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我们能设计、打印自己的身体吗
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不管设计人员的技术如何娴熟，都不可能启动计算机运行“身体的CAD”软件程序。虽然一些新兴软件类型在向这方面发展，但对于一个身高1.78米、体重130斤且右内侧韧带反复受伤的女跆拳道黑带选手来说，为她设计一个新膝盖是不可能的。
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商用设计软件的起源是工程学（产品设计）或计算机绘图（动画或电子游戏）。设计软件工具存在局限的一个原因是在此之前没有人曾想到我们会需要计算机辅助设计身体。如果你想这样做，制造新的身体部件可能与制造新机器部件或创作一部新动画电影具有一样的设计流程。
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为了对“身体的CAD”概念有一个更深入的了解，我来到了西部虽然偏远但环境优美的世界一流科研型大学—犹他大学。几十年来，犹他大学一直是数字成像技术创新的摇篮。犹他大学校友名单上的名字几乎全部与计算机图形有关：奥多比系统公司创始人之一约翰·沃诺克、皮克斯动画工作室创始人艾德·卡特莫尔、硅谷图形公司及后来的网景公司创始人吉姆·克拉克，另一位校友诺兰·布什内尔在雅达利公司工作期间创作了第一个成功商业化的电子游戏《攻破对方大门》（Pong）。
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位于盐湖城的犹他大学依偎在群山的怀抱中，这里夏季是郁郁葱葱的绿色植被，冬季则是白雪皑皑。对于习惯了美国东海岸不那么四季分明的人而言，盐湖城就像月面景色。像一个价值数百万美元的月球表面研究站，犹他大学成立于1994年的举世闻名的SCI研究所（科学计算与成像研究所）就坐落在校园的一角，透过窗户可以远眺层叠的山峰。
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犹他大学SCI研究所的研究目标是融合医学成像、可视化、科学计算和大数据研究等领域。犹他大学给人的一种感觉是万事皆有可能。犹他州人烟稀少，但拥有几个国家公园和穿越原野的风景秀丽的公路，是滑雪者和徒步旅行者的天堂。
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在窗台上摆放着兰花的安静的办公室中，我拜访了SCI研究院的创始人克里斯·约翰逊。克里斯非常冷静，从容不迫，他温文尔雅的举止背后是这样一个事实：过去这些年，他在生物医学计算和成像领域的工作为他赢得了一系列奖项，其中包括最近赢得的“美国电气和电子工程师协会查尔斯·巴贝奇奖”—相当于计算领域的“奥斯卡终身成就奖”。对于我的突然到访，他依然彬彬有礼，并专门带我参观了SCI研究院崭新的四层大楼。
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我问了克里斯一个关键的问题：将来是否会用商用设计软件设计和改进人的身体部位？他的回答是“可能会”。
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克里斯解释说：“现在从几何的角度来看身体过于复杂，而CAD模型则是基于常规的几何形状。”也就是说，我们的身体非常复杂，是由各种材料和复杂形状的组织、骨骼和血管组成的。目前依靠现有的软件和硬件还不可能捕捉足够的细节3D打印真正的活性组织。
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克里斯看到了他所说的医疗成像、大数据、电子游戏动画和传统的计算机辅助设计软件的“大融合”。SCI研究所的科学家们在探索如何以数字形式捕捉和模拟人体，以及开发未来在3D打印活性组织中发挥至关重要作用的软件。其他研究人员正在开发计算机算法，从而巧妙地将扫描的问题器官的横截面与单一的3D计算机模型联系在一起。他们面临的主要挑战仍然是如何最有效地管理医学成像过程中产生的大量数据。
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在更大范围的计算机行业里，商业视频游戏设计者们在捕捉表面细节方面取得了重大突破，并能够更好地理解如何以图形方式描绘我们身体的移动。医疗机构在捕捉人体内更精确的数字细节方面取得了巨大进步。学术界的科学家们也正在建立前所未有的更强大算法，模仿、预测和分析来自于生物系统的数据。
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真正的生物打印（设计并修改活性组织和身体部件）将无法实现，除非实现真正可用的身体CAD。医学成像再强大也只能生成身体已有部位的设计文件，没有软件可以让医学专家设计出一个全新的心脏或者修改一个已有的心脏。
