研究人員開發(fā)新的3D打印過程算法來遏制珊瑚礁破壞

魔猴君  行業(yè)資訊   920天前

來自以色列四所頂尖大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新穎的 3D打印工藝，可以幫助保護(hù)全球重要的珊瑚礁。結(jié)合3D掃描、環(huán)境DNA采樣和3D打印算法，該團(tuán)隊成功生產(chǎn)出獨(dú)特的 3D打印陶瓷珊瑚礁，能夠維持生命并促進(jìn)整個珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的再生。“珊瑚礁的迅速減少增加了探索珊瑚礁修復(fù)的跨學(xué)科方法的需求，”巴伊蘭大學(xué)的博士生娜塔莉·利維說。 “檢查如何保護(hù)珊瑚礁的生物多樣性是一個關(guān)鍵問題，但也迫切需要投資于可以改善珊瑚生態(tài)系統(tǒng)和我們對珊瑚礁環(huán)境了解的技術(shù)。”

3D打印珊瑚礁。照片來自奧弗伯曼。

用 3D 打印替換丟失的珊瑚礁

由于全球變暖和沿海地區(qū)城市化加速等因素，世界珊瑚礁正在迅速減少，許多珊瑚礁已經(jīng)滅絕。結(jié)果，這給依賴珊瑚礁生存的海洋生物帶來了巨大壓力，隨后對我們海洋的生物多樣性產(chǎn)生了災(zāi)難性的影響。增材制造是正在探索的眾多技術(shù)之一，以幫助滋養(yǎng)我們的珊瑚礁恢復(fù)健康，早在 2015 年就嘗試生產(chǎn)維持生命的 3D 打印珊瑚礁。隨后的研究在整合 3D 打印珊瑚方面取得了積極成果海洋環(huán)境中的結(jié)構(gòu)，證明了該技術(shù)有助于恢復(fù)天然珊瑚礁的潛力。

劍橋大學(xué)和加州大學(xué)圣地亞哥分校最近的項目已經(jīng)成功地對能夠生長微型藻類群落的珊瑚模擬結(jié)構(gòu)進(jìn)行生物打印，而來自香港大學(xué)的科學(xué)家對陶土磚的 3D 打印采取了稍微不同的方法，旨在鼓勵珊瑚附著。

用于珊瑚附著的三種不同類型的 3D 打印瓷磚。圖片來自香港大學(xué)。

珊瑚礁保護(hù)的新方法

以色列研究人員 3D 打印珊瑚礁的方法與以前的努力不同的是，它結(jié)合了 3D 掃描、DNA 采樣和 3D 打印算法，使人造珊瑚礁能夠精確地適應(yīng)特定環(huán)境。“現(xiàn)有的人工珊瑚礁難以復(fù)制珊瑚棲息地的復(fù)雜性，也難以容納反映自然環(huán)境的珊瑚礁物種，”利維說。 “我們引入了一種新穎的可定制 3D 界面，用于利用從珊瑚生態(tài)系統(tǒng)收集的真實(shí)數(shù)據(jù)來生成可擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)。”

除了巴伊蘭大學(xué)的團(tuán)隊，來自以色列理工學(xué)院、海法大學(xué)和特拉維夫大學(xué)的研究人員也為這項研究做出了貢獻(xiàn)。該研究旨在解決拯救珊瑚礁的兩個關(guān)鍵要素。首先，需要一種創(chuàng)新的、適應(yīng)性強(qiáng)的方法來促進(jìn)全球珊瑚礁的大規(guī)模恢復(fù)；其次，重建珊瑚礁在大小和設(shè)計上的自然復(fù)雜性，這將吸引當(dāng)?shù)氐纳汉鳌Ⅳ~類和無脊椎動物物種支持它的再生。為了展示他們新穎的 3D 打印過程，研究人員專注于以色列南部沿海城市埃拉特附近珊瑚礁的自然結(jié)構(gòu)，盡管據(jù)報道他們的模型適用于世界各地的其他海洋環(huán)境。

研究人員新穎的 3D 打印方法概述。圖片來自巴伊蘭大學(xué)。

首先，該團(tuán)隊掃描了珊瑚礁的水下照片，從中可以組裝出準(zhǔn)確的數(shù)字 3D 模型。為了計算珊瑚礁的復(fù)雜形態(tài)并了解其形態(tài)如何促進(jìn)珊瑚礁的物種多樣性，我們拍攝了數(shù)千張圖像并將其發(fā)送到實(shí)驗(yàn)室。然后，該團(tuán)隊利用分子方法收集環(huán)境遺傳信息，以提供有關(guān)生活在珊瑚礁中的生物的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)與其他參數(shù)（例如核心珊瑚礁特征）結(jié)合在一起，并輸入“3D 技術(shù)算法”，從而能夠構(gòu)建珊瑚礁的交互式參數(shù)模型。然后可以設(shè)計該模型以精確適應(yīng)所需的珊瑚礁環(huán)境。

最后，該團(tuán)隊使用陶瓷 3D 打印工藝將數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)世界。用于打印珊瑚礁的獨(dú)特陶瓷材料在水下是天然多孔的，據(jù)研究人員稱，其設(shè)計目的是為珊瑚礁的修復(fù)提供理想的條件。“使用天然材料進(jìn)行 3D 打印有助于生產(chǎn)高度復(fù)雜和多樣化的單元，這是通常的模具生產(chǎn)方式無法實(shí)現(xiàn)的，”Technion 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院的 Ezri Tarazi 教授說。據(jù)該團(tuán)隊稱，3D 打印算法的創(chuàng)建允許深入和準(zhǔn)確地檢查每個珊瑚礁的數(shù)據(jù)，以及根據(jù)特定珊瑚礁環(huán)境定制 3D 打印模型的能力。根據(jù)流程中收集的信息，數(shù)據(jù)可以不斷地重新輸入算法，以評估設(shè)計實(shí)施后的有效性和效率水平。

Technion 的 Ofer Berman 補(bǔ)充說：“3D 打印的使用允許在基于算法的現(xiàn)實(shí)解決方案中實(shí)現(xiàn)廣泛的行動自由，并為大規(guī)模海洋修復(fù)的發(fā)展吸收可持續(xù)生產(chǎn)。”該團(tuán)隊目前正在埃拉特灣安裝其幾個 3D 打印珊瑚礁，并相信他們獲得的結(jié)果將作為藍(lán)圖，幫助其將其 3D 打印過程和算法部署到世界各地的其他珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)。