Некоторые технологии, которые стали крайне популярные в последние годы, кажутся нам детищем современной науки. Однако многие из них зародились еще несколько десятков лет тому назад и лишь спустя долгий и тернистый путь совершенствования достигли того вида и функционала, который нам знаком. Вышесказанное отлично описывает аддитивные технологии, которые появились еще в 80-ых, но тогда их функционал и механизм работы сильно отличался от современных. Возможность создавать с помощью 3D-принтера практически любой предмет из практически любого материала сделала это устройство не только популярной игрушкой, но и важным инструментом для ученых из самых разных отраслей науки, от инженерии до медицины. Но 3D-принтеры, как и любая другая технология, продолжают развиваться, а ученые ищут все новые и новые пути сделать их еще более эффективными и расширить спектр их применения. Так ученые из Общества научных исследований имени Макса Планка (Мюнхен, Германия) решили объединить акустику и аддитивные технологии, создав принтер, способный печатать трехмерные объекты посредством звуковых волн. Какой принцип работы нового устройства, что делают звуковые волны, и насколько эффективна данная методика? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

До появления аддитивных технологий основным методом изготовления какого-либо объекта являлось удаление лишнего материала с заготовки. Ярким примером тому может быть вырезание из куска дерева какой-то фигурки. Аддитивные технологии предложили это процесс обернуть вспять, т. е. изготавливать объект путем послойного добавления материала.

Суть в том, что и удаление, и добавление материала это поэтапный процесс, требующий времени. Нельзя просто нажать кнопку и получить готовый отпечатанный предмет за мгновение ока, т. е. в один этап. Или все таки можно?

Концепция одноэтапного (или моментального) производства (one-shot fabrication) циркулирует в научном сообществе уже какое-то время. Реализация этой концепции требует, чтобы трехмерная форма объекта определялась подходящим распределением интенсивности генерируемого светового поля, например, фотоинициируемой реакцией полимеризации. Однако формировать оптические поля моментально в компактном трехмерном объеме с помощью общедоступных устройств и пространственных модуляторов света весьма затруднительно. Под компактными трехмерными полями подразумеваются поля, которые демонстрируют размеры будущих объектов в одинаковых масштабах длины во всех трех измерениях. Для проецируемого изображения достижимое боковое разрешение масштабируется как 1/NA, а осевое разрешение — как 1/NA2, где NA — числовая апертура (numerical aperture). Таким образом, для создания компактных трехмерных голографических изображений оптимальное рабочее расстояние должно составлять примерно половину диаметра апертуры, чтобы числовая апертура ≈ 1. Но такие показатели пока возможны только для микроскопических объемов.

Примеры оптической компьютерной голографии (CGH от computer-generated holography) при больших размерностях имеют соответственно меньший NA, а полученные изображения вытянуты на несколько порядков в направлении распространения луча, что ограничивает их использование для изготовления компактных объектов. Предлагаемые решения этой проблемы до сих пор основаны на нелинейной активации фотоинициатора.

Одним из многообещающих подходов является последовательное освещение вращающейся камеры под разными углами для получения проекционной томографии. В этом случае необходимо, чтобы химический сшиватель активировался только тогда, когда накопленная световая энергия превысит определенный порог.

Альтернативный подход, называемый ксолографией, основан на двухфотонном возбуждении с разными длинами волн и, следовательно, позволяет реализовать разделение на два луча: один освещает плоскость со сфокусированным световым полотном, а второй проецирует соответствующее поперечное сечение объекта на эту плоскость. Поскольку необходимы обе длины волны возбуждения, реакция полимеризации одновременно инициируется только в одной плоскости. Проще говоря, оба вышеописанных метода все еще остаются поэтапными, а не одноэтапными.

Альтернативой свету в данном случае может быть звук, а точнее звуковые поля, которые создают акустические силы для сборки объекта. Этот подход имеет явное преимущество, заключающееся в непосредственном манипулировании целевым материалом, таким как частицы или даже клетки. Кроме того, применение ультразвука при определенных интенсивностях является цитосовместимым и не требует использования химических добавок, таких как фотоинициаторы.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают новый метод моментальной (одноэтапной) трехмерной сборки материи в произвольные формы с использованием ультразвука путем объединения нескольких акустических голограмм.