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人体的最大问题是它的不规则形状。我们的身体是几何复杂性的奇迹。我们每个人都有自己独特的身体形状，有着许许多多的表面曲线、不同的细胞类型以及无数的微小细节。更进一步看，人体的皮肤下面存在着像神秘的银河一样复杂的生物世界。
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身体是不断变化的。随着我们的环境、情绪以及食物的不断变化，它们也会喜怒无常、不断变化。无数细胞每天以我们尚不能充分理解的神秘方式生长、愈合和变化，我们还没有解码细胞彼此间如何传递信号。
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传统的设计软件、医学成像和数据分析的进步为3D打印生物替换部件铺平了道路，但是我们会很快看到身体部位商用设计软件吗？目前还不可能。然而我们每年都在向前推进。“我看到了世界上的模拟软件、医学成像、计算机辅助设计系统正在融合。”克里斯开玩笑说，“它将为我们定制药物，这好极了，尤其是如果你将来需要额外的身体部件。”
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在工业产品设计中，设计师们逐渐了解到随着设计工具的不断改进，自然成为越来越有用的灵感来源。身体设计也是如此，生物是数百万年残忍、迭代设计周期的产物。作家与设计预言家珍妮·班亚斯说：“我们一次又一次发现仿生学非常有效，因为它为我们提供了物种转变战略，使我们能够通过模仿地球上38亿年来的设计和策略适应这个星球并在这个星球上繁衍生息。”
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打印人造身体部位
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如果没有针对身体部位的设计软件，当今人们怎么能够打印牙齿和骨骼替代物呢？进行钛下颌置换手术的外科医生怎么能够3D打印出置换下颌的精确形状呢？答案很简单。他们CT扫描患者身体，将捕捉的图像数据形成一个文件，然后将图像文件转换为可以进行3D打印的文件格式。
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由于计算能力大幅增强以及新图形算法的出现，医学成像技术让我们能够比以往任何时候更密切地关注身体内部。医学扫描透过表面，可以看到器官内部并描述其软、硬组织，气室、磨损和堵塞情况。作为历史最悠久、使用最广泛的医学成像技术，X射线通过电磁波能够透视身体。
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超声波是另一种广泛使用的成像技术。超声波像蝙蝠在黑暗中导航一样，通过搜寻从器官反弹回来的声波判断它的形状与表面细节。另一种广泛采用的成像技术是医用核磁共振成像（MRI），其原理是磁化人体内水分子的质子，并将其产生的振动转换成器官和软组织的高清晰度图像。还有一种成像技术称为正电子发射断层造影术（PET），其原理是检测患者吞下或注入患者体内放射性物质的γ射线，并通过γ射线摄像仪对其进行捕捉。
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如果你看过有关医学犯罪的电影，或看过自己的MRI或CT扫描图像，你可能会注意到医学图像并不是一张图片，而是由几十个图像组成，它们分别描绘了身体某个部位的一个横截面。核磁共振和CT扫描等医学图像会用上百个灰色阴影描绘身体：骨骼显示为白色，软组织类似于阴天时天空中细微的颜色变化，空隙（如肺部内侧）则显示为纯黑色。
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在医学成像中，不同类型的细胞有相似的物理密度，在图像中会出现相似的灰色阴影。这些混乱的灰色阴影是将图像数据转换成可3D打印的文件格式的一大障碍。不管怎样，医学图像中的细微阴影必须被解码，才能在计算机设计文件中建模。
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白—灰—黑的渐变并不能为3D打印提供足够的信息，因为复杂的身体结构涉及多种细胞类型，而它们的外观相似，容易混淆。计算机越来越能够区分细微图案，即使是最细微的图像变化，所以还是大有希望的。将灰度图像转换为清晰而有意义的数字数据仍是医学成像研究的主要领域。然而，尽管存在这些限制，医学研究人员和外科医生还是成功地3D打印出各种准确而精密的人造身体部位和外科手术模型。
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生物打印的未来
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