Удивительно и страшно: ученые создают 3D-объекты со звуком

Аддитивное производство или 3D-печать позволяют изготавливать сложные детали из функциональных или биологических материалов. Обычная 3D-печать может быть медленным процессом, когда объекты строятся по одной линии или по одному слою за раз. Исследователи из Гейдельберга и Тюбингена теперь демонстрируют, как сформировать трехмерный объект из более мелких строительных блоков всего за один шаг.

«Мы смогли собрать микрочастицы в трехмерный объект за один выстрел с помощью ультразвука определенной формы», — говорит Кай Мелде, постдоктор группы и первый автор исследования. «Это может быть очень полезно для биопечати. Используемые там клетки особенно чувствительны к окружающей среде во время процесса», — добавляет Пер Фишер, профессор Гейдельбергского университета.

Звуковые волны воздействуют на материю — факт, известный любому посетителю концерта, который испытывает волны давления из громкоговорителя. С помощью высокочастотного ультразвука, который не слышен человеческому уху, длины волн могут быть уменьшены до миллиметра в микроскопическом диапазоне, который используется исследователем для манипулирования очень маленькими строительными блоками, такими как биологические клетки.

В своих предыдущих исследованиях Пир Фишер и его коллеги показали, как формировать ультразвук с помощью акустических голограмм — пластин, напечатанных на 3D-принтере, которые предназначены для кодирования определенного звукового поля. Они продемонстрировали, что эти звуковые поля можно использовать для сборки материалов в двухмерные узоры. На основе этого ученые разработали концепцию изготовления.

Акустическое поле улавливает частицы

В своем новом исследовании команда смогла продвинуть свою концепцию на шаг вперед. Они улавливают частицы и клетки, свободно плавающие в воде, и собирают их в трехмерные формы. Кроме того, новый метод работает с различными материалами, включая стеклянные или гидрогелевые шарики и биологические клетки.

Первый автор Кай Мелде говорит, что «ключевая идея заключалась в том, чтобы использовать несколько акустических голограмм вместе и сформировать комбинированное поле, которое может улавливать частицы». Хайнер Кремер, написавший алгоритм оптимизации полей голограммы, добавляет: «Оцифровка всего 3D-объекта в поля ультразвуковой голограммы требует больших вычислительных ресурсов и потребовала от нас разработки новой вычислительной процедуры».

Ученые считают, что их технология является перспективной платформой для формирования клеточных культур и тканей в 3D. Преимущество ультразвука в том, что он щадяще воздействует на биологические клетки и может проникать глубоко в ткани. Таким образом, его можно использовать для удаленного управления и перемещения ячеек без вреда.