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人体器官也能3D打印

发布时间:2017-12-07 09:03:00 文章来源:未来智讯    
    也有人提出了担忧:3D打印是否会侵犯知识产权?是否会纵容恐怖分子打印枪支?
    在美国南卡罗来纳州洛克希尔的“3D系统”公司(3D Systems),工厂车间里灯火通明。在工厂的大厅内摆放着一些稀奇古怪的东西――一把由尼龙制成的功能完备的吉他,一大堆镶有暴牙的下颌骨,一头鲸鱼的骨架,一双五色的、按比例制作的高跟鞋模型,以及玩具机器人……还有一件物品看上去像是胎儿的脸,该公司的首席市场总监凯西・路易斯说:“那是由超声影像制作的。”
    所有这些物品有一个共同特点:都是由机器根据数字文件给出的指令“打印”的,也就是将金属、陶瓷或塑料等材料逐层堆叠在一起,直到实现其独特的形状。这个过程就叫做3D打印,工业用语叫“增材制造”。美国总统奥巴马在最近的国情咨文中提出,3D打印“有可能彻底改变我们做几乎任何事情的方式”。
    开创个性化定制的时代
    在过去的近30年时间里,工程师和设计师们已经在使用大型且昂贵的3D打印机,为航空航天、国防和汽车公司制作部件的快速原型。多年来,数字化设计软件趋于成熟,扫描仪已经普遍存在,价格实惠的台式打印机也被企业家、学校和家庭能工巧匠广泛使用。技术人员兴高采烈地宣称,3D打印将把我们从大规模制造霸权中解放出来。
    在3D系统公司,大厅的货架上还摆放着颜色鲜艳的微型花瓶、手机壳、首饰、玩偶,难免还有头骨――这是一些爱好者为了使这些东西不至于被形容成廉价的塑料垃圾而用心创意的产品。打印出这些小玩意儿的,是3D系统公司制造的名叫“Cube”的设备。
    Cube就像咖啡机大小,光滑闪亮,上面有开关和驱动器插槽。Cube的打印头将熔化的塑料挤压在一个平台上,通过堆积一层层的薄层从而创建出产品。当用户将数据化设计文件载入Cube后,打印就开始了,Cube能将数据对象“切”成微米厚度的水平层,然后用打印头把每一层打印叠加起来。
    Cube可以创建16种不同颜色的产品,但一次只能打印一种颜色(打印中不能切换墨盒)。为了制作多种颜色的玩具机器人,你需要一台CubeX Duo处理器,其成本是单色打印机的两倍多。
    如果你觉得Cube太“小儿科”,那么你可以去3D系统公司的制造间去看看“大家伙”:一组冰箱大小的机器正面带有小窗,并被显示器、键盘和中央处理器包围着。蛇形电缆盘在空中,吸尘器无处不在,地上有粉状尼龙。透过立体平板印刷机的小窗和刺眼的光线,可以看到一个大桶内充满了光敏聚合物,正在反复地被激光轰击,发生化学反应,致使深蓝色黏性液体薄层变硬。几秒钟后,横向的闪光和一个脱模钳把另一层树脂散布出去。每层树脂厚仅50微米,即20分之一毫米。层面越薄,就越能获得更好的分辨率和更清晰的细节。这样大小的3D打印机,既可以生产小饰件,也可以生产无人机,或者一台发动机的铸件。
    3D打印开创了按需定制的商业模式,因而与传统的零售模式相比具有显著的优势。想象一下,如果你在家里就能快速又便宜地打印出橱柜把手(或者扫描你想要的产品,然后发送email到打印店),把坏的更换掉,那该多好!你不需要跑去商店,商店的库存连同运输、装卸以及储存的成本也会缩减。同样,用3D打印还可以做出完全适合你脚的鞋子来。到那时,零售商店可能都不复存在了。
    在传统制造业,每增加设计的复杂性就会花费金钱和时间。而对于3D打印机来说,根据要求打印一个包在由蜘蛛网覆盖的螺旋梯内的双螺旋,却和打印一个简单的试管一样容易。高分辨率打印机甚至能够制作带有齿轮和铰链的产品。
