Ученые предложили печатать трехмерные массивы данных на 3D-принтере

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.

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.

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.

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 и для других целей. В частности, полученные с помощью такого подхода трехмерные модели могут применяться 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.

Александр Дубов