Результаты исследования

Изображение №1

Ученые отмечают, что длина волны ультразвука в водной среде на мегагерцовых частотах примерно на три порядка больше, чем у видимого света. Однако экспериментальные размеры и размеры апертуры, которые были использованы на практике, имели тот же порядок. По этой причине осевое и радиальное разрешение хорошо масштабируются, и удается достичь одинакового разрешения во всех трех пространственных направлениях. Наложение одновременных полей под разными углами приводит к акустическим полям с высокой точностью из-за более широкого диапазона доступных волновых векторов (по сути, гораздо большей числовой апертуры).

Концепция и рабочий процесс исследуемого метода представлены на изображении выше. Целевой объект (1A) сначала преобразуется и переносится в вычислительный объем (1B). В зависимости от решаемой задачи количество и ориентация голограмм и преобразователей выбираются и размещаются относительно цели. На практике было обнаружено, что наиболее удобным является ортогональное размещение, поскольку оно очень эффективно использует пространство и позволяет быстрее вычислять комбинированные поля. Далее проводилось вычисление фазовых карт для всех голограмм, используя алгоритм оптимизации (1C). В этом моделировании использовались три преобразователя с частотой 3.5 МГц и диаметром 50 мм. Результаты для сгенерированных трехмерных полей давления в форме целевого объекта показаны на 1D. Изображения давления в форме 3D-цели и будут управлять процессом сборки.

Стоит также отметить, что синтез трехмерных полей, формирующих целевой объем или форму, является сложной задачей и активной темой исследований в CGH. Цель CGH — найти пространственное распределение фазы и амплитуды падающего волнового фронта, которое после дифракции сформирует целевое изображение. Цель достигается за счет оптимизации выходного акустического поля в соответствии с экспериментальными ограничениями, такими как профиль падающего луча и модальности формирования волны. Последний указывает, можно ли контролировать амплитуду или фазу (или и то, и другое).

Методы CGH для 2D-изображений хорошо развиты, однако добавление третьего измерения создает дополнительную проблему, заключающуюся в том, что часто оптические или акустические волны должны распространяться по областям с сильно различающейся интенсивностью, в то время как необходимо сохранять сохранение энергии. Таким образом, некоторые желаемые трехмерные целевые изображения могут быть физически нереализуемы.

Эффективным способом быстро сделать вывод о допустимости объемных полей без необходимости проведения трудоемких расчетов распространения объемных волн является анализ трехмерного пространственно-частотного спектра целевого объекта.


Изображение №2

На 2A показано примерное поле фокальных пятен (областей, где желательна высокая интенсивность), расположенных так, чтобы образовать вершины правильного икосаэдра (многогранник с 20 гранями). Его трехмерное преобразование Фурье (FT от Fourier transform) (2B) по существу соответствует разложению на плоские волны, каждая из которых представлена своим волновым вектором (k). Таким образом, для монохроматического освещения (озвучивания) с длиной волны λ₀ этот спектр должен быть ограничен поверхностью сферы, а именно сферы Эвальда, радиус которой равен волновому числу ∣k∣ = k₀ = 2π/λ₀. Однако источники света или звука ограничены в пространстве. Таким образом, конечная апертура реального источника ограничивает волновые векторы конусом с углом раскрытия α, который определяется размерами источника (2C). Обратное преобразование этого ограниченного спектра с использованием обратного преобразования Фурье (iFT от inverse Fourier transform) показывает одно возможное решение исходного поля. Ученые назвали этот подход методом ограничений Фурье (FCM от Fourier constraint method).

В качестве альтернативы решения могут быть найдены путем изменения сложных фаз точек в пространственном поле, что затем определяет голограмму, которая должна использоваться вместе с источником. Та же процедура может быть распространена на несколько преобразователей с соответствующими голограммами в произвольных (исходных) ориентациях и конфигурациях. Пример спектра, ограниченного двумя голограммами вдоль направлений x и y соответственно, показан на 2C. iFT показывает результирующее поле на 2D, где видны характерные узлы интенсивности (давления) вокруг фокусов.

