以色列研究者：3D打印陶瓷珊瑚礁，復現(xiàn)珊瑚礁的復雜生活環(huán)境

導讀：珊瑚礁的迅速減少，增加了探索珊瑚礁恢復的跨學科方法的必要性。如今珊瑚礁恢復領(lǐng)域面臨著許多問題，例如缺乏相關(guān)工具和技術(shù)等，珊瑚礁的恢復受到了極大的限制，因此迫切需要研究探索能夠保護珊瑚并促進整個珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)再生的技術(shù)。

2022年5月，南極熊獲悉，來自以色列四所頂尖大學的研究人員開發(fā)了一種新穎的 3D 打印工藝，可以幫助保護全球重要的珊瑚礁。他們在《Science of The Total Environment》發(fā)表了題為《Emerging 3D technologies for future reformation of coral reefs: Enhancing biodiversity using biomimetic structures based on designs by nature》的研究。研究團隊結(jié)合3D掃描、環(huán)境 DNA 采樣和3D打印算法，成功制造了獨特的3D打印陶瓷珊瑚礁，能夠保護珊瑚并促進整個珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的再生。


珊瑚礁保護的新方法


△珊瑚礁保護方法概述


△3D打印用于珊瑚礁保護一覽圖

1. 首先，該團隊掃描了水下珊瑚礁的形貌，獲取了珊瑚礁的照片，從中可以得到準確的三維3D模型。為了計算珊瑚礁的復雜形態(tài)并了解其形態(tài)如何促進珊瑚礁的物種多樣性，研究團隊拍攝了數(shù)千張圖像用于實驗研究。

2.然后，該團隊利用分子方法收集環(huán)境遺傳信息，以提供有關(guān)生活在珊瑚礁中的生物的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)與其他參數(shù)（例如核心珊瑚礁特征）相結(jié)合，應用進“3D技術(shù)算法”，從而構(gòu)建有關(guān)珊瑚礁的交互式參數(shù)模型。然后可以設(shè)計該模型以精確適應所需的珊瑚礁環(huán)境。

3.最后，該團隊使用陶瓷3D打印工藝將數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為實物。此次打印的珊瑚礁材料是一種獨特的陶瓷材料，其在水下具有天然多孔的性質(zhì)​​。據(jù)研究人員稱，所設(shè)計制造的珊瑚礁能夠為珊瑚礁修復提供理想條件。


△從掃描到實物的變化過程

總結(jié)
“現(xiàn)有的人工珊瑚礁難以復現(xiàn)珊瑚棲息地的復雜性，也難以反映自然環(huán)境的珊瑚礁物種，我們引入了一種新穎的可定制3D制造方法，用于利用從珊瑚生態(tài)系統(tǒng)收集的真實數(shù)據(jù)來生成模擬的珊瑚棲息地，更適合珊瑚的生長。”

——第一作者Natalie Levy

“使用天然材料進行3D打印有助于生產(chǎn)高度復雜和多樣化的產(chǎn)品，這是使用通常的模具生產(chǎn)方式無法實現(xiàn)的。”

—— Ezri Tarazi 教授

“使用 3D 打印可以在基于算法的現(xiàn)實解決方案中實現(xiàn)廣泛的行動自由，并為大規(guī)模海洋修復的發(fā)展吸收可持續(xù)生產(chǎn)�！�

——Ofer Berman  

在解決拯救珊瑚礁中有兩個關(guān)鍵問題需要解決。首先，需要一種創(chuàng)新的、適應性強的方法來促進全球珊瑚礁的大規(guī)�；謴停黄浯�，能夠復現(xiàn)珊瑚礁在大小和設(shè)計上的自然復雜性，這將吸引當?shù)氐纳汉�、魚類和無脊椎動物物種促進珊瑚礁的再生。據(jù)該團隊稱，此3D打印算法允許輸入每個珊瑚礁的數(shù)據(jù)，以及具有根據(jù)特定珊瑚礁環(huán)境定制3D打印模型的能力。根據(jù)流程中收集的信息，數(shù)據(jù)可以不斷地重新輸入算法，以評估設(shè)計實施后的有效性和效率。

其他3D打印珊瑚礁
由于全球變暖和沿海地區(qū)城市化加速等因素，世界珊瑚礁正在迅速減少，許多珊瑚礁已經(jīng)滅絕。結(jié)果，這給依賴珊瑚礁生存的海洋生物帶來了巨大壓力，隨后對我們海洋的生物多樣性產(chǎn)生了災難性影響。

●增材制造是正在探索的眾多技術(shù)之一，以幫助珊瑚礁恢復健康，早在2015年研究者就開始嘗試生產(chǎn)3D打印珊瑚礁，此后的研究在將3D打印的珊瑚結(jié)構(gòu)融入海洋環(huán)境方面取得了積極成果，證明了該技術(shù)有助于恢復天然珊瑚礁的潛力。


△人造珊瑚礁

●劍橋大學和加州大學圣地亞哥分校最近的項目已經(jīng)成功地對能夠生長微型藻類群落的珊瑚模擬結(jié)構(gòu)進行生物打印。


△帶有藻類的 3D 生物打印珊瑚結(jié)構(gòu)。照片來自劍橋大學。

●來自香港大學的科學家對陶土磚進行3D打印，促進珊瑚礁的附著。


△使用3D機器人粘土打印機3D打印陶土瓷磚。圖片來自香港大學。


原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.154749