    显然,3D打印是个人消费的福音,同时也可能提供巨大的社会价值。试想一下,发展中国家的小村庄用太阳能板来驱动3D打印机,打印出农场设备或水泵的部件;试想一下,移动生产设备迅速部署在地震灾区,打印出从手臂夹板到帐篷桩在内的任何东西……3D打印技术的精义就在于:有了设计的电子文档,便可以随时随地生产出产品来。
    打印人体器官
    《创新投资杂志》的发行人彼得・弗里德曼建议:在未来,汽车经销商可以在车上安装免费打印机,让车主们能够自己制造部件、更换并重新设计。“3D打印的未来并不仅仅是制作人们没有的东西,”他在一个专栏中写道:“它的未来是制作使人们不朽的东西。”
    这些“不朽的东西”中,甚至可能包括人体,或至少是人体的一些部分。
    卡洛斯・肯格拉,一个戴着眼镜、留着小胡子,体型修长的年轻男子,在过去数年里一直致力于人耳朵的生产。他使用从人耳软骨上提取的细胞进行打印,然后在实验室内进行繁殖。在维克森林浸礼会医学中心,肯格拉撮合再生医学的同行科学家们与其他实验室合作,正在开发处理系统用来打印肌肉组织、皮肤、肾脏、软骨和骨骼。多年来,研究人员一直用手工制造器官,并且已经取得了不同程度的成功――手工制作的膀胱已经在一些患者身体里运作多年;一个微型的肾脏植入母牛体内后,母牛顺利地排出了尿液。但手工制作器官费力费时,并常常会出错。而3D打印则能够快速且完美地制造出器官。
    在实验室里,肯格拉凝视着电脑显示器,点击将近100条菜单并启动了三个打印头,打印头在一个培养皿上盘旋着。对应的三个墨盒中,一个含有软骨细胞,一个含有可降解生物支架材料,还有一个含有水溶性凝胶。打印头来回飞快地移动,在墨盒间转换,将器官构造成每片厚150微米的连续堆积层。肯格拉通过光学显微镜和显示器跟随打印进程,45分钟后,一个耳朵的形状开始浮现。
    这项技术将在未来的几年里不断完善,器官、软骨、皮肤和组织打印技术的出现,将使人类延长寿命成为可能。用病人自身组织再生的移植器官不会被机体排异,而且将来器官贩子可能也没生意可做了。(世界卫生组织估计,2010年在黑市上售出了1万多个人体器官!)处方药公司渴望用快速原型器官或组织来代替对动物或人类进行药品和其他疗法的测试。
         再生医学研究所的领导安东尼・阿塔拉预言,打印皮肤的机器进入医院仅仅是时间问题――从皮下脂肪向上通过角质细胞到毛囊、皮脂腺和黑色素细胞,直接打印到病人的身体上。“皮肤是最不复杂的器官。”阿塔拉说,“然后,我们将看到从管状结构到中空、到非中空的器官。”最终也包括心脏吗?“我希望在我有生之年。”他笑着说。
    快速处理复杂情况
    快速处理复杂情况是3D打印最擅长的。莲花-雷诺车队的工程师们一直在追求更轻、更快和更省油的方程式赛车,而3D打印技术可以满足他们的需求。莲花-雷诺车队的先进数字化制造经理帕特华纳说,利用3D打印他能在两天内维修部件,而不是10个星期。
    类似于这样的高端应用提升了3D打印的知名度。目前,航空业使用的3D打印原件超过了22000个。在医学界,人们正在研究3D打印骨科植入物。在这些要求非常高的行业,3D打印部件表现出了良好的特性。
    加拿大设计师吉姆・科尔正通过3D打印来构建一个重量仅545公斤的三轮水滴形车。科尔通过组合多个部件消减重量,例如仪表板和连接管道一起打印,省去了多个接头和与其连接的塑料和金属部件。少了几分戏剧性的是,面包师从打印头挤出糖衣来装饰蛋糕;单格拍制动画师使用快速原型3D打印机为电影人物创造数以千计的细致入微的面部表情;数学家使用该技术来模拟复杂的几何形状;3D 照相亭对人进行扫描并打印他们的头部或整个身体的小型复制品。