Повторение этих шагов для вычисления голограммы было названо трехмерным вариантом алгоритма Герчберга-Сакстона (GS от Gerchberg-Saxton) в оптической CGH. Однако это не применимо напрямую в случае с ультразвуком, который будет использоваться для сборки. В ультразвуке необходимо учитывать ближнее поле, в отличие от дальнего поля, обычно встречающегося в оптике, где источник и цель связаны простым преобразованием Фурье.

Прежде чем можно будет применить ограничения источника, становится необходимым распространить волну от изображения к плоскости голограммы. Это распространение осуществляется напрямую с использованием метода углового спектра, примененного к ограниченному спектру, который содержится в сечении поверхности Эвальда относительно угла раскрытия источника.

FCM дает очень хорошие результаты для полей, состоящих только из наборов фокусных точек. Однако у этого метода есть одна проблема — добиться равномерной амплитуды на протяженных участках, что особенно желательно для акустических ловушек, составляющих линии, поверхности или объемы. Поэтому для улучшения однородности амплитуд по протяженным ловушкам ученые прибегли к параллельному вычислению объемного поля с использованием метода углового спектра в сочетании с процедурой оптимизации на основе градиента.

В совокупности можно сказать, что разработанный метод подходит для голографической реконструкции в акустическом ближнем поле и позволяет использовать произвольное количество голограмм в определяемых пользователем положениях и ориентациях для создания сложных трехмерных моделей давления в пространстве.


Изображение №3

Далее ученые приступили к сборке объекта, используя разработанную ими методику. Ученые признают, что концепция использования акустических полей для сборки частиц не нова. Однако в своем исследовании они применяют немного иную тактику. Вместо встречных (то есть стоячих) волн или однолучевых установок они используют наложенные фокусы нескольких лучей. Это приводит к интерференции вокруг фокусов и позволяет выделять положительные акустические контрастные частицы в узлах между высокоамплитудными интерференционными полосами.

Популярной мерой для измерения достижимого потенциала захвата в акустике является потенциал излучения Горькова, который определяется таким образом, что частицы испытывают силу, направленную к минимумам потенциала. Поэтому противоположный знак потенциала отображается в виде изоповерхностей на 3B и 3D. Таким образом, замкнутые поверхности напоминают приблизительную форму агрегатов частиц в наложенном фокальном пятне.

Частицы, использованные в данной работе (например, силикагель), имеют положительный акустический контраст в воде. Это означает, что минимумы потенциала Горькова совпадают с узлами звукового давления. Здесь следует отметить, что эти ловушки не составляют единой связанной потенциальной ямы, в которую попадают частицы. Из-за интерференционных паттернов области захвата задействуют несколько узлов давления вблизи фокальных точек, из-за чего собранная структура получается полосатой (т. е. с промежутками). Следовательно, расстояние между “полосами” может быть уменьшено за счет использования более высоких ультразвуковых частот.


Изображение №4

Захват твердых частиц в определенных местах в трехмерном пространстве был продемонстрирован путем размещения точек захвата в вершинах платоновых тел (правильных многогранников).

В проводимом эксперименте две голограммы были рассчитаны для двух исходных лучей, пересекающихся под углом 90° (4A). Съемный кубический контейнер заполняли суспензией пористых сфер силикагеля в воде и устанавливали так, чтобы он опирался непосредственно на голограммы. Его поверхности были закрыты акустически прозрачными окнами, что позволяло ультразвуковому полю проходить через контейнер с минимальным отражением. Голограммы рассчитывались таким образом, что акустическое изображение формировалось в центре контейнера. В начале эксперимента куб встряхивали вручную, а затем помещали на установку.

Микрочастицы быстро осаждались под действием силы тяжести, однако частицы, которые пересекали места захвата вокруг каждой фокальной точки, удерживались силой акустического излучения. На 4B и 4C показаны снимки конечного состояния после захвата для октаэдра и икосаэдра соответственно.

Видео №1: процесс сборки в реальном времени.

В ходе эксперимента все точки захвата были успешно заполнены частицами, а кластеры этих частиц визуально соответствовали моделированию на изображении №3.

