聽膩了3D打印的那些事？來看看那些不按常理出牌的3D打印技術！

【概述】

?隨著美國前總統奧巴馬對3D打印技術的提倡，這個行業如同旋風一般掃過傳統工業。醫學，建筑，電子，航空機械等領域對3D打印的探索項目如同雨后春筍。在百花齊放的環境下，幾乎每個月都有新的3D打印概念被提出，每個月都有新的3D打印機器被推出。今天我們要探討的并不是已經風靡業界的SLM或者Polyjet，而是那些比較冷門的概念。

ASTM (美國材料與試驗協會) 在2009 年10 月正式命名三維打印（3D Printing）為增材加工（Additive Manufacturing）。?無奈3DP是個很容易流行的詞，到如今業界還是順口叫3DP。?我們常見的3D打印機都是打印塑料，金屬以及陶瓷材料。當然，生物打印，器官打印等也成了這些年的熱門。

科學家的腦洞永遠是個黑洞，還真就有那么幾個不按照常理出牌的團隊。在這篇我們重點介紹打印冰模型，打印紙模型，以及打印肉這三種概念。打印肉？真肉，真的牛肉羊肉豬肉，口味略重，最后介紹。?本文如果觸犯某些宗教信仰請見諒，這只是一篇耿直的學術報告。

1. 打印冰- 快速凍結原型機（Rapid Freeze Prototyping）。

此概念被密蘇里大學羅拉分校的Ming Leu博士提出。相比于常被用來做鑄造原型的石蠟或者塑料，冰顯然更環保。于是利用3D打印冰原型來制造鑄模成了一個誘人的主意。

在這里稍微科普下鑄造，首先做一個原型，一般是用石蠟或者塑料這種容易塑形的材料。其次，將沙粉或者陶瓷粉覆蓋到原型上（一般加入粘合劑），直到定型。此過程一般稱作沙模?（sand casting）或者脫蠟(investment casting)法。最后，通過加熱固化模具，同時抽離鑄模。

如下圖1所示，快速凍結原型機利用一個準確定位噴頭將水一層一層的撒到冷卻臺上，?液體水快速轉化為固體，形成一個晶瑩剔透的原型。這并不是簡單的灑水，科學家們花了大量的時間研究了熱力學原理，以及水的固液態轉化過程，才準確的定義了水滴的大小，噴水的速度，以及冷卻溫度等。

圖1：快速凍結原型機的工作原理。?摘自文獻1.

夢想：（1）3D打印的冰原型可以被用來制作結構復雜的鑄模原型，天然無污染成本低易脫模。（2）它也可以制作醫療用的透明模型，?方便手術團隊觀察探討內部細節，更好的完成手術計劃。（3）它可以以極低的成本打印漂亮的冰晶模型，比如婚禮上打印一對漂亮的冰晶天鵝，冰晶新人雕塑。以低廉的價格享受水晶的奢華。

現實：（1）在室溫下，制作鑄模的材料顆粒尚未附著上冰原型，微小的冰結構自己就融化了。除非去零下的冷凍室完成沙粉或者陶瓷粉的覆蓋。問題是，溫度越低，這些沙粉或者陶瓷粉的粘合劑流動性越差，很難附著在模型表面。（2）想要使用醫用冰模型，醫生必須不怕冷，能在冷凍室拿著冰模型跟工作人員討論手術細節。（3）美麗的冰晶造型只限冬天在零下的環境下結婚的人，為了這冰雕，酒店暖氣都得關掉。除非你能請來冰雪女王Elsa。

評論：就環保來說，前景還是美好的。他們團隊最近還研究出了用糖溶液來做可溶解支撐的技術，堅持環保。?我們的大東北或者我們在西伯利亞的鄰居可以用快速凍結原型機打印門口的獅子，柵欄，雕塑。不負責的推薦，哈爾濱有關單位可以考慮買幾臺，打印冬天店外的各種冰晶展品，打印一個冰雪小世界。

2. 打印紙- 選擇性紙層積累打印(Selective Deposition Lamination)

Mcor technologies公司在2003年推出了這個紙層積累打印機。此打印機是利用一個激光刀在鍍了一層黏膠的紙長上切出每一層的形狀，然后反復疊加得到最終的3D模型。他們宣稱能打印出100萬種顏色，像素在?5760 x 1440 x 508 dpi 的部件。?圖２解釋了選擇性紙層積累打印的工作原理。　

圖２：選擇性紙層積累打印的工作原理

此機器的工作原理很簡單：鋪一層紙，用激光刀切出這層的形狀；加熱溶解紙上的膠水，兩層緊緊的粘合在一起。是不是想到了我們小學的手工作業？

然而，他們是如何打印出顏色的呢？不要吃驚，他們用的是一個Ｅｐｓｏｎ的２Ｄ彩色打印機！有顏色設計的那層紙用彩色打印機印上顏色，然后鋪過去切。　

夢想：（１）鑒于目前市場打印機使用的材料限制，顏色比較單一。選擇性紙層積累打印機能打印出顏色極其豐富的模型。比如飯館用來展示菜品的紙蘋果，紙香蕉，紙面條，紙碗；用來裝飾的紙燈罩，紙餐巾紙盒，等。（２）環保，紙的廢料可以再用來做紙，無限循環。（３）安全，紙無毒無害，　可安全觸摸。

