科学和技术大观,3D打字与印刷走进太空

原标题:3D生物打印机要上国际空间站

不久前在国际空间站,俄罗斯宇航员利用3D打印技术制造出了老鼠甲状腺,这是人类首次在太空打印生物器官。

不久前在国际空间站,俄罗斯宇航员利用3D打印技术制造出了老鼠甲状腺,这是人类首次在太空打印生物器官。

  据《电气和电子工程师协会(IEEE)光谱》杂志近日报道,3D生物打印技术当前方兴未艾,研究人员已成功打印出人体皮肤碎片,但这项技术仍未进入临床阶段。相比之下,打印器官则是一项艰巨的任务,因为器官由多种细胞组成,并与血管和神经交织在一起。

在太空工作生活并不容易,经常出现物资匮乏情况。依赖地球“补给”制约着人类向深空探索。2014年,美国向国际空间站运送了世界首台太空3D打印机,先后打印出一系列太空专用零部件,揭开了人类“太空制造”“自给自足”的序幕。

在太空工作生活并不容易,经常出现物资匮乏情况。依赖地球“补给”制约着人类向深空探索。2014年,美国向国际空间站运送了世界首台太空3D打印机,先后打印出一系列太空专用零部件,揭开了人类“太空制造”“自给自足”的序幕。

科学和技术大观,3D打字与印刷走进太空。而像阿列维(Allevi)这样的公司,正努力迎接这一挑战。该公司近日与太空制造(Made
in
Space)公司建立了新的合作伙伴关系,希望能在微重力环境下打印生物材料甚至器官,届时或能使太空生物医疗梦想照进现实。

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一般来说,当国际空间站内缺少某种工具或部件时,宇航员们就得花上数周甚至数月等待地面送来物资补给。有了太空3D打印机,技术人员在地球上设定出物品的制造程序,然后用电子邮件发送至国际空间站,整个过程耗时不到一周,而实际打印时间只有约4小时。

两公司拟将3D生物打印机送入太空

资料照片:在轨3D打印机在法国波尔多进行抛物线失重飞行试验(4月19日翻拍自视频资料)。新华社记者
刘潺 摄

除了时间成本,太空3D打印所节约的运输成本同样可观。空间站、基地或复杂航天器的系统由许多部分组成。尽管在建造时就力求可靠,但仍然面临着零件损坏、系统升级等问题。如果携带大量预制零件进入太空,就会大大增加高昂的发射费用。如采用太空3D打印技术,只需将原材料和轻型打印机带入太空,从而就地制造所需零部件,最大限度减少发射重量并提高工作效率。未来,当人类能够从其他星球表面开采原材料时,还能在太空建立“零件工厂”,进一步减轻航天器的发射重量,节约空间。

在前往火星的长途航行中,宇航员可能受到可怕的灼伤,还会沾染化学物质;在更遥远的未来,火星殖民者还可能患肝功能衰竭……如果能打印出一片新皮肤,或打印出替代器官,这将成为宇航员生命的“守护神”。但目前,人类的太空飞行能力和3D生物打印技术还远远无法实现上述场景。

一般来说,当国际空间站内缺少某种工具或部件时,宇航员们就得花上数周甚至数月等待地面送来物资补给。有了太空3D打印机,技术人员在地球上设定出物品的制造程序,然后用电子邮件发送至国际空间站,整个过程耗时不到一周,而实际打印时间只有约4小时。

3D打印技术在太空的操作环境与地球大不相同,技术难度也不一。在地球上,依靠重力,3D打印机挤出的加热塑料、金属或其他材料能自然地沉积,一层一层打印出三维物体。而在太空零重力条件下,需要使用以给定速率旋转的离心机来确保材料沉积到位,或者修改3D打印的过程来使设备平稳运行。不过,原本基于地球的3D打印技术更容易适应有着微重力环境的月球和火星。

3D生物打印用是专门的3D打印机,挤出生物材料和细胞,逐层构建组织。最近,Allevi公司设计了“零重力”(ZeroG)生物挤出机,能在微重力下打印生物材料。该公司与已有两台3D打印机被送上国际空间站的太空制造公司建立合作,这是迈向实现上述科幻医学场景的第一步。

除了时间成本,太空3D打印所节约的运输成本同样可观。空间站、基地或复杂航天器的系统由许多部分组成。尽管在建造时就力求可靠,但仍然面临着零件损坏、系统升级等问题。如果携带大量预制零件进入太空,就会大大增加高昂的发射费用。如采用太空3D打印技术,只需将原材料和轻型打印机带入太空,从而就地制造所需零部件,最大限度减少发射重量并提高工作效率。未来,当人类能够从其他星球表面开采原材料时,还能在太空建立“零件工厂”,进一步减轻航天器的发射重量,节约空间。

