用多个声全息图打印3D物体

在本文中，我们将探讨这种采用多个声学全息图的创新方法的工作原理，并研究其潜在的应用和局限性。

声学全息图是可以将声波塑造成复杂图案的设备。它们由具有特定图案的孔或凸起的3D打印板制成。

声学全息图的原理是在3D打印的表面轮廓上编码所需声波前的相位。作用机制是，当平面声波撞击3D打印板时，它被板上的孔或凸起图案调制，根据预先设计的算法改变其相位和振幅。然后，产生的声波形成一个复杂的形状，可以在3D空间中操纵物体。

使用多个声学全息图进行3D打印

声学全息术本身可以追溯到1960年代中期。直到2016年，一组科学家在《自然》杂志上发表的一项研究提出了一种设计声学全息图的新方法，该方法可以使用迭代算法生成复杂的3D压力场。

他们使用了一种称为声音打印机的设备，该设备由四个板组成，这些板上以特定图案排列了小孔。每一块平板就像一个声学全息图，可以塑造其背后的扬声器发出的声波。他们创造了一个3D压力场，可以通过结合来自不同板块的声波来捕获和移动半空中的粒子。

研究人员使用聚苯乙烯珠、明胶珠和酵母细胞成功打印了各种形状，包括字母、环和金字塔。他们能够一次打印多个对象，并通过在不同的印版之间切换来动态改变它们的形状。科学家们认为，他们的技术可能在生物打印、微流体和软机器人方面有潜在的应用。

最近，同一研究小组在《科学进展杂志》上发表的一篇文章中进一步研究了使用3D全息超声场使用声力组装物质。众所周知，声波会对物质施加力，但随着3D超声场的精确塑造，研究人员发现他们可以控制力景观，并有可能一次性将颗粒组装成整个3D物体。

他们展示了紧凑的全息超声场的产生，并展示了使用声力的一步组装。他们结合了多个全息场，以驱动标准实验室器具内固体微粒、水凝胶珠和生物细胞的非接触式组装。然后通过周围介质的凝胶化固定结构。

在马克斯普朗克医学研究所（the Max Planck Institute for Medical Research）的网站上，该研究的第一作者Kai Melde解释说，关键概念是同时利用多个声学全息图来创建能够捕获粒子的集体场。同时，开发优化全息图场算法的Heiner Kremer指出，将整个3D对象数字化为超声全息场是一项计算密集型任务，需要创建一个新颖的计算例程。

这项新技术在快速原型制作方面显示出巨大的前景，特别是在生物制造方面，传统方法可能很慢，并且可能对生物细胞造成损害。重要的是，这种方法处理具有正声学对比度的物质，不需要反向波、支撑面或支架，这使它与该领域的先前工作区分开来。

为什么使用多个声学全息图进行3D打印及其相对于其他方法的优势

使用多个声学全息影像来操纵对象与其他方法（如光镊或磁场）相比有几个优点。这项技术对于生物制造特别有利，因为它不会对生物细胞施加机械或化学应力（这可能会损害它们）。声学全息图可以形成复杂的形状并操纵不同类型的材料，并且可以同时操纵多个对象。

此外，它们具有更高的分辨率和速度用于3D操作，并且对生物细胞更温和，更安全。

多个声学全息图在3D打印中的应用

3D全息超声领域在组织工程和增材制造中的潜在应用是巨大的，将细胞组装成复杂3D结构的能力可能是该领域的变革。

这项技术可能允许创建复杂的组织，例如器官，然后可用于移植或药物测试。在增材制造中，3D全息超声领域可以通过允许快速组装组件而无需复杂的机械或装配线来彻底改变产品的制造方式。

该研究没有明确提及任何限制，但可能的挑战包括精度和分辨率取决于全息图板的质量和设计，效率受板移动和对齐的影响，基于声学特性的可打印材料范围有限，以及需要额外的步骤稳定性和耐用性。这些限制也可能适用于其他基于声学的3D打印方法。

结论

用于3D打印的多个声学全息图是一种很有前途的技术，可以在一个步骤中创建复杂的3D结构。

该技术使用多个声学全息图来生成压力场，这些压力场可以将固体颗粒、凝胶珠甚至细胞操纵成所需的形状。对生物细胞缺乏机械或化学应力是该技术的显着优势，其在生物打印，微流体和软机器人中的潜在应用非常重要。

必须考虑可能的局限性，例如基于声学特性的可打印材料的精度、分辨率、效率和范围。然而，3D全息超声领域的使用有可能改变组织工程和增材制造领域。

信息源于：azom

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