Видео №2: процесс сборки спиральной структуры.


Изображение №5

Комбинация лучей с ортогональных направлений вызывала интерференционные паттерны с узлами давления, которые можно использовать для улавливания и сборки вещества с положительным акустическим контрастом. Это полезно, поскольку большинство материалов, включая клетки, имеют положительный акустический контраст в воде (полидиметилсилоксан является исключением).

Выше показаны сборки биологических клеток (миобласты мышей C2C12) и микроскопические шарики гидрогеля [метакрилат желатина (GelMa)]. Собранные частицы и клетки фиксировали в медленно отверждаемой гидрогелевой среде, что оставляет достаточно времени для осаждения избыточных частиц перед затвердеванием. Эксперименты проводились внутри квадратных кювет, которые были совмещены с преобразователями так, чтобы целевое поле проецировалось к центру среды (5A). На 5B и 5C показано смоделированное поле интенсивности звука и окончательная сборка клеток соответственно. Ученые отмечают, что сборка не образует замкнутую трехмерную сферу, а скорее заполняет объем переплетенными узловыми поверхностями, подобными тем, что показаны на 3D.

Шарики из гидрогеля, помеченные флуоресцентным красителем, были изготовлены на микрожидкостной платформе. Флуоресцентные снимки сфер и их распределение по размерам до (капли) и после отверждения (μGels) показаны на 5D и 5E соответственно.

Затем были рассчитаны голограммы для получения компактной кривой в виде восьмерки, после чего использовалась та же установка для сборки гидрогелевых сфер. На 5F и 5G показаны смоделированные поля интенсивности звука при виде спереди и сбоку соответственно. Пороги для изоповерхностей были выбраны таким образом, чтобы визуально отражать достигнутые сборки. Важно отметить, само акустическое улавливание также основано на пороге, поскольку частицы удерживаются в положениях, обеспечивающих минимальную силу улавливания. При изменении входной мощности преобразователей агрегаты частиц также становятся больше или меньше. На 5H и 5I показаны снимки, полученные с помощью лазерной визуализации.

Видео №3: демонстрация собранных структур.

Ниже показана визуализация трехмерной сборки микрочастиц силикагеля в форме спирали (6А).


Изображение №6

Смоделированное распределение интенсивности этого поля можно увидеть на 6B, а соответствующий потенциал силы излучения Горькова показан на 6C.

Поле звукового давления в данном эксперименте измерялось с помощью сканирования гидрофоном интересующей области. Полученные данные (6D) подтвердили успешную реконструкцию голографической трехмерной формы. При этом максимальное измеренное давление составило 55 кПа. Поскольку было обнаружено, что датчики реагируют линейно во всем экспериментальном диапазоне, эти данные были использованы для оценки максимальной амплитуды давления во время экспериментов по улавливанию, которая составила около 175 кПа. На 6E показан кластер частиц силикагеля под разными углами, чтобы продемонстрировать его трехмерный характер.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали новый метод трехмерной печати, использующий акустические волны. Уникальность данного метода заключается не только в использовании звука, но и в скорости его работы. Желаемый объект может быть «напечатан» буквально за считанные секунды, реализуя концепцию моментального (одноэтапного) производства.

В основе данного исследования лежит вполне известный факт — звуковые волны воздействуют на материю. В ходе экспериментов использовался контейнер, в котором была водная среда и свободноплавающие частицы гидрогеля или клетки. Воздействуя на эти частицы ультразвуком, их можно буквально поймать и зафиксировать в определенном месте. Самым сложным процессом является не сама сборка трехмерного объекта, а его оцифровка в поля ультразвуковой голограммы, которая служит макетом.

По мнению ученых, их труд может стать очень полезен в разных отраслях, в том числе и в клеточной инженерии, где быстрое формирование клеточных кластеров будет очень кстати, ввиду повышенной чувствительности клеток к условиям окружающей среды. Преимущество ультразвука в том, что он мягко воздействует на биологические клетки и может проникать глубоко в ткани. Таким образом, его можно использовать для удаленного управления и перемещения клеток без вреда для них.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?