Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

3D-tulostus CT-skannausanalyysiin, avaruusopetus

Seth Horowitz on Brownin yliopiston ekologian ja evoluutiobiologian laitoksen neurotieteilijä ja apulaisprofessori sekä valmistaja ja 3D-painatusharrastaja. Hän jakaa tämän raportin jollakin tavalla, jolla hän on käyttänyt 3D-tulostinta, mukaan lukien uusi tutkimusmenetelmä.

Kolme vuotta sitten minulla oli mielenkiintoinen ongelma - tarvitsin laitteen kokeilulle, joka olisi voinut pitää elävää lepakkoa mukavasti, mutta siten, että se ei voinut purkaa tai siirtää päänsä. Aiemmin olen työskennellyt insinöörien kanssa, jotka tekisivät hyvin monimutkaisia ​​pleksilaseja, häkin kaltaisia ​​laitteita, jotka toimivat hyvin, mutta sinun täytyi olla useita, jotta ne sopisivat eri kokoluokkiin (ja lajeihin). Jokainen voi kestää viikkoja, ja kustannukset olivat yli tuhat dollaria.

Noin tällä kertaa 3D-tulostinsarjoja alettiin puhua verkossa ja päätin, että yritän nähdä, voisinko käyttää jotakin näistä asioista muokattuihin live-bat-haltijoihin. Sain pienen pilottihankkeen NASA: n Rhode Islandin tilasta (tutkimus koski NASA: n etuja - lepakot ovat rakkaita aiheita liikkuvassa-pimeässä väkijoukossa) ja ostivat Makerbot Cupcaken.

Useiden kuukausien rakentamisen, kokoonpanon, purkamisen, kiroamisen ja uudelleenkonfiguraation jälkeen sain 3D-painetun bat-haltijan, joka käytti noin 50 senttiä muovia ja vei kaikki kaksi tuntia tulostettavaksi. Mutta kuinka monta lepakoiden haltijaa todella tarvitset? Yritin selvittää, mitä muuta voisin tehdä Cupcaken kanssa, tajusin, että 3D-tulostus on uusi muoto tietojen toteutumista - ottaa objektin yksinkertaistettu koodattu esitys ja luodaan kyseinen objekti - mekaaninen seuraus geenien siirtymisestä proteiineihin. Ja kun 3D-tietoja on runsaasti, mahdollisuudet ovat lähes loputtomat.

Viimeisten kymmenen vuoden ajan 3D-mallit ja niiden kuvat ovat olleet yleisiä tieteen ja tekniikan aloilla - CT-skannaukset luovat kolmiulotteisia kuvia luurankoista ja tiheistä kudoksista, MRI sallii saman pehmeissä kudoksissa. Digitaalinen maastomallinnus ottaa useita kuvia eri näkökulmista kiertoradalla, jotta planeetan ja kuun pinnat voidaan rekonstruoida 3D-läpivienteihin. Mutta kaikilla näillä on luontaisia ​​rajoituksia - yksittäisten kuvien elementtien täytyy lähteä läpi huomattavan suodatuksen, jotta näkyvät kiinnostavat alueet ovat selkeät, mikä tarkoittaa tietysti suodattaa mielenkiintoisia asioita etsimällä toisia. Päällekkäiset elementit hämärtyvät hienostuneemmista rakenteista ja antavat sinulle mukavia katsauksia kohteen ulkopuolelta, mutta niissä ei ole sisäistä yksityiskohtia, joita ei aina voida palauttaa vain muuttamalla näkökulmastasi. Ja tietenkin suuri rajoitus on, että nämä ovat still-kuvia. Riippumatta siitä, kuinka kauniita tai yksityiskohtaisia, ne rajoittavat yhä tietoja monimutkaisesta objektista tiukasti visuaaliseen informaatioon. Mutta kun otat nämä 3D-visuaaliset esitykset ja muutat ne takaisin fyysisiksi kohteiksi, et vain avaa mahdollisuuksia tutkia niitä visuaalisesti, vaan myös saada yksityiskohtia hienostuneesta hienosta muodosta tunteen kautta.

Kuvio 1. CT-skannaus aikuisten härkätaistelussa, jossa on epämuodostuma

Löysin yhden sovelluksen tutkimalla tietoja vanhasta tutkimuksesta, jonka tein. Suuri osa työstäni on keskittynyt kuuntelukehitykseen, jossa on käytetty bullfrogs-mallia. Bullfrogit ovat mielenkiintoisia malleja ihmisen kuulemiselle, koska heidän kuulonsa on hyvin samanlainen kuin matalataajuinen (<2500 Hz) kuulo ihmisillä ja toiseksi heidän aivonsa ovat joustavampia ja joustavampia kuin ihmisillä.

