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还有一种创新解决方案是,将每个人的智能手机变成3D扫描仪。加州理工学院阿里·哈吉米瑞(Ali Hajimiri)的研究小组正在研发一种一毫米级芯片(one-millimiter chip),该芯片可以直接安装到智能手机里,将你的智能手机变成一台3D扫描仪。微软首席研究员沙赫拉姆-伊扎迪(Shahram Izadi)和他的同事也在2015年研究出了让普通手机变成3D扫描仪的方法,智能手机加载他们研发的系统后,只需手机自带的摄像头和处理器就可以扫描3D物品。同年,麻省理工学院媒体实验室拉斯卡尔(Ramesh Raskar)的团队发明了一种“偏光式3D技术”(Polarized 3D),该技术极大地提高了3D扫描的质量,未来有一天也许我们的智能手机就能安装上高质量的3D相机。
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接下来有一天,我们将可能实现的是,用手机给某样物体拍个照,用一些3D设计软件修改,然后再3D打印出来一个复制品。
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这里还有一个问题是,很少有人有耐心学习CAD设计软件到底怎么使用,尤其是3D版的。现在大部分“创客”使用的都是开源平台已有的模型,比如从3D模型库Thingiverse上下载一个设计好的模型,直接打印出来。
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3D设计和建模方面当然也有不少进步。目前最具影响力的一些工具是:法国达索的CATIA(1981),波士顿Parametric Technology公司的Pro / E(后来更名为Creo)(1987),旧金山Gary Yost公司的3D Studio(1990年成立,1992年被Autodesk收购后更名为3DS Max),得克萨斯州NewTek公司LightWave3D(1990),波士顿Jon Hirschtick公司的SolidWorks(1995年成立,1997年被Dassault收购),亚拉巴马州Intergraph公司的SolidEdge(成立于1996年,2007年被Siemens收购),洛杉矶Pixologic公司的ZBrush(成立于1999年),Autodesk的Inventor(1999)以及科罗拉多州Last Software的SketchUp(成立于2000年,2006年被谷歌收购)。
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这些工具的问题是,他们用起来实在过于复杂了!虽然它们的功能也越来越强悍,但价格和复杂指数也一直在飙升。但是,过去20年里也出现了很多便宜的甚至是免费的工具,比如开源项目Blender(荷兰,1995)以及FreeCAD(德国,2002),Autodesk 123D(2009),Pixologic的Sculptris(2009)以及Kai Backman公司的TinkerCAD(2011,2013年被Autodesk收购)。
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如何更便捷地进行设计这个问题当然有人尝试解决了。比如,视频游戏Minecraft自从2011年被瑞典设计师马库斯·泊松(Markus Persson)发明出来之后引起了很大的反响。因为连儿童都可以使用Minecraft类似堆积木的概念来设计出复杂的3D模型。
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2014年,法国的西尔万·于埃(Sylvain Huet)用相同的理念研发了3DSlash设计软件,零基础的3D建模爱好者也可以简单快速地学习如何设计。此外,将3D建模应用到iPad等平板电脑,使用云储存分享并促进设计者之间的互相沟通等方面也已经有了大量的尝试。比如,Autodesk的两名前员工埃维·迈耶(Evi Meyer)和埃里克·萨丕尔(Erik Sapir)2014年在旧金山创立了3D设计软件uMake,提供Autodesk的3D设计工具的手机版。再比如,2015年,Autodesk为创客们设计3D物体增加了一个基于云端的服务Forge,与一个风险基金Spark一起来投资这个领域最大胆的想法。2015年,旧金山的王喆柳怡(Rita Wong)发布了Valsfer,一款连接设计者和制造商的社交平台。
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一个3D模型通常都会被编码成STL格式,然后设计师可以用STL编辑工具对它进行修改,比如意大利的开源软件MeshLab(2005年在比萨大学研发的),或加拿大的编辑工具Meshmixer(多伦多大学的瑞安·施密特开发的,后来被Autodesk收购)。当STL文件准备被发送到一个3D打印机时,我们还需要一个工具将STL转化为3D打印机的系列打印指令。这就意味着要将3D模型“切片”,这个过程中使用的软件也因此有时被称为“切片机”。比如,RepRap社区的标准3D打印软件,开源的Slic3r,Ultimaker公司的Cura,俄亥俄州的Simplify3D。
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听起来很复杂对吧?但趋势是简化这个过程,几年内这个行业就会面目全非。比如,微软在3D打印上就有一个全面的商业策略。2013年,微软为Windows 10操作系统推出了3D扫描和建模,微软的用户可以扫描、下载、编辑和打印3D模型。如果你还没有3D打印机,微软还跟Materialise合作提供一种基于云端的服务,可以将你的3D打印物品送货上门。
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当3D打印的工具和过程越来越简单和便捷,直到价格变成消费级后,你就可以3D打印出自己的家具了!步骤很简单:扫描你的茶杯,修改茶杯的3D模型,然后将你自己版本的茶杯打印出来。
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更酷的是,接下来,你可以直接打印出家人和朋友的3D缩微模型了!而不是像现在这样打印出来平面的照片!2015年,洛杉矶的CoKreeate已经开始了这种尝试,他们提供一种3D打印人的复制品的服务,他们用Artec扫描仪做成一个人体3D模型,然后再用一台Z Corp 3D打印机制造一个你的副本。
