Новая технология 3D-печати позволяет визуализировать огромные массивы данных

С помощью новой технологии трёхмерной печати уже создано немало впечатляющих объектов, например, модели частицы аполипопротеина (G) и головного мозга с пучками аксонов (H).
Иллюстрация Christoph Bader et al./ Science Advances.

Наряду с беспилотными электромобилями и редактированием геномов 3D-принтеры стали настоящим символом прорывных технологий двадцать первого века. Ещё недавно с помощью этих устройств энтузиасты создавали лишь игрушки и простые детали для техники. Но после успешных экспериментов с напечатанными бионическими протезами, оружием и даже целыми домами, мало кто сомневается, что в обозримом будущем таким способом можно будет создавать практически что угодно, включая настоящие жизнеспособные органы и еду.

Но всё же все, кто имел дело с современными трёхмерными принтерами, знают, что эти устройства далеки от совершенства. Например, большинство моделей печатают в одном цвете, а изделия пусть и перестали выглядеть, словно вырубленные топором, их качество часто оставляет желать лучшего. Теперь команда учёных из Массачусетского технологического института разработала новый подход к созданию трёхмерных объектов, который можно сравнить с переходом от матричных принтеров к лазерной печати в начале 1980-х.

У руля нового проекта встала архитектор и дизайнер Нери Оксман (Neri Oxman), которую сегодня СМИ именуют не иначе как "новой возлюбленной" Брэда Питта. Вместе со своими коллегами она обратила внимание на то, как компьютерные программы превращают модель в команды для принтера, который затем слой за слоем воссоздаёт идею автора в пластике или другом полимерном материале.

Существующий софт для трёхмерной печати рассматривает цифровое описание любого объекта исключительно с точки зрения геометрии. Другими словами, программа преобразует модель в набор простых геометрических форм, которые затем и изготавливает устройство.

Предложенная учёными новая концепция разбивает модель на множество трёхмерных элементов, которые называются вокселами (объёмные пиксели). Происходит это следующим образом. Изначально задаётся внешний контур для имеющегося набора данных или нескольких наборов данных, полученных каким-либо методом визуализации. После этого он разбивается на слои, количество которых зависит от разрешающей способности принтера.

Далее в каждом слое выделяются вокселы, физическое содержание которых определяется в соответствие с заложенной в программу обширной базой данных по различным материалам и их композициям. В результате каждая такая ячейка будущего трёхмерного объекта получает определённый набор данных. Любая зона, в которой не содержится информации о какой-либо субстанции, определяется как прозрачная. В конечном итоге, каждый слой переводится в растровое изображение, компоновка которых и позволяет воссоздать объёмную модель визуализированного объекта.

Такой подход позволяет принтеру печатать фигуры с невероятным разрешением в 2,3 миллиона точек на кубический сантиметр. Но главное, по аналогии с обычной струйной или лазерной печатью, каждый воксел имеет собственный цветовой код. В результате каждая точка снаружи и внутри объекта может быть окрашена в любой цвет, получаемый стандартным смешением красок.

По словам авторов работы, опубликованной в журнале Science Advances и находящейся в открытом доступе, новая технология позволит создавать удивительно реалистичные копии самых разных предметов. Например, это означает, что в программу можно будет загрузить данные магнитно-резонансной томографии и получить самую точную на данный момент копию сердца человека.

С другой стороны, у людей появится возможность сохранять копии произведений искусства, напечатанные с помощью материалов, которые не подвластны времени. Кроме того, метод открывает широкие возможности для дизайнеров, позволяя воплощать самые неожиданные и трудные в исполнении фантазии.

В качестве примера инженеры продемонстрировали несколько напечатанных объектов, в частности, маску замысловатой формы с очень сложной расцветкой, модель головного мозга с пучками аксонов и некоторые другие. В пресс-релизе института учёные признаются, что, по сути, в ходе их исследования родился новый вид искусства.

Напомним, что с другими новостями о достижениях в области трёхмерной печати можно ознакомиться, полистав материалы специального раздела проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru).

Сегодня