Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

3Д штампање за анализу ЦТ скенирања, Спаце Едуцатион

Сетх Хоровитз је неурознанственик и асистент истраживач на Одсјеку за екологију и еволуцијску биологију на Универзитету Бровн, као и креатор и ентузијаст за 3Д штампање. Он извештава о неким начинима на које је користио свој 3Д штампач, укључујући нови истраживачки метод.

Пре три године имао сам занимљив проблем - био ми је потребан уређај за експеримент који би могао да држи живу шишмиш удобно, али на такав начин да не може да загризе или помери главу около. У прошлости сам радио са инжењерима који би направили веома сложене плексигласе, уређаје сличне кавезу који су добро функционисали, али сте морали имати неколико да би одговарали различитим величинама (и врстама) шишмиша. Требало је неколико недеља да се свака направи, а цена је износила више од хиљаду долара.

Отприлике у то време, на интернету су почели да се причају о 3Д сетовима штампача и одлучио сам да покушам да видим да ли могу да користим једну од ових ствари за прилагођене штампаче. Добио сам мали пилот грант од НАСА Рходе Исланд Спаце-а (истраживање је било релевантно за НАСА-ине интересе - слепи мишеви су омиљени субјекти за гужву у покрету-у-мраку) и купили су Макербот Цупцаке.

После неколико месеци градње, монтаже, демонтаже, псовања и реконфигурације, имао сам свој 3Д штампач који је користио око 50 центи пластике и требало је два сата да се одштампа. Али, колико вам је штапова заправо потребно? Покушавајући да схватим шта још могу да урадим са мојим Цупцакеом, схватио сам да је 3Д штампање нови облик актуализација података - узимање поједностављене кодиране репрезентације објекта и стварање тог објекта - механичка посљедица преласка из гена у протеине. Уз богатство 3Д података, могућности су готово бескрајне.

Најмање у последњој деценији, 3Д модели и њихове слике су уобичајене у науци и инжењерству - ЦТ скенирање ствара тродимензионалне слике скелета и густих ткива, МРИ омогућава исто у меким ткивима. Дигитално моделирање терена узима вишеструке слике из различитих перспектива у орбити како би се омогућиле реконструкције планетарних и лунарних површина за 3Д прелетање. Али све то има својствена ограничења - појединачни елементи слика морају проћи кроз значајно филтрирање како би омогућили чист поглед на области од интереса, што наравно значи да филтрирате занимљиве ствари док тражите друге. Елементи који се преклапају замућују финије структуре, дајући вам лепе прегледе спољашњости вашег објекта, али без унутрашњих детаља који се не може увек повратити само променом ваше тачке гледишта. И наравно, главно ограничење је да су то фотографије. Без обзира колико лијепа или детаљна, они и даље ограничавају информације о комплексном објекту у строго визуалне информације. Али када узмете ове 3Д визуелне приказе и вратите их натраг у физичке објекте, не само да поново отворите могућности за њихово визуелно проучавање, већ и добијате детаље из нашег изванредно финог осећаја форме кроз додир.

Слика 1. ЦТ скенирања крзна за одрасле који показује регион деформитета

Пронашао сам једну апликацију тако што сам прегледао податке из старе студије коју сам урадио. Велики део мог рада се фокусирао на развој слушања, користећи се бикодама као модел. Буллфрогс су интересантни модели за људско слушање, јер први пут, њихов слух је врло сличан нискофреквентном (<2500 Хз) слуху код људи, а други, њихов мозак је отпорнији и флексибилнији на неки начин од људи.

На пример, жабе заправо могу регенерисати свој централни нервни систем након оштећења, што желимо да људи могу да ураде да спрече ствари попут буке изазване губитком слуха. Али они плаћају цену за ову пластичност - они су такође много склонији штети од еколошких токсина и услова.

Године 2004, током снимања жабе, један члан лабораторије је уочио и ухватио необичну одраслу мушку бичију. Имао је само једно уво. Изгледало је иначе здраво јер су жабе веома зависне од слуха за социјално понашање; ова жаба је имала проблема да узгаја и брани своју територију. Ухватили смо га и направили ЦТ скенирање да видимо да ли можемо да утврдимо степен његове малформације. ЦТ скенови су рендгенски снимци у континуираној спиралној линији у подручју од интереса, што вам омогућава да направите 3Д модел костију и густих ткива. ЦТ скене жабе (Слика 1) је показао да, иако му је унутрашње ухо изгледало нормално на обе стране, недостајало је бубњић и мали комад хрскавице који се звао штапићи (или стапедиум) који су повезивали спољашњи тимпанум са унутрашњим ушима.

Слика 2. 3Д штампани модел базиран на ЦТ подацима

Тек кад смо пронашли другу жабу са истом малформацијом, почели смо да схватамо да се овде нешто догађа. Ове две жабе нису показивале знаке повреде, тако да је било вероватније да се нешто десило током развоја. ЦТ снимци су нас навели да верујемо да пошто су унутрашње уши изгледале нормално, то би могло бити слично људском стању које се назива аурална атрезија која може изазвати малформацију спољашњег и средњег уха, али оставити унутрашње уши нетакнутим. Али сада, годинама касније, одлучио сам поново прегледати слике, овај пут уз помоћ 3Д штампача. Узео сам сирове ЦТ фајлове и користио отворени изворни програм ИмагеЈ, извезао податке једне секције лобање као штампани стереолитографски фајл и креирао физички модел, увећан око 25 пута (Слика 2).