Esimerkiksi sammakot voivat itse elvyttää keskushermostonsä vaurioiden jälkeen, mitä haluamme, että ihmiset voisivat ehkäistä sellaisia ​​asioita kuin melun aiheuttama kuulon heikkeneminen. Mutta he maksavat hinnan tästä pehmeydestä - he ovat myös paljon alttiimpia ympäristömyrkkyjen ja -olosuhteiden aiheuttamille vaurioille.

Vuonna 2004 sammakkoennätyksen aikana yksi laboratorion jäsen havaitsi ja sai kiinni paritonta aikuista urospuolista rusetta. Siinä oli vain yksi korva. Se tuntui muuten terveeltä, koska sammakot ovat hyvin riippuvaisia ​​kuulosta sosiaalisen käyttäytymisen kannalta; tällä sammakolla oli vaikeuksia kasvattaa ja puolustaa aluettaan. Saimme sen kiinni ja otimme CT-tarkistuksen, jotta voisimme selvittää, voisimme määrittää sen epämuodostuman laajuuden. CT-skannaukset ovat röntgensäteitä, jotka on otettu jatkuvalla kierteellä kiinnostavalla alueella, jonka avulla voit luoda luun ja tiheän kudoksen 3D-mallin. Sammakon CT-skannaus (kuvio 1) osoitti, että vaikka sen sisäkorva tuntui normaalilta molemmilta puolilta, siitä puuttui korvakoru ja pieni rusto, jota kutsuttiin muoteiksi (tai stapediumiksi), jotka liittivät ulkoisen tympanin sisäkorvaan.

Kuva 2. CT-tietoihin perustuva 3D-painettu malli

Vasta kun löysimme toisen sammakkoa, jolla oli sama epämuodostuma, aloimme ymmärtää, että tässä on jotain tapahtumassa. Nämä kaksi sammakkoa eivät osoittaneet vahinkoa, joten oli todennäköisempää, että jotain tapahtui kehityksen aikana. CT-skannauskuvat saivat meidät uskomaan, että koska sisäkorvat näyttivät normaaleilta, tämä saattaa olla samanlainen kuin ihmisen tila, jota kutsutaan auraaliseksi, joka voi aiheuttaa ulko- ja keskikorvien epämuodostumia, mutta jättää sisäiset korvat ehjiksi. Mutta nyt, vuosia myöhemmin, päätin tarkastella kuvia uudelleen, tällä kertaa 3D-tulostimen avulla. Otin raaka-CT-tiedostot ja käytin avoimen lähdekoodin ohjelmaa ImageJ, vietiin kallo-osan yhden osan tulostettavaksi stereolitografiatiedoksi ja luotiin fyysinen malli, joka suureni noin 25 kertaa (kuva 2).

Heti kun sain mallin kädessäni ja pystyin kääntämään sen ja käsittelemään sitä, huomasin, että alueilla, joissa kuulo (8) hermo jätti sisäkorvan liittymään aivoihin, havaittiin tosiasiallisesti epäsymmetria, mikä viittaa siihen, että tämä epämuodostuma ei ollut samanlainen kuin ääni-atresia. Pikemminkin se johtui todennäköisesti altistumisesta hyönteismyrkkyille, jotka muuttuivat teratogeeneiksi UV-valon läsnä ollessa ja voivat aiheuttaa laajempia poikkeavuuksia tietyissä kehitysvaiheissa. 3D-tulostettu malli päätyi antamaan enemmän tietoa siitä, mikä aiheutti poikkeavuuden kuin tietokoneessa havaitut alkuperäiset kuvat. Fyysisen tulostettavan mallin luominen mahdollistaa käytettyjen työkalujen käytön yhdessä - kädet ja silmät - laajentaa tuloksia kalliimpien laitteiden ja ohjelmistojen ohella.

Minun toinen kiinnostus on avaruuskasvatus ja ulottuvuus, ja halusin soveltaa myös 3D-tulostusta. Maailman (mukaan lukien maapallo) etsintä on yksi 20. ja 21. vuosisadan jännittävimmistä ihmisen seikkailuista, ja silti jännitys tulee lähes yksinomaan kuvista. Maan ja suolapitoisuuden maapallot, 3D-kanavat kansoista Marsiin ja jään halkeamia Jupiterin kuun Europa-palvelussa, teräväpiirto-näkymät kuun kraattereille - muutamia poikkeuksia lukuun ottamatta kaikki nämä ja muut ovat saatavilla vain visuaalisesti. Fyysiset mallit, kuten erikoisvalmisteiset rajoitetut asteroidimuodot, maksavat tuhansia dollareita. Tekstiiliset maapallot ja kartat, joiden avulla joku voi tuntea vuoren harjanteet ja maastomuodot, ovat olleet jo yli vuosisadan ajan alun perin sokeille kehitetyt, mutta ne ovat käytettävissä vain yleisissä opetusvälineissä, kuten maapallot.Joten miten voit tuoda avaruus- ja maantieteen opetuksen 37 miljoonalle ihmiselle, jotka ovat täysin sokeita, puhumattakaan 124 miljoonasta, jotka ovat lähes niin? Ja sen lisäksi, kuinka paljon enemmän näkyneet ihmiset pääsevät ulos pystyäkseen fyysisesti käsittelemään asteroidin mallia?