現實：?明明花幾十塊錢就能買到或者定做到各種顏色豐富，無毒，可觸摸的石膏或者塑料的制品，為何要花大價錢，花功夫弄一個打印機去做呢？?可能我的環保意識還不夠。

評論：?Mcor還不是唯一賣這個打印機的。有一家叫Cubic Technologies 也推出了一款類似的產品。?試想一下，如果花幾十歐元打印一個心形的印著女朋友名字的模型，在情人節那天送給她，會不會被打死呢？忘了提醒，一個等比例打印的紙蘋果售價約為二十多歐元。

3. 打印肉- 3D打印肉（3D bioprintsteak/meat）

本文最重口味最可怕的部分來了，打印肉！WHAT! 打印肉？作為一個吃貨，看到這個概念機的時候，我的內心是顫抖的，是害怕的。?

3D 生物打印（3D bioprint）Modern Meadow公司一直專注于3D打印可供人類食用的肉類以及動物皮革。

2013年，Modern Meadow公司的CEO Andreas Forgacs 的一個會議上提出了打印肉產品這個概念。Forgacs提出，人類花費了大量的資源在肉食品上。譬如一塊牛排就要消耗人力，飼料，水，土地，運輸等，?養殖過程中還產生大量的溫室氣體（二氧化碳）。吃肉造成了如此大的資源消耗，這對我們的地球是一個很大的負擔。因此，我們應該發展3D打印肉制品，保護環境。（對不起，?沒想到吃肉就造成了這么多的麻煩。）

2014年李嘉誠先生投資千萬美元給Modern Meadow可謂是一時熱門。2015年，著名石油大王洛克菲勒的繼承人賈斯丁-洛克菲勒 （Justin Rockefeller）也對Modern Meadow進行了一次數目不明的投資。賈斯汀甚至成了Modern Meadow生產的3D打印牛排的粉絲之一。“我已經吃了3D打印的牛排，它的味道像咸牛肉片，很美味。”

那么，3D打印肉的原理是什么呢？

圖3：?3D 打印肉流程示意圖

首先，提取豬身上的細胞，利用3D 打印技術完美的模擬出肉組織細胞的分布結構。比如，肉中的軟骨支架，血管，不同部位不同類型的細胞分布等。

其次，3D打印的微型細胞結構，在模擬的跟動物身上完全一樣的環境下，進行自然分化（這樣欺騙細胞真的好嗎？）。例如，五花肉細胞就完全模擬五花肉的受力情況以及結構。

最后，微型細胞結構開始從肉細胞長成肉塊，成熟后直接做成香腸，肉排等。想吃五花肉就打印五花肉的結構，肥瘦相間，完美五層。想吃豬腳就打印豬腳，從此還省了啃骨頭的苦工。是不是很方便，是不是很環保？從此養殖戶屠宰場成歷史。

最近，打印肉的概念還掀起了一輪道德議論。我們既然可以用豬肉細胞打印豬肉，那是否可以創造新的肉？?比如用牛的細胞豬的組織結構，制造出來的是不是就變成牛肉味的五花肉呢？更恐怖一點，人肉是否也變成了餐桌上的一種選擇呢？對于素食者來說，他們提倡保護動物善待生命，那么是否也應該保護動物細胞？還是開始吃3D打印的肉呢？?細胞是個有生命的寶寶還是無生命的物體？

這些道德探討就交給那些道德家。對于我們普通大眾，最關心的莫過于，3D打印肉會不會像轉基因食品一樣偷偷的包抄我們的餐桌？據Andreas Forgacs, 也就是Modern Meadow公司的CEO估計，一磅3D打印肉的成本高達數千美元。所以，至少最近這十年一般人是吃不起的。反向來說，如果生物3D打印技術能進步到打印肉跟真的動物肉價格差不多，那么，可移植的器官打印還會遠嗎？

最后，Modern Meadow公司已經開始在美國各大城市開放試吃3D打印肉的活動。

備注：其實生物打印最先的概念是利用細胞分化打印人體可移植器官，用來幫助那些需要器官移植的病人。最新的研究報道中，有科學家成功打印了兔子的軟骨并完成了移植手術。這項技術在醫學方面的價值不可估量。

換個方向，如果能大批量的打印毛皮，象牙等，人類對瀕危野生動物的偷獵情況是否能有所改善？?

【參考文獻】

1. Wei Zhang, Ming C. Leu;', Zhiming Ji, RAPID FREEZING PROTOTYPING WITH WATER. Materials & Design，Volume 20, Issues 2–3, 1 June 1999, Pages 139–145

2. http://www.i3dpworld.com/application/view/639

3. https://3dprintingindustry.com/news/update-andreas-forgacs-on-3d-printed-meat-6610/

4. https://all3dp.com/meat-3d-printing/

本文由Lina投稿，材料牛編輯曉fire編輯整理。

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