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2020-07-15
正如大家所知道的，在全球新冠肺炎爆發(fā)時(shí)期，3D打印技術(shù)用于打印防護(hù)口罩及面罩，極大的緩解了醫(yī)療資源的不足。
最近3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域又取得了一重大突破。由美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的機(jī)械工程師和計(jì)算機(jī)科學(xué)家開(kāi)發(fā)的一種新型3D打印技術(shù)登上了Science Advances期刊的封面，稱該技術(shù)或?qū)⒂糜谛鹿诜窝椎脑\斷和檢測(cè)。
我們熟知的傳統(tǒng)3D打印，是按照設(shè)計(jì)好的三維圖，一層一層的在靜止平臺(tái)上擠出熔融的材料，從而堆積成型。而這項(xiàng)研究，突破了3D打印靜止平臺(tái)的束縛，可將電子傳感器直接打印在正在擴(kuò)張和收縮的器官表面上。
研究小組的新技術(shù)通過(guò)使用雙攝像頭實(shí)時(shí)創(chuàng)建3D打印的工具路徑，精準(zhǔn)控制打印位置。這種方法不僅可以被醫(yī)務(wù)人員用來(lái)在安全距離內(nèi)監(jiān)測(cè)傳染性患者，它甚至可以被用于診斷和監(jiān)測(cè)感染COVID-19患者的肺部。
下面我來(lái)給大家解釋一下這項(xiàng)突破性的3D打印技術(shù)的原理。
實(shí)時(shí)3D表面跟蹤
在這項(xiàng)研究中，研究人員將豬肺作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使用運(yùn)動(dòng)捕捉跟蹤標(biāo)記方法，就像在電影中使用的那樣來(lái)創(chuàng)建特殊效果。這種方法是將視覺(jué)傳感系統(tǒng)與3D打印機(jī)集成在一起來(lái)跟蹤隨時(shí)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(guò)程分為兩個(gè)階段：
1． 首先從預(yù)先掃描的數(shù)據(jù)集中離線學(xué)習(xí)了表面幾何圖形的低維參數(shù)模型，以降低后續(xù)在線計(jì)算的復(fù)雜度；
2．在擠出機(jī)頭上安裝了兩個(gè)機(jī)器視覺(jué)攝像機(jī)，通過(guò)相機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量的一組標(biāo)記來(lái)估計(jì)離線學(xué)習(xí)模型中的參數(shù)，從而在線調(diào)整了打印刀頭路徑的幾何形狀。
EIT柔性傳感器
費(fèi)了這么大一番力氣打印在器官表面上的電子傳感器當(dāng)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(shù)結(jié)合制成的，能夠檢測(cè)并監(jiān)視器官的健康狀況。
這項(xiàng)研究的第一作者，明尼蘇達(dá)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)教授Michael McAlpine說(shuō)：“我們正在以前所未有的新方式推動(dòng)3D打印的界限，在移動(dòng)物體上進(jìn)行3D打印已經(jīng)足夠困難，但是要找到一種在其膨脹和收縮時(shí)變形的表面上進(jìn)行打印的方法，這是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。”
不僅如此，未來(lái)的3D打印將不僅僅是打印這么簡(jiǎn)單，更重要的用途是它可以成為自主機(jī)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(jī)器人技術(shù)成為焦點(diǎn)，如果可以將這種3D打印技術(shù)應(yīng)用于采集生命體征的機(jī)器人中，從而代替醫(yī)護(hù)人員，這對(duì)于對(duì)抗新冠肺炎這樣的疾病非常重要。
