Американские исследователи разработали универсальную методику 3D-печати по трехмерным массивам данных, полученным в цифровом виде с помощью различных исследовательских методов. Предложенная методика основана преобразовании данных в набор вокселей, из которого затем извлекается информация о смешивании различных материалов при печати, пишут ученые в Science Advances.

Современные методы 3D-печати разработаны, в основном, для печати полимерных объектов, которые подвергаются механической нагрузке или должны держать постоянную форму. Это могут быть, например, протезы, предметы домашнего обихода, детали для мебели. В качестве компьютерной модели, которую использует 3D-принтер при определении программы печати, практически всегда используется заданная геометрическая форма объекта, которая ограничена определенным форматом файла. Кроме того, подавляющее большинство 3D-принтеров могут печать только одним материалом, то есть «одноцветные» объекты — это даже несмотря на то, что сейчас разработаны 3D-принтеры, которые в единственной конфигурации могут печатать даже десятью различными материалами.

Все эти ограничения сильно сужают диапазон объектов, которые можно с достаточным разрешением создавать с помощью трехмерной печати. В частности, 3D-печать практически не используется для визуализации трехмерных данных, полученных в результате тех или иных методов исследования, — это могут быть томограммы, модели биологических тканей, кристаллические структуры или те или иные трехмерные графики. Сейчас все эти объекты можно визуализировать в виде трехмерной модели на экране компьютера, однако не всегда такого представления бывает достаточно.

C. Bader et al./ Science Advances, 2018

Американские исследователи под руководством Нери Оксмана (Neri Oxman) из Массачусетского технологического университета разработали новую методику преобразования трехмерных массивов данных в модель для 3D-печати. Предложенный подход основан на переводе массива данных в набор вокселей — трехмерных аналогов пикселей — и включает в себя несколько основных стадий. Сначала происходит построение каркаса трехмерного изображения – данные представляются в виде набора точек различных цветов, – которое, исходя из информации о разрешении принтера, разбивается на несколько слоев определенного размера. Затем каждому пикселю в каждом слое присваивается информация о «цвете», соответствующему тому или иному материалу, которая затем преобразуется в данные о соотношении этих «чернил» при смешивании для каждого вокселя. На последней стадии для каждого слоя используется методика дизеринга — добавления в изображение псевдослучайного шума для увеличения глубины цвета и сохранения деталей изображения при использовании ограниченной палитры.

Схема обработки трехмерного массива данных для 3D-печати. C. Bader et al./ Science Advances, 2018

С помощью такого метода ученые предложили обрабатывать несколько видов данных: объемные изображения, трехмерные графики, послойные томограммы и различные типы массивов данных, представленных в трехмерных координатах. С помощью моделирования ученые построили и трехмерные модели некоторых объектов, которые с помощью предложенного метода могут быть напечатаны на 3D-принтере: химическая структура белка, карта нейронных трактов  в белом веществе мозга человека, различные ткани человека и мыши. Также для демонстрации возможности метода, ученые специально разработали дизайн маски, состоящий из большого количества сложных структур и включающих несколько цветов.

Трехмерная модель напечатанной с помощью предложенного метода маски, дизайн котрой был разработан специально для демонстрации возможностей метода. Yoram Reshef

Трехмерная модель напечатанного с помощью предложенного метода объемного объекта. The Mediated Matter Group

Трехмерная структура кристаллической структуры аполипопротеина (сверху) и модель трехмерной картины структуры нейронных трактов по данным, полученным с помощью МРТ (снизу). C. Bader et al./ Science Advances, 2018

Модели напечатанных трехмерная структур легочной ткани человека (сверху) и гиппокампа мыши (снизу), полученные по данным конфокальной микроскопии. C. Bader et al./ Science Advances, 2018

По словам авторов работы, с помощью предложенного ими метода можно получать объемные объекты с разрешением 2,3 миллиона вокселей на кубический сантиметр – этого разрешения достаточно и для точного изображения химической структуры сложных молекул, и для построения структуры нервных волокон. При этом исследователи отмечают, что в отличие от предыдущих подобных подходов, разработанный ими метод предполагает значительно меньшее количество стадий на этапе начальной обработки массивов данных, что позволяет потерять меньшее количество информации на данном этапе и значительно увеличить не только разрешение напечатанного объекта, но и скорость подготовки данных для печати. Кроме исследовательских целей, предложенный метод печати трехмерных массивов данных, по мнению ученых, может быть использован я для других целей. В частности полученные с помощью модели могут быть использованы для образовательных целей, при планировании хирургических операций и подготовки к ним, а также, например, для сохранения культурных артефактов. Ученые отмечают, что пока реализация их метода ограничена только технологическими трудностями, в частности необходимостью использовать отдельный прозрачный материал в качестве матрицы для всего напечатанного объекта.

Стоит отметить, что это далеко не первый пример, когда воксельное представление трехмерных изображений используется для оптимизации изделий, полученных с использованием 3D-печати. Например, в прошлом году другая группа американских инженеров разработала программное обеспечение, которое использует метод повоксельной топологической оптимизации для создания материалов с нужными механическими свойствами. Предложенный подход исследователи использовали, например, для печати метаматериалов с заданными свойствами.

Автор: Александр Дубов