隨著全球掀起的3D打印熱潮，3D打印技術不斷革新，在醫(yī)療領域也大顯神通。

最近，由美國明尼蘇達大學的機械工程師和計算機科學家開發(fā)的一種新型3D打印技術登上了Science Advances期刊的封面，標志著醫(yī)療3D打印技術取得了新突破！

我們熟知的傳統(tǒng)3D打印，是按照目標形狀，一層一層的在靜止平臺上擠出熔融的材料，就像在蛋糕上擠奶油一樣。

而這項研究，突破了3D打印靜止平臺的束縛，可將電子傳感器直接打印在正在擴張和收縮的器官表面上。不僅如此，該研究團隊使用類似于好萊塢電影中的運動捕捉技術，精準控制打印位置。這種新的3D打印技術未來可應用在跳動的心臟上，或者新冠肺炎患者的肺部診斷和監(jiān)測中。

下面小編給大家解釋一下這項突破性的3D打印技術的原理。

實時3D表面跟蹤

我們知道，傳統(tǒng)的3D打印也需要預先設定好打印的位置。而在移動的物體上進行3D打印需要將打印路徑調整為適應表面上的伸縮運動。

在這項研究中，研究人員將豬肺作為實驗對象，使用運動捕捉跟蹤標記方法，就像在電影中使用的那樣來創(chuàng)建特殊效果。這種方法是將視覺傳感系統(tǒng)與3D打印機集成在一起來跟蹤隨時間變化的3D幾何形狀，從而在可變形的肺部上制造電子柔性傳感器。

過程分為兩個階段：

1． 首先從預先掃描的數(shù)據(jù)集中離線學習了表面幾何圖形的低維參數(shù)模型，以降低后續(xù)在線計算的復雜度；

2．在擠出機頭上安裝了兩個機器視覺攝像機，通過相機實時測量的一組標記來估計離線學習模型中的參數(shù)，從而在線調整了打印刀頭路徑的幾何形狀。

下面這個視頻展示了在打印過程中實時估計形變的自適應3D打印路徑。

EIT柔性傳感器

費了這么大一番力氣打印在器官表面上的電子傳感器當然不一般。如下圖所示，這種電子柔性傳感器由離子水凝膠與EIT技術結合制成的，能夠檢測并監(jiān)視器官的健康狀況。

什么是EIT技術呢？

當人體的局部器官發(fā)生病變時，該部位的阻抗必然與其他部位不同，因而需要用一些醫(yī)學技術來測量人體的生物阻抗，從而對人體的健康和病變進行檢測診斷。

廣泛用于這種檢測的技術就是EIT （Electrical Impedance Tomography），又叫電阻抗斷層技術。其原理是在人體表面電極上施加微弱的電流，并測得其電極上的電勢差，根據(jù)電壓與電流之間的關系重構出人體內部阻抗變化值。

單純的EIT傳感器延展性差，無法直接使用在擴張和收縮的人體器官上。因此，研究人員將離子水凝膠與EIT技術結合，離子水凝膠具有高透明度和可拉伸性，同時可以保持具有高速響應的導電性。為了保持穩(wěn)定性，將銅電極嵌入軟硅膠環(huán)中，共同組成了EIT柔性傳感器。

打印好的EIT柔性傳感器是非常穩(wěn)定的，即使在拉拽下也不會變形。

趣味3D打印

研究人員為了展示這種新型的3D打印系統(tǒng)的空間控制能力，還在伸縮的有機硅表面上打印了人的眉毛，眼睛，鼻子和嘴巴。

未來與挑戰(zhàn)

這項研究的第一作者，明尼蘇達大學機械工程學教授Michael McAlpine說：“我們正在以前所未有的新方式推動3D打印的界限，在移動物體上進行3－D打印已經(jīng)足夠困難，但是要找到一種在其膨脹和收縮時變形的表面上進行打印的方法，這是一個很大的挑戰(zhàn)?！?/p>

不僅如此，未來的3D打印將不僅僅是打印這么簡單，更重要的用途是它可以成為自主機器人系統(tǒng)的一部分。新冠肺炎的大流行讓輔助醫(yī)療專業(yè)人員的機器人技術成為焦點，如果可以將這種3D打印技術應用于采集生命體征的機器人中，從而代替醫(yī)護人員，這對于對抗新冠肺炎這樣的疾病非常重要。