3D打印
首次实现超声波远程3D打印
研究人员首次使用声波远程打印物体，甚至隔着一堵墙也能实现。
蒙特利尔康科迪亚大学的机械工程师 Shervin Foroughi 和 Mohsen Habibi 正在用超声探头仔细操作一池液体，突然他们看到一个冰柱形状出现并凝固。两人兴奋得尖叫起来，以至于楼下的同事都听得一清二楚。“如果他们不是因为 COVID 在家，他们肯定会听到我们的声音，”Foroughi 说。然而，一个快速的视频会议让研究人员分享了他们的兴奋之情: 经过数月的努力，他们通过向液体聚焦声波场，实现了隔着固体墙进行3D打印。
康科迪亚大学团队的新型“直接声波打印”技术是第一个使用来自障碍物后面的声波创建固体结构的技术。尽管它距离商业化还有很长的路要走，但研究人员相信他们的远程控制 3D 打印技术为许多可能性打开了大门。他们说，它可能使人体内的微创组织工程和生物植入物修复成为可能。它还可以支持其他难以接近的地方的工业维修，例如飞机机身内部。
大多数商业3D打印形式都涉及将流体材料(塑料、陶瓷、金属甚至生物化合物)通过喷嘴挤出，并逐层固化形成计算机绘制的结构。这一固化步骤是关键，它依靠光或热形式的能量。流体形成化学键并因此凝固的能力取决于每个分子接收的能量量——传输足够的能量通常需要能量源和材料之间直接、高度聚焦的接触。
康科迪亚大学团队，包括该大学从事微机电系统设计研究的机械工程教授 Muthukumaran Packirisamy，提出了另一个想法。“我们想在光或热无法到达的地方进行3D打印，”当时还是该大学博士后研究员的 Habibi 说。研究小组意识到，声波提供了一种快速聚焦和操纵能量的方法，而不需要直接接触液体材料。“这就是我们要填补的空白，”Habibi 说。
使用超声波在室温液体中引发化学反应本身并不新鲜。超声化学及其应用领域在20世纪80年代于伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校(UIUC)成熟，它依赖于一种称为声学空化的现象。当超声波振动在流体中产生微小气泡或空腔时就会发生这种情况。当这些气泡破裂时，它们内部的蒸汽会产生巨大的温度和压力; 这在微小的局部点施加快速加热。康科迪亚大学团队试图释放声化学的力量，作为一种非传统的打印传统材料以及无法用典型能量源打印的材料的方法。“那些难以想象的温度和压力在皮秒内产生，创造了瞬间打印的完美条件，”Habibi 说。
在他们于2022年发表在《自然通讯》上的实验中，研究人员用一种混合了固化剂的常见聚合物(聚二甲基硅氧烷，或PDMS)填充了一个圆柱形、不透明外壳的腔室。他们将腔室浸入一个水箱中，水箱作为声波传播到腔室内的介质(类似于医疗成像设备的超声波穿过涂抹在患者皮肤上的凝胶的方式)。然后，科学家们使用安装在计算机控制的运动操纵器上的生物医学超声换能器，沿着一条计算好的路径追踪超声束的焦点，深入液体聚合物18毫米。微小的气泡开始出现在换能器路径上的液体中，凝固的材料很快随之出现。经过反复尝试超声波频率、液体粘度和其他参数的组合，研究小组最终成功地使用这种方法在液体浴中打印枫叶形状、七齿齿轮和蜂窝结构。然后，研究人员使用各种聚合物和陶瓷重复了这些实验，并在今年10月加拿大声学协会年会上展示了他们的成果。
“使用声音进行制造是一个非常创新的想法，我很高兴看到它，”UIUC教授 William King 说，他专注于先进材料和制造、纳米技术以及传热，没有参与这项新研究。他说，超声波方法为快速生产可能无法通过其他制造工艺实现的复杂三维几何形状提供了有趣的可能性。不过，他指出，现在主流的3D打印工艺之所以成功，是因为它们首先在一两个利基应用中找到了立足点。“我期待看到基于声音的打印是否能找到必要的应用来取得成功，”King 补充道。
瑞士达沃斯AO研究院的声引导组织再生领域负责人Tiziano Serra认为，超声波远程3D打印的一个有吸引力的应用是临床修复。这意味着将生物材料(例如明胶、纤维蛋白(一种重要的血液凝固蛋白)或嵌入药物的水凝胶)注射到人体某个部位，然后将其打印成一种能够修复肌肉骨骼损伤或在癌症或感染部位逐渐释放药物的结构。
其他生物打印技术使用紫外线来固化这些材料，但这种光无法穿透不透明的屏障。Serra表示，“超声波可以原位作用，并带来许多进步和机遇。注射可以避免长时间的手术、感染的可能性和医疗费用。”
然而，Serra也警告说，这种技术不适用于使用活细胞进行打印。热量和压力会杀死它们。
在非生物领域，远程控制打印可以帮助航空航天工业进行维修。研究人员表示，工程师可以将液态塑料挤入飞机机身难以接近的区域，然后使用新的3D打印技术将其固化成固体结构，例如用于减振的多孔塑料隔热器。
对于声波打印来说，一个关键的下一步是展示这种过程如何在满足工程师和产品设计师严格要求的实际应用中发挥作用，例如材料强度、表面光洁度和可重复性。
研究团队将很快发表新的研究，讨论打印速度和分辨率的改进。在2022年的论文中，该团队展示了能够打印出边长为100微米的“像素”的能力。相比之下，传统的3D打印只能实现半径为100微米的像素。
哈佛大学衍生公司AcousticaBio的一位机械工程师Daniele Foresti表示，分辨率的差异并不是拒绝这种新技术的理由。毕竟，人们总是将新技术与成熟的工具进行比较。他说，“有些东西已经存在了30年，”研究人员有更多时间来开发它们并通过提高分辨率等方式提高性能。“当你证明一种新机制有效并且具有发展潜力时，这本身就很有价值。”
本文译自 Scientific American，由 sein 编辑发布。