Сет Горовиц - нейробиолог и доцент кафедры экологии и эволюционной биологии Университета Брауна, а также изобретатель и энтузиаст 3D-печати. В этом отчете он рассказывает о некоторых способах использования своего 3D-принтера, включая новый метод исследования.
Три года назад у меня возникла интересная проблема - мне нужно было для эксперимента устройство, которое могло бы удобно держать живую летучую мышь, но так, чтобы она не могла кусать или двигать головой. Раньше я работал с инженерами, которые изготавливали очень сложные устройства из плексигласа, похожие на клетки, которые хорошо работали, но нужно было иметь несколько штук, чтобы они подходили к летучим мышам разного размера (и вида). Изготовление каждого из них могло занять несколько недель, а стоимость каждого составляла более тысячи долларов.
Примерно в это время в Интернете начали обсуждать комплекты 3D-принтеров, и я решил попробовать и посмотреть, смогу ли я использовать одну из этих вещей для печати держателей для живых летучих мышей по индивидуальному заказу. Я получил небольшой пилотный грант от НАСА в Род-Айленде (исследование имело отношение к интересам НАСА: летучие мыши - любимые предметы для толпы, передвигающейся в темноте) и купил Makerbot Cupcake.

После нескольких месяцев строительства, сборки, разборки, ругани и перенастройки у меня был напечатанный на 3D-принтере держатель для летучей мыши, на печать которого ушло около 50 центов пластика, а на печать ушло всего два часа. Но сколько держателей для бит вам действительно нужно? Пытаясь выяснить, что еще я могу сделать со своим кексом, я понял, что 3D-печать - это новая форма актуализации данных: взятие упрощенного закодированного представления объекта и создание этого объекта - механическое следствие перехода от генов к белкам. А благодаря обилию 3D-данных возможности практически безграничны.
По крайней мере, в течение последнего десятилетия 3D-модели и их изображения были распространены в науке и технике: компьютерная томография создает трехмерные изображения скелетов и плотных тканей, МРТ позволяет сделать то же самое с мягкими тканями. При цифровом моделировании местности на орбите делается несколько изображений с разных точек зрения, что позволяет реконструировать поверхности планет и Луны для 3D-облетов. Но все это имеет свои ограничения: отдельные элементы изображений должны пройти серьезную фильтрацию, чтобы обеспечить четкое представление интересующих областей, что, конечно, означает, что вы отфильтровываете интересные вещи, ища другие. Перекрывающиеся элементы размывают более мелкие структуры, давая вам хороший обзор внешней части вашего объекта, но не имея внутренних деталей, которые не всегда можно восстановить, просто изменив точку зрения. И, конечно же, основным ограничением является то, что это неподвижные изображения. Какими бы красивыми и подробными они ни были, они все равно сводят информацию о сложном объекте к строго визуальной информации. Но когда вы берете эти трехмерные визуальные представления и преобразуете их обратно в физические объекты, вы не только вновь открываете возможности для их визуального изучения, но и получаете детали от нашего изысканно тонкого чувства формы посредством осязания.

Я нашел одно применение, изучив данные моего старого исследования. Большая часть моей работы была сосредоточена на развитии слуха, используя в качестве модели лягушек-быков. Лягушки-быки являются интересной моделью человеческого слуха, поскольку, во-первых, их слух очень похож на низкочастотный (<2500 Гц) слух человека, а во-вторых, их мозг в некоторых отношениях более устойчив и гибок, чем у человека.

Например, лягушки действительно могут восстанавливать свою центральную нервную систему после повреждения, и мы хотели бы, чтобы люди могли это делать, чтобы предотвратить такие вещи, как потеря слуха, вызванная шумом. Но за эту пластичность они платят высокую цену: они также гораздо более подвержены повреждениям от токсинов и условий окружающей среды.
В 2004 году во время записи лягушек один из сотрудников лаборатории заметил и поймал странного взрослого самца лягушки-быка. У него было только одно ухо. В остальном это казалось здоровым, поскольку социальное поведение лягушек очень зависит от слуха; у этой лягушки будут проблемы с размножением и защитой своей территории. Мы поймали его и сделали компьютерную томографию, чтобы посмотреть, сможем ли мы определить степень его порока развития. КТ представляет собой рентгеновские снимки, проводимые по непрерывной спирали вниз по интересующей области, что позволяет создать 3D-модель кости и плотных тканей. КТ-сканирование лягушки (рис. 1) показало, что, хотя ее внутреннее ухо выглядело нормальным с обеих сторон, у нее отсутствовала барабанная перепонка и небольшой кусочек хряща, называемый стременем (или стременем), который соединял внешнюю барабанную перепонку с внутренним ухом.

Только когда мы нашли вторую лягушку с таким же пороком развития, мы начали понимать, что здесь что-то происходит. У этих двух лягушек не было никаких признаков травм, так что, скорее всего, что-то произошло во время развития. Изображения компьютерной томографии заставили нас поверить, что, поскольку внутренние уши выглядят нормально, это может быть похоже на состояние человека, называемое атрезией слуха, которое может вызвать пороки развития наружного и среднего уха, но оставить внутреннее ухо нетронутым. Но теперь, спустя годы, я решил еще раз изучить изображения, на этот раз с помощью 3D-принтера. Я взял необработанные файлы КТ и с помощью программы с открытым исходным кодом ImageJ экспортировал данные одного отдела черепа в виде файла стереолитографии для печати и создал физическую модель, увеличенную примерно в 25 раз (рис. 2).

