利用超音波即使隔著一堵牆也能做到遠端 3D 列印，甚至還能在人體內進行

機械工程師謝爾溫·福魯吉（Shervin Foroughi）和莫森·哈比比（Mohsen Habibi）小心翼翼地在一池液體上操作著一個微型超音波棒，當他們首次看到冰柱形狀出現並凝固時，他們興奮地尖叫起來，以至於蒙特婁康科迪亞大學走廊上的同事們都能聽到他們的聲音。福魯吉 說：「好吧，如果他們沒有因為COVID而留在家裡，他們就會聽到我們的聲音，」不過，快速的視訊通話還是讓研究人員分享了他們的興奮之情：經過數月的努力，他們已經能夠透過將液體暴露於聚焦的音波場中來 3D 列印出一個固體物體——即使隔著一堵實心牆也是如此。

康科迪亞團隊的新型「直接聲音列印」技術是第一個使用音波在障礙物後面創建固體結構的技術。雖然它離商業可行性還有很長的路要走，但研究人員相信他們的遠端控制 3D 列印為無數可能性打開了大門。他們說，它有可能實現人體內的微創組織工程和生物植入修復。它還可以支援在其他難以進入的地方進行工業修理，例如在飛機機身內部。

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大多數商業形式的 3D 列印涉及透過噴嘴擠出流體材料（塑料、陶瓷、金屬甚至生物化合物）並逐層硬化，以形成電腦繪製的結構。這個硬化步驟是關鍵，它依賴於光或熱的形式的能量。流體創建化學鍵並因此固化的能力受到每個分子接收的能量的控制——通常需要能量源與材料之間的直接、高度聚焦的接觸來傳輸足夠的這種能量。

康科迪亞團隊，包括該大學微機電系統設計方面的機械工程教授穆圖庫馬蘭·帕基里薩米（Muthukumaran Packirisamy）有了另一個想法。哈比比說：「我們想在光或熱無法到達的地方進行 3D 列印。」當時他是該大學的博士後研究員。團隊意識到音波提供了一種快速聚焦和操縱能量的方法，而不需要直接接觸液體材料。「這是我們想要填補的空白，」哈比比說。 

使用超音波在室溫液體中觸發化學反應本身並不新鮮。聲化學及其應用領域在1980年代於伊利諾伊大學香檳分校（UIUC）成熟，這依賴於一種稱為聲空化的現象。當超音波振動在液體中產生微小氣泡或空腔時，就會發生這種現象。這些氣泡崩潰時，其中的蒸汽產生巨大的溫度和壓力；這在微小的局部點應用快速加熱。康科迪亞團隊尋求以一種非傳統的方式釋放聲化學的力量，來列印傳統材料以及那些用典型能源無法列印的材料。「在短短一皮秒內產生的難以想像的溫度和壓力創造了適合即時列印的條件，」哈比比說。

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在他們的實驗中，這些研究於2022年發表於《自然通訊》雜誌，研究人員用一種常見聚合物（聚二甲基矽氧烷，或PDMS）和固化劑填充了一個圓柱形、不透明外殼的容器。他們將該容器浸入一個水箱中，該水箱作為音波傳播到容器中的媒介（類似於醫學成像設備中的超音波透過塗在病人皮膚上的凝膠傳播）。然後，使用安裝在電腦控制的運動操作器上的生物醫學超音波換能器，科學家們沿著計算出的路徑在液體聚合物中深入18毫米處追踪超音波束的焦點。微小的氣泡開始沿換能器的路徑在液體中出現，緊隨其後的是固化的材料。經過精心嘗試多種超音波頻率、液體黏度和其他參數的組合後，該團隊最終成功地使用這種方法在液體浴中列印出楓葉形狀、七齒齒輪和蜂窩結構。研究人員隨後重複這些實驗，使用各種聚合物和陶瓷，並在去年10月加拿大聲學協會的年會上展示了他們的成果。 

「使用聲音進行製造是一個非常創新的想法，我很高興看到它，」伊利諾伊大學香檳分校專注於先進材料和製造、奈米技術以及熱傳遞的教授威廉‧金（William King）說，他並未參與這項新研究。他表示，超音波方法為迅速製造複雜的3D幾何形狀提供了有趣的可能性，這可能是其他製造過程無法實現的。不過，他指出，現在主流的 3D 列印過程之所以成功，是因為它們首先在一兩個小眾用途中找到了立足點。「我期待看到基於聲音的列印是否能找到必要的應用來取得成功，」金補充說。

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