研究人員開發新的3D打印過程算法來遏制珊瑚礁破壞

魔猴君  行業資訊   885天前

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

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，許多珊瑚礁已經滅絕。結果，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生了災難性的影響。增材制造是正在探索的眾多技術之一，以幫助滋養我們的珊瑚礁恢復健康，早在 2015 年就嘗試生產維持生命的 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境中的結構，證明了該技術有助于恢復天然珊瑚礁的潛力。

劍橋大學和加州大學圣地亞哥分校最近的項目已經成功地對能夠生長微型藻類群落的珊瑚模擬結構進行生物打印，而來自香港大學的科學家對陶土磚的 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。

珊瑚礁保護的新方法

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特定環境。“現有的人工珊瑚礁難以復制珊瑚棲息地的復雜性，也難以容納反映自然環境的珊瑚礁物種，”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系統收集的真實數據來生成可擴展的結構。”

除了巴伊蘭大學的團隊，來自以色列理工學院、海法大學和特拉維夫大學的研究人員也為這項研究做出了貢獻。該研究旨在解決拯救珊瑚礁的兩個關鍵要素。首先，需要一種創新的、適應性強的方法來促進全球珊瑚礁的大規模恢復；其次，重建珊瑚礁在大小和設計上的自然復雜性，這將吸引當地的珊瑚、魚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構，盡管據報道他們的模型適用于世界各地的其他海洋環境。

研究人員新穎的 3D 打印方法概述。圖片來自巴伊蘭大學。

首先，該團隊掃描了珊瑚礁的水下照片，從中可以組裝出準確的數字 3D 模型。為了計算珊瑚礁的復雜形態并了解其形態如何促進珊瑚礁的物種多樣性，我們拍攝了數千張圖像并將其發送到實驗室。然后，該團隊利用分子方法收集環境遺傳信息，以提供有關生活在珊瑚礁中的生物的數據。該數據與其他參數（例如核心珊瑚礁特征）結合在一起，并輸入“3D 技術算法”，從而能夠構建珊瑚礁的交互式參數模型。然后可以設計該模型以精確適應所需的珊瑚礁環境。

最后，該團隊使用陶瓷 3D 打印工藝將數字模型轉化為現實世界。用于打印珊瑚礁的獨特陶瓷材料在水下是天然多孔的，據研究人員稱，其設計目的是為珊瑚礁的修復提供理想的條件。“使用天然材料進行 3D 打印有助于生產高度復雜和多樣化的單元，這是通常的模具生產方式無法實現的，”Technion 建筑與城市規劃學院的 Ezri Tarazi 教授說。據該團隊稱，3D 打印算法的創建允許深入和準確地檢查每個珊瑚礁的數據，以及根據特定珊瑚礁環境定制 3D 打印模型的能力。根據流程中收集的信息，數據可以不斷地重新輸入算法，以評估設計實施后的有效性和效率水平。

Technion 的 Ofer Berman 補充說：“3D 打印的使用允許在基于算法的現實解決方案中實現廣泛的行動自由，并為大規模海洋修復的發展吸收可持續生產。”該團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果將作為藍圖，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系統。