Машина, която мигновено материализира предмети с помощта на ултразвукови холограми, звучи като нещо, което може да се намери на борда на космическия кораб „Ентърпрайз“ от сериала “Стар Трек”. Но скорошен пробив на германски учени превръща това от научна фантастика в реалност.
В ново проучване, публикувано в списание Science Advances от Института за медицински изследвания „Макс Планк“ и Хайделбергския университет, се разглежда концепция за „безконтактно 3D принтиране“ и как подобна технология би могла да се използва. По конкретно за принтиране на живи тъкани, съобщава Fast Company.
За да изгради определен обект, традиционното 3D принтиране разчита на добавяне на слой след слой. Тази нова концепция обаче използва звукови вълни, които могат да придвижват материята, без да я докосват физически. И най-важното, посочват от изданието – учените са намерили начин да изградят всяка желана 3D форма, използвайки тези вълни.
Според Кай Мелде, водещ автор на изследването, тази технология има голям потенциал при „сглобяването на биологични клетки“, тъй като „ултразвукът е нежен и нетоксичен за клетките, а дистанционното безконтактно сглобяване помага да се запази стерилност“.
По думите му конвенционалните методи за принтиране на жива тъкан имат множество слабости, защото са бавни и прилагат механичен или химичен стрес върху биологичните клетки.
Ултразвукът като задвижваща сила
Ако някога сте били на концерт, то със сигурност знаете, че звукът въздейства върху физическата материя. На това разчита и екипът на Мелде, който преди да започне работата си по този проект вече е манипулирал с ултразвукови акустични полета материя по прости начини като организирането ѝ около една точка или в прави линии.
Научното откритие обаче идва, когато учените се замислят как да използват холограми за оформяне на обекти в 3D пространството, разказва Fast Company, но вместо от светлина, те да се оформят от ултразвук. По друг начин казано, представете си звуковите вълни като невидими ръце, които оформят материята, без да я докосват.
Това, разбира се, не е лесна за решаване задача. Създаването на триизмерни форми изисква използването на множество холографски полета, които се наслояват и взаимодействат помежду си. Алгоритмите, необходими за изчисляване на формите на холограмите, са особено сложни за създаване.
„Един от проблемите при 3D изчисленията е, че изискванията за памет бързо нарастват, когато се добави третото измерение“, казва Мелде. „След това на всичкото отгоре трябва да се изчисли вълновото поле за целия обем – нещо, което се повтаря отново и отново в процеса на оптимизация.“
За да решат това изчислително предизвикателство, учените се обръщат към процесорите, използвани в геймърските карти за визуализиране на реалистични 3D светове, и към TensorFlow на Google – най-популярния софтуер за машинно обучение и изкуствен интелект.
След като изчисленията са направени, е време да се „отпечата“ обектът. Това е сравнително прост процес – вече патентованата машина “изстрелва” ултразвуковите полета, оформяйки биологичните клетки (или всъщност всяка микроскопична материя), които се суспендират в течност, захранваща ги с хранителни вещества, за да ги поддържа живи.
Удивителното е, че това е процес в една-единствена стъпка – обектът се оформя мигновено и изцяло, за разлика от традиционните процеси на 3D принтиране, които отнемат много време заради нуждата от наслояване, посова още Fast Company.