3D打印技术的“升空”还面临着人手不足的问题。在缺少太空人员甚至无人监督的情况下,制作、提取、运送、安装等整个打印过程,都需要借助高度自动化甚至全自动化的机器人来完成系统操作和协调工作。要想实现“太空制造”,机器人自动化技术必不可少,这一技术甚至比在零重力下进行3D打印更复杂,难度系数更高。只有拥有更加智能的机器人,加上外星球“就地取材”技术的突破,人类才有可能通过机器人流水线在太空完成原材料收集、零件装配,甚至是月球或火星基地建造工作。

Allevi公司首席执行官瑞奇·索洛萨诺说:“我们希望它成为即插即用设备,帮助宇航员更好地了解生物材料在太空中的表现。”

3D打印技术在太空的操作环境与地球大不相同,技术难度也不一。在地球上,依靠重力,3D打印机挤出的加热塑料、金属或其他材料能自然地沉积,一层一层打印出三维物体。而在太空零重力条件下,需要使用以给定速率旋转的离心机来确保材料沉积到位,或者修改3D打印的过程来使设备平稳运行。不过,原本基于地球的3D打印技术更容易适应有着微重力环境的月球和火星。

3D打印能设计出高精度的复杂几何模型,其制造过程一度令人叹为观止。然而,与传统制造业相比,材料需特制、量产成本高等限制因素使它看起来似乎有些“华而不实”,与普通人的日常生活还相去甚远。不过,在航空航天、军事、临床医学等尖端领域,3D打印可以在短时间内生产出高度个性化的部件和模型,令高端制造如虎添翼,人们对太空3D打印技术的前景充满期待。

为打印出水凝胶等生物材料,零重力挤出机用一个活塞驱动注射器。技术的关键是对挤出后将立即粘在一起的材料进行管理——这些材料的每一层会与前一层粘合。

3D打印技术的“升空”还面临着人手不足的问题。在缺少太空人员甚至无人监督的情况下,制作、提取、运送、安装等整个打印过程,都需要借助高度自动化甚至全自动化的机器人来完成系统操作和协调工作。要想实现“太空制造”,机器人自动化技术必不可少,这一技术甚至比在零重力下进行3D打印更复杂,难度系数更高。只有拥有更加智能的机器人,加上外星球“就地取材”技术的突破,人类才有可能通过机器人流水线在太空完成原材料收集、零件装配,甚至是月球或火星基地建造工作。

(作者为美国密歇根州立大学航天工程学教授,本报记者尚凯元采访整理)

两家公司似乎都确信,他们可以在不久的将来将挤出机送到国际空间站。索洛萨诺说:“我们在生物材料方面拥有丰富的经验;而太空制造公司知道如何将物品送到太空。”

新浦京www81707con ,3D打印能设计出高精度的复杂几何模型,其制造过程一度令人叹为观止。然而,与传统制造业相比,材料需特制、量产成本高等限制因素使它看起来似乎有些“华而不实”,与普通人的日常生活还相去甚远。不过,在航空航天、军事、临床医学等尖端领域,3D打印可以在短时间内生产出高度个性化的部件和模型,令高端制造如虎添翼,人们对太空3D打印技术的前景充满期待。

《 人民日报 》( 2019年02月20日 17 版)

太空中与地球上将同步实验并对比结果

一旦零重力挤出机集成到国际空间站的打印机内,将有几个更直接的应用。索洛萨诺表示,Allevi公司已经向世界各地的实验室分发了200多台打印机,希望这些用户能够提出科学实验,以便在国际空间站和地球上同时进行实验并比较结果。

关于生物材料在太空如何表现,有很多有趣的科学问题。索洛萨诺说,例如,研究人员可以调查骨骼如何形成,在缺乏重力时会怎样,这对于在太空中度过更长时间的宇航员来说是一个重要问题。

微重力还使生产某些在地球上无法制造的材料和产品成为可能,这些产品非常有用。太空制造公司正在国际空间站上试验制造光纤,默克制药公司正在培育可能对药物输送有用的晶体。

Allevi公司可以说服美国国家航空航天局(NASA)将挤出机带到国际空间站,也可以在国际空间站国家实验室研究人员的要求下发送。无论哪种方式,零重力挤出机都必须通过NASA的安全和验证检查。NASA需要评估所有材料和系统,以确保它们不会对宇航员的健康或国际空间站的操作构成威胁。

最大的挑战是材料

就目前而言,在太空进行3D生物打印也面临诸多困难。

太空制造公司总裁兼首席执行官安德鲁·拉什解释,太空3D打印需要仔细控制挤出过程,“因为你不希望液滴飘走;还需要控制机器的工作温度;此外,微重力环境缺乏我们在地球上习以为常的对流,所以很难保持热部件热和冷部件冷。”

但太空生物打印面临的最大障碍可能是材料。虽然Allevi公司将水凝胶等生物材料送到国际空间站相对容易,但要获得批准发送填充这些水凝胶支架的人体细胞,将更加困难。索洛萨诺说:“我们需要弄清楚在国际空间站上处理细胞的限制是什么。”

作者:刘霞返回搜狐,查看更多

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