    没有计算机建模的长足进步,3D打印便不会繁荣发展。十年前,生成一个数字3D模型需要花费几星期,而现在只需要几小时。设计软件已经变得更加方便,扫描仪也变得更加强大和更容易使用。就在最近,微软公司发布了基于PC平台传感器的Kinect for Windows,它具有快速创建人与物体详细的3D模型的能力。
    从人体器官到O型圈,人们对3D打印带来的变革议论纷纷,也有人对3D打印可能带来的各种负面影响进行了预言。如果家庭打印设计未能完成,责任该由谁来承担?产品的知识产权能得到保障吗?3D打印势必鼓励造假,对品牌拥有者将造成严重损失,就像迪士尼的人物角色被制造商广泛复制一样。还有安全问题,有人已经开始使用从网上下载的设计图来打印枪支部件了。
    所有的新技术都会产生赢家和输家。3D打印将创造新的产业和新的就业机会,但也会取代熟练的手工艺人、工匠和使用原材料的设计师,就像亚马逊取代了书店,桌面打印机废除了复印店一样。不过得益于互联网,3D打印将会使更多的人成为作家、摄影师、制片人、出版商和宣传员,也可能使他们成为制造商。
    局限与隐忧
    就目前而言,3D打印有如下缺点:打印机只能生产与他们构建的平台相同大小的物体;大多数台式机只能用一种或两种材料来打印;而且,台式3D打印机缺乏标准化,因此即使采用相同的设计文件,不同的机器也不一定能生产出完全相同的东西。
    对于3D打印,人们尚处在爱恨交错的矛盾之中。与传统制造方式相比,3D打印能显著地节省原材料;更短的供应链意味着碳排放更低;按需打印可降低库存,减少浪费。但是3D打印机的原料,无论是塑料、石膏粉或金属,仍然需要从世界各地运输。此外,桌面打印机使用的ABS塑料来源于石油或天然气,在生产原料的过程中也会产生污染;即使采用由玉米制成的聚乳酸(另一种常见的3D打印材料),也会对环境产生相当大的影响,因为生产玉米需要肥料、农药和灌溉。
    还有人担心3D打印产品来得容易,去得也容易。比如,当新的运动鞋的设计从概念提出到摆上货架只要花几星期而不是几个月,设计疲劳也会来得更快。结果呢?将会有很多设计过时的运动鞋被扔进垃圾桶里。
    3D打印给人们带来了自由设计的希望,它也让制造者们可以绕开专业的材料知识和流程,不被技术束缚。就像《联线》杂志前主编克里斯・安德森在《制造者:新的工业革命》一书中所说的:“你不需要知道机器怎么运作或者怎么优化你的设备,软件都帮你搞定了。”不过,在纽约帕森斯新设计学院任教的建筑理论学家和设计师斯科特・弗朗西斯科说:“仅仅在电脑上完成设计和制造不一定预示着美好的未来,它有可能掩盖人类的学习、创新能力,甚至影响到根据信息和技术来解决问题的基本能力。”是的,3D打印本身是一个创新,但是它减少了设计师与合作者面对面工作的必要性――他们以前需要探讨工艺加工,一次又一次地反复完善。弗朗西斯科担心下一代设计师会对真实的材料了解得很少,而且不能真实地感受和了解他人,因而使创新能力大打折扣。
    在不远的未来,3D打印技术将会在数量少、结构复杂产品的设计生产中大显身手,如设计和生产义肢和飞机部件。而在低附加值、大规模生产领域,传统制造方式仍将占据主流,尤其在一些发展中国家,因为它比3D打印快速而且成本低廉。
    (作者单位:上海科技馆)
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