Vuonna 2010 aloin etsiä 3D-tietoja asteroidien muodoista, jotta voisin nähdä, olisiko mahdollista tulostaa avaruuskappaleiden ja maastojen 3D-malleja. Löysin, että RADAR-tiedoista saatiin runsaasti asteroidimuotoja (suurelta osin Washington State Universityn sähkötekniikan koulun professori Scott Hudson) sekä Marian yliopiston Arizonan yliopiston HiRISE-ryhmän tietoja. josta käytettiin jo avaruusimulointiohjelmissa, kuten Celestiassa. Aloin ottaa nämä NASA-pohjaiset tiedot ja (merkittävän työn jälkeen) muuntaa ne stereolitografiaformaatteiksi ja painaten asteroidien fyysisiä malleja, Marsin kuun Phobos ja Deimos sekä jopa planeettatoimintoja, kuten Marsin kraatteri Gusev (kuva 3).

Kuva 3. Pienet tilakappaleet kuvista (yllä) ja 3D-painetut versiot (alla).

Mutta osoittaakseni, miten online-ohjelmistojen nopeus siirtyy uusiin ideoihin koulutuksessa ja valmistuksessa, pystyin nokkaamaan NASAn tekemällä mallia asteroidista Vesta. Vesta on toiseksi suurin massiivinen asteroidi päävyöhykkeessä ja on hyvin erilainen kuin useimmat muut asteroidit ja avaruusalukset. Halusin erityisesti, että Vestan malli verrattaisiin muihin "perunamuotoisiin" asteroideihin, kuten Erosiin, koska se merkitsisi, että joku saisi välittömästi vatsasaalisen (tai ainakin haptisen) käsityksen eron muodosta, joka perustuu painovoiman periaatteeseen -erotettu erilaistuminen karkeasta kasasta lähes planeetalle.

Vestaa kiertää parhaillaan Dawn-koetin, joka lähettää tuhansia kauniita kuvia, NASA ei ollut vielä julkaissut ”virallista” 3d-muotomallia. Mutta löysin kaksi tapaa tämän ympärillä - ensinnäkin ottamalla kuvia, jotka osoittivat Vestan pyörimisen ja ruokkivat ne online-vapaaseen 3D-mallinnusohjelmaan (www.my3dscanner.com), sain peruspistepilven, joka perustuu muotoon vastaavien valojen ja pimeiden pisteiden väliset korrelaatiot peräkkäisten kuvien välillä. Käyttämällä sitä joissakin yksityiskohdissa yhdistin sen Vestan julkaistun "globaalin kartan" kanssa ja kartoitin sen litistettyyn munasoluun, joka on peräisin joidenkin orbitaalikuvien muodosta. Tämän ansiosta pystyn luomaan hieman matalan res, mutta tarkan 3D-mallin jo ennen virallista julkaisua (kuva 4).

Kuva 4. Asteroidi Vesta - kuva Dawn-koettimesta vasemmalla ja 3D-painettu versio oikealla.

Tässä tarinassa ei ole kyse NASAn karkottamisesta - se on osoitus siitä, että runsaasti työkaluja ja vapaita tietoja voi lisätä kiinnostuksen kohteeksi. Kuvien siirtäminen 3D-malliin painettuun objektiin voit luoda omia mittakaavamalleja maailmankaikkeudesta. Luo opetussuunnitelma, joka sallii sokean tuntea Atlantin puolivälin harjanteen ja pystyä kertomaan eron jyrkän, terävän kuun kraatterin ja ilmastoituneen Marsian välillä. Ammattitasolla luodaan tarkkoja maastojen painettuja malleja testataksesi ratsastus- tai näytteenottovälineitä auttaaksemme meitä jatkamaan tutkimusmme, mukaan lukien laajempi yleisö ja motivoimalla uusia sukupolvia, näkeviä ja ei, ymmärtämään, että he voivat pitää maailmankaikkeuden malleja omilla käsillään.

- Seth Horowitz

Osake

Jättänyt Kommenttia