Как только я взял модель в руки и смог повернуть ее и справиться с ней, я заметил, что на самом деле существует асимметрия в тех областях, где слуховой (8-й) нерв выходит из внутреннего уха, чтобы соединиться с мозгом., что позволяет предположить, что этот порок развития не похож на атрезию слуха. Скорее всего, это произошло из-за воздействия инсектицидов, которые в присутствии УФ-излучения превращались в тератогены и могли вызывать более обширные нарушения на определенных этапах развития. Модель, напечатанная на 3D-принтере, дала более глубокое понимание того, что вызвало аномалию, чем исходные изображения, наблюдаемые на компьютере. Создание физической модели для печати позволяет вам использовать инструменты, которые вы разработали для совместного использования - ваши руки и глаза - чтобы расширить результаты даже за пределы дорогостоящего оборудования и программного обеспечения.
Другой мой интерес - космическое образование и просветительская деятельность, и я хотел применить к этому 3D-печать. Исследование миров (включая Землю) - одно из самых захватывающих человеческих приключений 20-го и 21-го веков, однако волнение почти исключительно исходит от изображений. Глобусы массы и солености Земли, 3D-пролеты каньонов на Марсе и ледниковых трещин на спутниках Юпитера Европы, виды лунных кратеров в высоком разрешении - все это, за редким исключением, доступно только визуально. Физические модели, такие как изготовленные на заказ ограниченные серии форм астероидов, стоят тысячи долларов. Текстурированные глобусы и карты, позволяющие почувствовать горные хребты и формы суши, существуют уже более века и изначально разрабатывались для слепых, но доступны только для обычных обучающих инструментов, таких как земные шары. Так как же вы можете дать образование в области космоса и наук о Земле 37 миллионам людей в мире, которые полностью слепы, не говоря уже о 124 миллионах, которые почти слепы? И помимо этого, насколько больше зрячие люди получат от возможности физически обращаться с моделью астероида?
В 2010 году я начал искать 3D-данные о формах астероидов, чтобы посмотреть, можно ли напечатать 3D-модели космических тел и ландшафта. Я обнаружил множество форм астероидов, полученных на основе данных RADAR (в основном профессора Скотта Хадсона из школы электротехники Университета штата Вашингтон), а также цифровых данных о марсианской местности, полученных группой HiRISE Университета Аризоны. из которых уже использовался в программах космического моделирования, таких как Celestia. Я начал брать эти данные НАСА и (после значительной работы) преобразовывать их в форматы стереолитографии и печатать физические модели астероидов, марсианских спутников Фобоса и Деймоса и даже планетарных объектов, таких как марсианский кратер Гусев (рис. 3).

Но чтобы показать, как темпы онлайн-программного обеспечения влияют на новые идеи в образовании и творчестве, я смог воспользоваться услугами НАСА в создании модели астероида Веста. Веста - второй по массе астероид главного пояса и сильно отличается от большинства других астероидов и космических тел. Мне особенно хотелось сравнить модель Весты с другими астероидами «картофельной формы», такими как Эрос, потому что это означало бы, что кто-то сразу же интуитивно (или, по крайней мере, тактильно) поймет разницу в форме, возникающую на основе принципа гравитации. -индуцированная дифференциация: от груды обломков до почти планеты.
Веста в настоящее время находится на орбите зонда Dawn, который отправляет обратно тысячи прекрасных изображений, НАСА еще не выпустило «официальную» трехмерную модель формы. Но я нашел два способа обойти эту проблему: во-первых, взяв изображения, показывающие вращение Весты, и загрузив их в бесплатную онлайн-программу 3D-моделирования (www.my3dscanner.com). Я смог получить базовое облако точек, форму, основанную на о корреляциях между одинаковыми светлыми и темными точками между последовательными изображениями. Используя это для некоторых деталей, я объединил ее с выпущенной «глобальной картой» Весты и нанес на карту сплющенный овал, полученный на основе формы некоторых орбитальных изображений. Это позволило мне создать 3D-модель с низким разрешением, но точную, еще до официального релиза (рис. 4).

Эта история не о возможности получить выгоду от НАСА, а о демонстрации того, что богатство инструментов и бесплатных данных может расширить возможности заинтересованных. Переход от изображений к 3D-модели и к печатному объекту позволяет создавать собственные масштабные модели Вселенной. Разработать учебную программу, которая позволит слепым почувствовать Срединно-Атлантический хребет и отличить острый лунный кратер от разрушенного погодными явлениями марсианского кратера. А на профессиональном уровне создавайте точные печатные модели местности для тестирования передвижных транспортных средств или транспортных средств для сбора проб, чтобы помочь нам продолжить наши исследования, охватывая более широкую аудиторию и мотивируя новые поколения студентов, зрячих и нет, осознать, что они могут хранить модели Вселенной. в свои руки.
- Сет Горовиц