Nová forma 3D tlače využíva zvukové vlny, ktoré dokážu posúvať hmotu bez toho, aby sme sa jej fyzicky dotkli.
3D montáž guľôčok silikagélu pomocou holografických ultrazvukových polí. Zdroj: Inštitút Maxa Plancka
Zatiaľ čo tradičná 3D tlač sa spolieha na techniky, keď postupným nanášaním a spájaním materiálu (filamentu alebo živice) vo vrstvách vzniká objekt, nová forma 3D tlače využíva zvukové vlny, ktoré dokážu posúvať hmotu bez toho, aby sme sa jej fyzicky dotkli. Vedci z Inštitútu Maxa Plancka v Nemecku našli spôsob, ako pomocou zvukových vĺn vytvoriť akýkoľvek 3D tvar.
Táto technika, o ktorej výskumníci informovali v časopise Science Advances, chce spôsobiť revolúciu najmä v tlačení živého materiálu pre lekárske účely.
Tlač živých materiálov je komplikovanejšia
Výskum tvrdí, že konvenčné metódy tlače živého tkaniva nie sú ideálne, pretože sú pomalé a spôsobujú mechanické alebo chemické poškodenie biologických buniek. Výskumníci z Nemecka sa pred niekoľkými rokmi začali zamýšľať nad tým, ako prinútiť materiál hýbať sa požadovanými smermi bez dotyku. Zvážili viaceré možnosti vrátane optiky, magnetov, elektrického a nakoniec aj akustického poľa.
Ak ste niekedy boli na veľkom štadióne alebo v hale na koncerte, viete, že zvuk ovplyvňuje fyzickú hmotu. Dunivý zvuk reproduktorov pôsobí na telo takou silou, až vám niekedy vyráža dych. Rovnako aj silné vlny na pláži vytvárajú tlak.
Zachytenie mikroguľôčok silikagélu ultrazvukom v špecifikovaných bodoch v 3D. Zdroj: Inštitút Maxa Plancka
Zvukové hologramy
V laboratóriu inštitútu už v minulosti experimentovali s ultrazvukovými akustickými poľami, ktoré manipulovali drobnou hmotou jednoduchými spôsobmi: buď organizovali častice okolo jedného bodu, alebo v priamych líniách.
Žiarovka sa nad hlavami výskumníkov zasvietila vtedy, keď premýšľali o použití hologramov na tvarovanie objektu v 3D priestore. Ibaže namiesto toho, aby hologramy pozostávali zo svetla, boli zostavené z ultrazvuku.
Patentovaný stroj vyžaruje ultrazvukové polia k laboratórnej miske a formuje biologické bunky (alebo akúkoľvek mikroskopickú hmotu), ktoré sú suspendované v kvapaline zásobujúcej bunky živinami. Úžasné na tom je, že objekt sa vytvorí okamžite a jedným ťahom na rozdiel od tradičných procesov 3D tlače, ktoré trvajú veľmi dlho.
Maximálnu veľkosť finálneho objektu dosiahla dvojzávitnica (špirála) s dĺžkou asi 20 milimetrov a priemerom 10 milimetrov. Aj keď sa nám môže zdať objekt malý, ide o výnimočnú technológiu. Môže to značiť prvý krok k bezpečnému vytváraniu ľudských orgánov v budúcnosti.
Problémom bolo vysoké výpočtové zaťaženie
Vytváranie 3D tvarov si podľa autora štúdie Meldeho vyžaduje použitie viacerých holografických polí, ktoré sa navzájom vrstvia a interagujú. Algoritmy potrebné na výpočet tvarov hologramov boli také komplikované, že si vyžadovali veľa výpočtovej pamäte a techniky. „Jedným z problémov pri 3D výpočte je to, že po pridaní tretieho rozmeru sa požiadavky na pamäť rýchlo zvýšia,“ uviedol Melde.
Na zdolanie výpočtovej výzvy sa obrátili na akceleráciu GPU – procesory používané v herných kartách na vykresľovanie realistických komplexných 3D svetov – a TensorFlow od Googlu, najobľúbenejší softvér pre strojové učenie a umelú inteligenciu.
Potenciál využitia rôznych materiálov a vyrábanie všemožných štruktúr pomocou 3D tlače vedie k mnohým aplikáciám do praxe. Autori predpokladajú ich technické využitie napríklad v liečebnej terapii, cielenom podávaní liekov a neurostimulácii. Zvukové vlny použité v štúdii síce nie sú škodlivé pre bunky, ale mohli by napríklad preniknúť do vrstvy ľudskej lebky a vytvárať na ňu neželaný tlak.
Vedci plánujú optimalizovať ich metódu tak, aby stabilizovali vytvorenú štruktúru po jej zostavení. Materiál totiž zostáva na mieste, kým je zvukové pole zapnuté, ale hneď ako sa vypne, častice sa začnú usadzovať.
Zdroj: AdvancedScienceNews, FastCompany
(JM)
