به دنیای «نکروپرینتینگ» خوش آمدید: ساخت نازل پرینتر سه بعدی با استفاده از خرطوم پشه

اگر بتوانید آنها را کالبدشکافی کنید، بسیار ارزان‌ تر از نازل‌ های صنعتی خواهند بود. نکروباتیک (Necrobotics) شاخه‌ای از مهندسی است که ربات‌ ها را از ترکیبی از مواد مصنوعی و اجزای بدن حیوانات می‌سازد. این علم تاکنون میکروگریپرهایی (گیره های کوچک) با پاهای پنوماتیک گرفته شده از عنکبوت‌ های مرده و ربات‌های راه رونده بر اساس سوسک‌ های متوفی تولید کرده است. چانگ‌ هونگ کائو، استاد مهندسی مکانیک در دانشگاه مک‌ گیل در مونترال کانادا می‌گوید: «این مقالات نکروباتیک ما را بر آن داشت تا چیز متفاوتی بسازیم.»

نوآوری عجیب در مهندسی مکانیک

به گزارش بخش اخبار علمی زوم تک به نقل از Ars Technica، تیم کائو به سراغ ساخت ربات نرفت؛ در عوض، آنها خرطوم یک پشه ماده را برای کار به عنوان یک نازل در یک پرینتر سه بعدی فوق دقیق تغییر کاربری دادند. و نتیجه؟ به طرز شگفت‌آوری خوب کار کرد.

جستجو در میان نیش‌ ها و زهرها

برای یافتن نازل مناسب برای سیستم نکروپرینتینگ سه بعدی خود، تیم کائو با بررسی گسترده‌ای از نوک‌های میکرو-تزیریق طبیعی کار خود را آغاز کرد. محققان نیش زنبورهای عسل، زنبورهای وحشی و عقرب‌ها؛ دندان‌های مارهای سمی؛ و چنگال‌های هزارپا را مورد بررسی قرار دادند. همه این‌ها برای انتقال مایع به هدف تکامل یافته‌اند، که تقریباً همان کاری است که نازل یک پرینتر سه بعدی انجام می‌دهد. اما همه آن‌ها مشکلاتی داشتند. کائو توضیح داد: «برخی از آن‌ها بیش از حد خمیده بودند و برای چاپ سه بعدی با دقت بالا مناسب نبودند. همچنین، آن‌ها برای انتقال پالس‌های زهر بهینه شده بودند، نه برای یک جریان ثابت و مداوم، که دقیقاً چیزی است که شما برای چاپ نیاز دارید.»

از سوی دیگر، بهینه‌سازی جریان مداوم، ویژگی برخی از خرطوم‌ها بود؛ اندام‌های لوله‌مانند دهانی که برخی حشرات برای مکیدن خون از طعمه خود استفاده می‌کنند. دانشمندان دریافتند که این اندام‌ها معمولاً بسیار نازک و مستحکم هستند تا بتوانند پوست ضخیم را سوراخ کنند و برای تغذیه آسان‌تر، ساختاری مستقیم دارند. به همین دلیل، انتخاب نهایی اهداکنندگان نازل به تصمیم‌گیری بین مگس‌های تسه تسه، پشه‌های خاکی، شته‌ها، ساس‌ها، سن‌های شکارچی و پشه‌های ماده محدود شد. در نهایت، پشه‌ها برنده این رقابت شدند.

چرا خرطوم پشه؟

محققان دریافتند که خرطوم پشه ماده دارای قطر داخلی ۲۰ تا ۳۰ میکرون است که بسیار کوچکتر از اکثر نیش‌ها یا دندان‌های نیش حیوانات دیگر است و ساختاری مستقیم و طولانی دارد که تراز کردن آن را به عنوان نازل آسان می‌کند. کائو گفت: «همچنین این عضو سفت و قوی است که به آن اجازه می‌دهد فشارهای چاپ را تحمل کند.» تنها مشکل باقی‌مانده، ساختن یک پرینتر سه بعدی در اطراف آن بود.

فرایند نکروپرینتینگ (Necroprinting)

کائو و همکارانش دستگاهی را که ساخته بودند «نکروپرینتر سه بعدی» نامیدند. این دستگاه مبتنی بر یک مرحله حرکتی دقیق Aerotech بود؛ یک سیستم موقعیت‌یابی مکانیکی که می‌تواند هد چاپ را با وضوح ۱۰ نانومتر بر روی یک پلتفرم پایدار و ایزوله شده از لرزش حرکت دهد. مکانیسم اکستروژن (تزریق مواد) به خودی خود ساده بود: یک سیستم نوشتن مستقیم جوهر مبتنی بر سرنگ که مواد چاپ را از طریق یک نوک پلاستیکی کوچک فشار می‌داد.

