声波3D打印：使用超声波全息图立即使物体具体化的新技术

2023年2月27日，南极熊获悉，根据德国科学家最近取得的一项技术突破，他们开发出了一种使用超声波全息图立即使物体具体化的机器，这听起来像是外星科技，但这不是科幻小说，而是现实。

△图片：©Max Planck Society

马克斯普朗克医学研究所和海德堡大学本月发表在《科学进展》杂志上的一项题为“Compact holographic sound fields enable rapid one-step assembly of matter in 3D”新研究探讨了“非接触式 3D 打印”的概念，以及如何使用它，特别是打印活体组织。传统的 3D 打印是依赖于逐层添加物质、将它们粘合直到最终得到一个终端物品的技术，而这种新形式的 3D 打印则是使用声波来推动物质，而无需物理接触它。具体而言这些科学家取得的成就是找到了一种方法，可以使用这些声波来构建他们想要的任何 3D 形状。

相关论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf6182

△照片：WolframScheible/© Max Planck Society

根据该研究的主要作者Kai Melde 的说法，将这项技术用于“生物细胞的组装”方面具有巨大的潜力，他解释道：“超声波温和且对细胞无毒，并且无需接触的远程组装有助于保持无菌状态，并且对细胞也很温和无害。”

△照片：WolframScheible/© Max Planck Society

这项研究认为传统方法打印活体组织的效果并不理想，因为它们速度慢，并且会对生物细胞施加机械或化学应力。研究人员表示：“几年前，我们想知道如何以非接触方式组装粒子并探索各种领域。”为此，研究团队尝试了一切新方法：，包括像光、磁镊子、电场，最后是声场。

△图片：©Max Planck Society

如果您曾经去过音乐会舞台，您就会知道声音会影响物理物质：扬声器的刺耳声音会对您自己的身体施加一种力，有时力大到让您喘不过气来。在实验室里，在 Melde 的团队开始他们的工作之前，超声声场已经在以简单的方式操纵微小物质，将粒子组织在一个点周围或排列成直线。当研究人员想到使用全息图在 3D 空间中塑造物体时，他们灵光一现。但是，全息图不是由光制成的，而是由超声波制成的。将声波想象成无形的手在没有实际接触的情况下塑造物质。这些声音全息图是有效的模具，可以制作成任何需要的形状。

Melde 解释说，这是一项相当复杂的成就。根据 Melde 的说法，创建 3D 形状需要使用多个全息场，这些场相互分层并相互作用。计算全息图形状所需的算法非常复杂，需要大量的计算能力。他说：“3D 计算的一个问题是，当你添加三维时，内存需求会迅速增加。然后，最重要的是你需要计算整个体积的波场，这个过程需要通过优化过程一次又一次地重复。”

为了解决这一计算挑战，他们求助于 GPU 加速——游戏卡中用于渲染逼真的复杂 3D 世界的处理器——以及 Google 的TensorFlow，这是最流行的机器学习和人工智能软件。根据编写所有所需计算魔法的团队成员 HeinerKremer 的说法：“将整个 3D 对象数字化为超声全息图场在计算上要求非常高，需要我们提出新的计算例程。”

△照片：Wolfram Scheible/© Max Planck Society

计算完成后，就轮到打印产品了，这是一个比较简单的过程。他们使用专有的机器将超声波场发射到实验室培养皿中，塑造悬浮在液体中的生物细胞（或任何微观物质），液体为细胞提供营养，使它们保持活力。令人惊奇的是，这是一个单一的步骤：对象只是一次成型，而不是传统的 3D 打印过程，后者需要很长时间。

△图片：©Max Planck Society

Melde 表示，他们实验中所打印最大尺寸的物品是一个长约 20 毫米、直径约 10 毫米的双圈螺旋。这可能看起来很小，不比你的小拇指指骨大，但它非常不寻常。这可能是迈向我们可以安全地对器官进行生物打印的未来的第一步，这是曾几何时感觉无法实现的梦想之一。”但也正如科幻作家罗伯特·A·海因莱因(RobertA. Heinlein)曾经说过的那样：一切建立在理论上的说法都是不现实的，直到它被完成才有意义。