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最终的目标应该是“双向制造”:从数据库中选择一个物体的三维模型—将它的数字文件3D打印下来—手动修改它—3D扫描它—上传该物品新的数字文件—3D打印新的数字文件,也就是一个崭新的你的设计作品。在这个过程中,手工修改的自由感和3D打印的精确度就被结合到了一起。这方面不乏尝试者,比如,2015年,英国兰开斯特大学杰森·亚历山大(Jason Alexander)的团队发明的混合设计技术ReForm,它专为黏土设计(使用黏土的优势是,直到你把它放进烤箱之前,它都是柔软的,你可以按自己的喜好多次重塑它),将3D建模、打印与手工雕塑融合在一起,创作者可以同时使用3D打印技术和手工雕刻技术制作黏土对象。
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生物打印人体器官
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3D打印在医学发展方面的应用前景如何
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3D打印已经在尝试打印人体组织了,这确实不是在开玩笑。最先认真应用3D打印技术的就是医疗保健行业,因为每个人的身体都是不同的,定制一些医疗辅助产品就很有必要,比如人造牙冠、助听器以及人工髋关节置换材料等。
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如果3D打印可以进一步打印我们身体内部的器官,这就会在医学上带来更大的革命。根据美国卫生和人类服务部提供的数据,现在有超过100 000人正在等待器官移植,每十分钟这个名单上就会多一个名字。人体组织和器官的生物打印已经有不少实验了,几乎每年都有新进展。想象一下吧,3D打印加上再生医学可以在多大程度上改变未来的手术行业。
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1997年,亚利桑那大学生物医学工程项目创始人斯图尔特·威廉姆斯(Stuart Williams),使用nScrypt上的工具制造了被称为生物组装工具(Bio Assembly Tool)的第一版3D生物打印机,2001年,威廉姆斯3D打印出来了一个活的组织。2004年,克莱姆森大学(Clemson University)的托马斯·博兰(Thomas Boland)用喷墨打印技术制造出来了心脏组织。2006年,美国政府通过博兰的专利“活细胞喷墨打印”之时,也是3D生物打印“官方”的诞生时间。同年,牙科市场诞生了专门的3D扫描仪和3D打印机。随后,美国3D打印公司Solidscape推出的D66型3D蜡型打印机也是专门应用于牙科的。
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2007年,3D打印机公司Arcam的打印机被用来打印一个髋关节。2008年,3D打印公司Stratasys发明了一种“生物相容性”的材料,也就是说,人体将不会排斥这种材料。同年,成立于密苏里州立大学的生物打印技术公司Organovo使用nScrypt的3D打印机打印了一个血管。
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2010年,生产定制假肢护套的Bespoke Innovations公司[由斯科特·萨米特(Scott Summit)和肯尼思·特劳纳(Kenneth Trauner)创立于旧金山]开始打印不仅定制化而且外形精致的假肢。斯坦福大学乔尔·萨德勒(Joel Sadler)的团队3D打印的“JaipurKnee”,是普通人也能负担的起的廉价的膝关节,“JaipurKnee”在印度成了大新闻。
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还是在2010年,Organovo公司研发了一台可以打印人体组织的生物打印机,MMX生物打印机。Organovo还开始跟Autodesk合作研发一款3D设计软件,可用于Organovo的NovoGen MMX生物打印机。
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2011年,华盛顿州立大学的萨斯米塔·博斯(Susmita Bose)3D打印出来了一种像骨头一样的材料。2012年,朱尔斯(Jules Poukens)医生开创先河,做了全球首例这样的手术:将3D打印的钛金属下颌骨植入一个83岁的女病人下巴里。
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2013年,科罗拉多一个17岁的高中生3D打印出来了一只机械手臂。华盛顿州的伊万·欧文(Ivan Owen)3D打印了一只机器人的手。同年,普林斯顿大学迈克尔·麦卡尔平(Michael McAlpine)的团队和康奈尔大学的杰森·斯佩克特(Jason Spector)的团队合作打印出了两只耳朵。
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2014年,肯塔基州的创业公司Advanced Solutions推出了一个名为Bio AssemblyBot(BAB)的机器人,以及TSIM(Tissue Structure Information Modeling)软件,这是一款用于生物领域的CAD软件,用户用该软件构建生物模型,然后用BioAssemblyBot制造。TSIM和BAB可以让人们简单地设计和制造生物结构。
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2015年,多伦多大学马特·拉托(Matt Ratto)的团队为一个年轻的乌干达女人3D打印了人工腿的一个关键部件。同年,Organovo3D打印了肾脏组织(但并不像一些媒体报道的那样是整个肾脏)。还在同年,佛罗里达的nScrypt公司研发了TE(组织工程)生物打印机。
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现在很多国家都有3D生物打印机了:瑞士的RegenHu,俄罗斯的Bioprinting Solutions,日本的Cyfuse Biomedical以及中国的捷诺飞(Regenovo),新加坡的Bio 3D。同时,我们也有了第一批“低成本”生物打印机,比如英国的3Dynamic以及费城的Biobots。
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