隨著全球掀起的3D打印熱潮，3D打印技術不斷革新，在醫療領域也大顯神通。

最近，由美國明尼蘇達大學的機械工程師和計算機科學家開發的一種新型3D打印技術登上了Science Advances期刊的封面，標志著醫療3D打印技術取得了新突破！

我們熟知的傳統3D打印，是按照目標形狀，一層一層的在靜止平臺上擠出熔融的材料，就像在蛋糕上擠奶油一樣。

而這項研究，突破了3D打印靜止平臺的束縛，可將電子傳感器直接打印在正在擴張和收縮的器官表面上。不僅如此，該研究團隊使用類似于好萊塢電影中的運動捕捉技術，精準控制打印位置。這種新的3D打印技術未來可應用在跳動的心臟上，或者新冠肺炎患者的肺部診斷和監測中。

下面小編給大家解釋一下這項突破性的3D打印技術的原理。

實時3D表面跟蹤

我們知道，傳統的3D打印也需要預先設定好打印的位置。而在移動的物體上進行3D打印需要將打印路徑調整為適應表面上的伸縮運動。

在這項研究中，研究人員將豬肺作為實驗對象，使用運動捕捉跟蹤標記方法，就像在電影中使用的那樣來創建特殊效果。這種方法是將視覺傳感系統與3D打印機集成在一起來跟蹤隨時間變化的3D幾何形狀，從而在可變形的肺部上制造電子柔性傳感器。

過程分為兩個階段：

1． 首先從預先掃描的數據集中離線學習了表面幾何圖形的低維參數模型，以降低后續在線計算的復雜度；

2．在擠出機頭上安裝了兩個機器視覺攝像機，通過相機實時測量的一組標記來估計離線學習模型中的參數，從而在線調整了打印刀頭路徑的幾何形狀。

下面這個視頻展示了在打印過程中實時估計形變的自適應3D打印路徑。

EIT柔性傳感器

費了這么大一番力氣打印在器官表面上的電子傳感器當然不一般。如下圖所示，這種電子柔性傳感器由離子水凝膠與EIT技術結合制成的，能夠檢測并監視器官的健康狀況。

什么是EIT技術呢？

當人體的局部器官發生病變時，該部位的阻抗必然與其他部位不同，因而需要用一些醫學技術來測量人體的生物阻抗，從而對人體的健康和病變進行檢測診斷。

廣泛用于這種檢測的技術就是EIT （Electrical Impedance Tomography），又叫電阻抗斷層技術。其原理是在人體表面電極上施加微弱的電流，并測得其電極上的電勢差，根據電壓與電流之間的關系重構出人體內部阻抗變化值。

單純的EIT傳感器延展性差，無法直接使用在擴張和收縮的人體器官上。因此，研究人員將離子水凝膠與EIT技術結合，離子水凝膠具有高透明度和可拉伸性，同時可以保持具有高速響應的導電性。為了保持穩定性，將銅電極嵌入軟硅膠環中，共同組成了EIT柔性傳感器。

打印好的EIT柔性傳感器是非常穩定的，即使在拉拽下也不會變形。

趣味3D打印

研究人員為了展示這種新型的3D打印系統的空間控制能力，還在伸縮的有機硅表面上打印了人的眉毛，眼睛，鼻子和嘴巴。

未來與挑戰

這項研究的第一作者，明尼蘇達大學機械工程學教授Michael McAlpine說：“我們正在以前所未有的新方式推動3D打印的界限，在移動物體上進行3－D打印已經足夠困難，但是要找到一種在其膨脹和收縮時變形的表面上進行打印的方法，這是一個很大的挑戰。”

不僅如此，未來的3D打印將不僅僅是打印這么簡單，更重要的用途是它可以成為自主機器人系統的一部分。新冠肺炎的大流行讓輔助醫療專業人員的機器人技術成為焦點，如果可以將這種3D打印技術應用于采集生命體征的機器人中，從而代替醫護人員，這對于對抗新冠肺炎這樣的疾病非常重要。