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教育案例研究

3D 打印意味着实践性学习,以及更有前途的未来

在实验室和教室中进行 3D 打印,无论是今天的研究人员,还是明天的科学家、工程师和设计师,都能解决全球性的挑战。

Objet 3D 打印帮助阐明古人类进化历程

最近,苏黎世大学的人类学研究所在研究尼安德特人出生时的大脑体积时(化石距今约 50,000 年),得出了有关人类进化历史的新见解。利用在 Mezmaiskaya 洞(俄罗斯克里米亚)发现的新生儿遗骨以及在 Dederiyeh 洞(叙利亚)发现的两个婴儿遗骨,Christoph P. E. Zollikofer 教授博士及其团队可以获得有关“尼安德特人产科”、大脑发育模式和人类生活历史演变的新见解。通过对在塔本洞(以色列)发现的女性尼安德特人局部骨盆(由 Dorothy Garrod 在 20 世纪 30 年代早期发现)使用计算机重建技术,这些非凡的研究成果得到进一步发展。通过模拟扫描图像,然后在“塔本女尸”的遗骨中数字化嵌入婴儿遗骨,Zollikofer 教授和 Marcia Ponce de Le’on 博士可以对女性尼安德特人作新的阐述。

由苏黎世大学的人类学研究所开展的研究使用了 Objet 的 PolyJet™ 技术。Zollikofer 教授和他的团队很荣幸能拥有 Eden250™ 3D 打印系统,由此可以使用 3D 建模来进一步加强他们对尼安德特人大脑体积进化的研究结果。

高精度打印使得 Objet 成为唯一的解决方案

Zollikofer 教授首次见到 Objet 系统是在 2005 年的东京大学。大学博物馆的 Gen Suwa 教授拥有一台 Eden™ 系统,他向 Zollikofer 教授展示结合使用 3D 打印在人类学方面的研究发现。“我清楚地知道我们需要引进此技术。我立刻就明确了它的优势,”Zollikofer 教授回忆说。

当时,东京大学的团队正在使用该系统(采用微型 CT 成像技术)来扫描原始人类牙齿化石,然后按比例放大从而分类并显示牙齿的变异及进化过程。“这一直观而简单的应用令我们确信我们需要在内部引进 Objet,”Zollikofer 教授说。尽管还有其他的技术存在,但他明白 Objet 是最能满足他所有需求的工具。“我们需要高精确度的零件以完美复制实际找到的化石。学术研究不允许我们使用任何不准确的化石骨架复制品。Objet 是唯一能够做到这一点的解决方案。”

此外,由于预算有限,Objet 使用的树脂盒又是一个有利的选择。“通常,我们会有预算方面的限制。使用树脂盒,我们就可以根据需要购买材料,而不用大量投资购买材料,除非必须如此,”Zollikofer 教授证实说。

Eden250 让 Zollikofer 教授可以更好地了解出生时的大脑体积。“Dederiyeh 1”(在俄罗斯 Mezmaiskaya 洞发现的尼安德特人化石骨架)的独特之处在于 - 经过评估,该婴儿为出生一周后死亡。“能够找到尼安德特人婴幼儿时期的头盖骨是非同寻常的发现。它能够帮助我们修正我们的发现,然后更好地了解这一时期的大脑发育。在此之前,我们只有较大婴儿的大脑,不得不猜测新生儿大脑的结构,”Zollikofer 教授解释道。牙齿结构、头骨的大小和评估的大脑体积,所有这些都为尼安德特人大脑进化过程提供了大量的佐证。但是由于这些发现具有潜在的巨大影响,在这一科学领域中的挑战始终存在。

“想象一下,发现一个拼图的数百个组成部分,需要在一个给定平面上对其进行重新构建。现在,再加上多年才得到的考古发现以及经年累月形成的变形。您将会遇到一个大难题!”Zollikofer 教授继续说。事实的确如此。在 Dederiyeh 洞的考古发掘持续了大约 15 年,将所有遗骸拼凑成“Dederiyeh 1”的头骨又花费了几年研究时间。使用由大学开发的名为“Form It”的内部软件,Zollikofer 教授可以在使用微型 CT 成像技术扫描发现的化石后,数字化重建不同的尼安德特人大脑。“重新构建化石后,在电脑屏幕上观看这一拼图也是一种挑战。我们发现通过使用 Objet 系统打印 CT 成像部分,难题变得更容易理解,”Zollikofer 教授说。

除了用于现在在机构内被称为“质量控制”的过程以外,Objet 还可用于其他应用:打印各个部分有助于将所有化石放置在正确的位置。另一个使用 Objet 的人类学应用被称为“非损伤复制”。化石是宝贵的财富。一经发现,就必须获得最精细的照顾维护,不仅因为它的稀有性还因为它非常易碎。通过扫描化石,Zollikofer 教授使用 Objet 系统打印各个部分,以便将它们用于硅成型。“对脆弱的头骨化石进行建模几乎是不可能的事情。化石太宝贵了。但是使用扫描技术,就可在进行硅成型时使用复制。Objet 的高精准度和精致细节可以完美地复制原型。这反过来允许进行一些在其他情况下不可能的实验,”Zollikofer 教授解释道。

开启新发现

但那并非全部。可使用 Objet 技术得到新发现。由 Zollikofer 教授命名为“真实的虚拟 (Real Virtuality)”的扫描技术可以帮助揭示肉眼看不到的骨头内部的发现。不能损坏原始化石来揭示内部结构。但是,研究人员可以扫描化石,然后数字化移除外层。通过打印这些结果,有可能得到新的发现。在由大学进行的研究中,利用此技术能更好地了解齿根和内耳腔。打印前按比例增大模型的能力可进一步加强和揭示新发现。

如果所有这些发现不能向感兴趣的公众展示,它们就不具有什么价值。“这可能微不足道,但它是至关重要的!”Zollikofer 教授评论说。“Objet 复制的化石可以在全球各地的展览和博物馆中展出。这对于原始化石而言简直不可能,因为它们很独特并且易碎,所以不允许轻易挪动。”

借助通信和非损伤复制、“真实的虚拟”应用和展示,Objet 技术让人类学家可以更好地利用先进技术了解过去。“Objet 借助其 3D 打印技术帮助我们更好地了解尼安德特人大脑体积的进化,”Zollikofer 教授说。

关注此领域…

因此,未来将会是怎样?苏黎世大学的人类学研究所和 Objet 目前正在准备下一个项目:在“塔本女尸”的骨盆内打印“Mezmaiskaya”的所有发现结果。“在“塔本女尸”的骨盆中嵌入“Mezmaiskaya”的所有化石,然后用 3D 技术打印它们,这是前所未有的技术!我们非常高兴能使用 Objet 进行此联合项目并且计划在全世界展览,”Zollikofer 教授说道。

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