کائو توضیح می‌دهد: «برای ادغام خرطوم، ابتدا آن را زیر میکروسکوپ از یک پشه که قبلاً یوتانایز (مرگ بدون درد) شده بود جدا کردیم.» سپس خرطوم/نازل با خروجی نوک پلاستیکی تراز شد. در نهایت، خرطوم و نوک با رزین قابل پخت با اشعه UV به هم متصل شدند.

این نکروپرینتر به رزولوشنی بین ۱۸ تا ۲۲ میکرون دست یافت که دو برابر کوچکتر از پرینترهایی بود که از کوچکترین نوک‌های فلزی تجاری موجود استفاده می‌کردند. اولین تست‌های چاپ شامل ساختارهای لانه زنبوری با اندازه ۶۰۰ میکرون، یک برگ افرا در مقیاس میکرو و داربست‌هایی برای سلول‌ها بود. اما هنوز زمینه‌هایی وجود داشت که فناوری ساخت بشر توانست بر طبیعت غلبه کند.

چالش‌ های شیشه و فشار

اولین مشکل نازل‌های پشه، مقاومت نسبتاً کم آن‌ها در برابر فشار داخلی بود. کائو گفت: «عملکرد آن چشمگیر بود اما هنوز برای تحمل برخی جوهرهای با ویسکوزیته (گرانروی) بالا بسیار پایین بود.» این جوهرها که بیشتر شبیه خمیر هستند تا یک مایع معمولی، شکل خود را بهتر حفظ می‌کنند که به معنای مدل‌های هندسی دقیق‌تر است که تحت وزن خود فرو نمی‌ریزند یا پخش نمی‌شوند. این مشکلی بود که چاپ‌های آزمایشی کائو تا حدی تجربه کردند.

اما این تنها زمینه‌ای نبود که فناوری ساخت بشر توانست طبیعت را شکست دهد. در حالی که نازل‌های پشه می‌توانستند از نظر دقت از جایگزین‌های پلاستیکی یا فلزی پیشی بگیرند، نمی‌توانستند از نوک‌های توزیع شیشه‌ای که می‌توانند خطوطی با عرض کمتر از یک میکرون چاپ کنند و فشارهای به مراتب بالاتری را تحمل کنند، بهتر عمل کنند.

آینده: ارزان، در دسترس و زیستی

با این حال، محققان ایده‌هایی برای پر کردن حداقل بخشی از این شکاف دارند. کائو گفت: «یک راه حل ممکن استفاده از خرطوم پشه به عنوان هسته و پوشاندن آن با لایه‌های سرامیکی برای ایجاد استحکام بسیار بالاتر است.» و اگر مشکل فشار حل شود، رزولوشن ۱۸ تا ۲۲ میکرون برای بسیاری از موارد به اندازه کافی خوب خواهد بود.

کائو معتقد است که در آینده، پرینترهایی مانند این می‌توانند برای چاپ داربست‌ها برای سلول‌های زنده یا قطعات الکترونیکی میکروسکوپی استفاده شوند. ایده اصلی جایگزینی نازل‌های گران‌قیمت و سنتی چاپ سه بعدی با همتایان ارگانیک و مقرون‌به‌صرفه‌تر است. او می‌گوید مزایای کلیدی نازل‌های پشه، هزینه کم و فراوانی آن‌هاست.

پشه‌ها تقریباً در همه جای زمین زندگی می‌کنند و پرورش آن‌ها آسان است. این تیم تخمین می‌زند که نازل‌های چاپ سه بعدی ارگانیک ساخته شده از خرطوم پشه باید حدود ۸۰ سنت هزینه داشته باشند؛ در حالی که محققان در مقاله خود بیان می‌کنند که جایگزین‌های شیشه‌ای و فلزی بین ۳۲ تا ۱۰۰ برابر گران‌تر هستند. کائو گفت: «ما قبلاً تحقیقات بیشتری را روی خود پشه‌ها آغاز کرده‌ایم و امیدواریم راه حل‌های مهندسی بیشتری توسعه دهیم، نه تنها برای بهره‌برداری از اجساد آن‌ها، بلکه برای حل مشکلات عملی که ایجاد می‌کنند.»