心臟細胞等研究對象和材料。有科學家認為，三維打印技術的橫空出世改變了制造業的游戲規則。英國《自然》雜志網站在7月4日的報道中表示：三維打印機正潤物細無聲地開啟新的科研領域。
　　
　　打印出化石模型
　　
　　瑞士蘇黎世大學的研究員克里斯托弗·佐里科夫見證了尼安德特人在現代社會的首次誕生。2007年，在他位于瑞士蘇黎世大學的人類學實驗室內，他見到了一個嬰兒尼安德特人的骨架從一臺復印機大小的機器中緩緩“現身”，所有這一切只不過經歷了20個小時的噪音、呼呼作響的馬達傳遞以及塑料切割。
　　
　　盡管一切看起來很簡單，似乎手到擒來，但這個現代奇跡其實已經經歷了一個冗長的醞釀階段：佐里科夫團隊花費幾年時間從尼安德特人嬰兒那兒找到合適的骨頭，使用計算機斷層掃面設備對其進行了分析并使用數字化方法在計算機上將這些骨頭在計算機屏幕上縫合在一起。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的“打印鍵”就做到了這一點。
　　
　　作為使用三維打印機開展科學研究的先鋒人物，早在20年前，佐里科夫就開始使用一臺三維打印機模型進行研究，與現在的設備相比，這種模型售價昂貴而且會用到有毒的材料和溶劑，諸多限制讓大多數科學家望而卻步。但世易時移，現在更新、更便宜的三維打印機慢慢進入主流。就像一臺噴墨打印機能在紙上逐行噴灑墨水一樣，很多現代的三維打印設備能將材料（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，三維打印機可以打印出其他任何復雜形狀的物體。
　　
　　專注于跟蹤分析三維打印市場的沃勒斯聯合公司的首席顧問兼總裁特里·沃勒斯表示，盡管工業系統使用的整套三維打印設備售價7.3萬美元，但現在，一套個人用的打印設備的售價還不足500美元。沃勒斯指出，去年，全球大約銷售出3萬套打印機，學術機構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備的科學家們目前正使用這項技術研究復雜的分子、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。在古生物學和人類學的會議上，越來越多人都拿著他們心儀的化石或骨頭的打印產品。佐里科夫表示：“任何把自己看做人類學家的科學家都需要擁有計算機圖像和三維打印機，否則，就像遺傳學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人士。”
　　
　　目前，這種打印產品正為我們提供一些使用更傳統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行復制。然而，使用三維打印機打印出的產品，佐里科夫或許有望探究與尼安德特人的出生有關的情況。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，有不少科學家猜測尼安德特人寬寬的臀部使得他們勞作起來比現代人更加容易，但是，借用打印出來的產品，佐里科夫的實驗證明，尼安德特人嬰兒的頭骨要比現代人更大，這就抵消了臀部寬這一優勢。就像現代人一樣，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育。
　　
　　在佐里科夫的研究中，他將打印出來的模型和計算機圖片上的模型前后交換并進行了仔細分析。計算機模型非常容易計算體積或將骨頭碎片拼接在一起，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，甚至會對化石的大小也會沒有什么概念。”他補充道，這種虛擬的物理學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，化學家和分子生物學家們都使用模型以更好地理解分子結構以及X射線和晶體照相術獲得的數據。DNA結構的發現者、1962年諾貝爾醫學獎獲得者、美國科學家詹姆斯·沃森和英國科學家弗朗西斯·克里克就在球和棍子結構的幫助下，最終發現了DNA的雙螺旋結構，這被普遍看作分子生物學時代的開端。
　　
　　亞瑟·奧爾森表示，現在，科學家們開始使用三維打印技術鑄造更復雜的生物系統的模型。30年前，奧爾森在加州斯克里普斯研究所創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組成的分子環境，這種環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：“任何人都能定制出想要的模型”。但也并非每個人都這樣做，很多科學家不太那么容易獲得打印機，他們要么沒有想到使用三維打印機，要么買不起這種打印產品。