Чим сам имао у руци модел и успио га окренути и примити га, примијетио сам да су у ствари постојале асиметрије у подручјима гдје је слушни (8) живац напустио унутарње ухо да би се повезао с мозгом, сугерирајући да је ова малформација није била слична ауралној атресији. Уместо тога, вероватно је то било због излагања инсектицидима који су се променили у тератогене у присуству УВ светла и могли би изазвати веће поремећаје на одређеним местима у развоју. 3Д штампани модел је на крају дао већи увид у оно што је проузроковало абнормалност од оригиналних слика уочених на рачунару. Креирање физичког модела за штампање омогућава вам да користите алате које сте развили да бисте их користили заједно - ваше руке и очи - да бисте проширили налазе изван чак и скупог хардвера и софтвера.

Још један од мојих интереса је свемирска едукација и теренски рад, а ја сам желио да и на ово применим 3Д штампање. Истраживање светова (укључујући и Земљу) је једна од најузбудљивијих људских авантура 20. и 21. века, а узбуђење готово искључиво долази из слика. Глобуси масе и салинитета Земље, 3Д прелета кањона на Марсу и глацијалне пукотине на Јупитеровим мјесецима Еуропа, погледи високе дефиниције лунарних кратера - уз неколико изузетака, сви ови и више доступни су само визуално. Физички модели, као што су прилагођена издања облика астероида, коштају хиљаде долара. Текстуриране кугле и мапе које омогућавају да се осећају планински гребени и облици копна постоје већ више од једног века, првобитно развијени за слепе, али су доступни само за уобичајене наставне алате као што су земљине кугле.Дакле, како можете да донесете образовање о свемиру и науци о земљи за 37 милиона људи на свету који су потпуно слепи, да не помињемо 124 милиона који су скоро тако? А осим тога, колико би виђенији људи могли да се извуку из физичког руковања моделом астероида?

2010. године почео сам да тражим 3Д податке о облицима астероида да видим да ли је могуће штампати 3Д моделе свемирских тела и терена. Открио сам да постоји мноштво облика астероида изведених из података РАДАР-а (у великој мјери професор Сцотт Худсон са школе електротехнике на Универзитету у држави Васхингтон), као и Марсови дигитални подаци о терену са ХиРИСЕ групе Универзитета Аризоне, неки од којих се већ користио у програмима симулације свемира као што је Целестиа. Почео сам да користим ове податке базиране на НАСА-и и (након значајног рада) их претварам у стереолитографске формате и штампам физичке моделе астероида, Марсових месеца Фобос и Деимос, па чак и планетарне особине као што је марсовски кратер Гусев (Слика 3).

Слика 3. Мала просторна тела од слика (горе) и 3Д штампаних верзија (доле).

Али да бих показао како се темпо онлине софтвера храни новим идејама у образовању и стварању, успео сам да покупим НАСА у изради модела астероида Веста. Веста је други најмасивнији астероид у главном појасу и веома се разликује од већине других астероида и свемирских тијела. Посебно сам желео да модел Весте упореди са другим "астероидима у облику кромпира", као што је Ерос, јер би то значило да би неко добио непосредну висцералну (или бар хаптичку) слику разлике у облику који се појављује на основу принципа гравитације изазване диференцијације, од гомиле шљунка до скоро планете.

Веста тренутно кружи око сонде Давн која шаље натраг на хиљаде прекрасних слика, НАСА још није објавила "званични" 3Д модел облика. Али пронашао сам два начина око тога - прво, узимајући слике које су показивале ротацију Весте и храњење их на бесплатан онлине програм за 3Д моделирање (ввв.ми3дсцаннер.цом), успио сам добити основни облак тачака, заснован на облику на корелације између сличних светлих и тамних тачака између узастопних слика. Користећи то за неке од детаља, комбиновао сам то са објављеном “глобалном мапом” Весте и мапирао је на спљоштену јајолику, изведену из облика неких орбиталних слика. Ово ми је омогућило да направим нешто тањи 3Д модел, али пре него што га званично објавимо (Слика 4).

Слика 4. Веста Вест - слика из сонде са леве стране и моја 3Д штампана верзија са десне стране.

Ова прича се не односи на могућност прикупљања НАСА-е - ради се о демонстрирању да богатство алата и слободних података могу оснажити заинтересоване. Прелазак са слика на 3Д модел на штампани објекат омогућава вам да креирате сопствене макете универзума. Направите наставни план и програм који ће слепим осетити средњи атлантски гребен и моћи да разабере разлику између оштрог, оштрог лунарног кратера и марсовског ерозивног времена. И на професионалном нивоу, креирајте прецизне штампане моделе терена да бисте тестирали возила за прикупљање узорака како би нам помогли да наставимо наше истраживање, укључујући ширу публику и мотивишемо нове генерације ученика, вида, а не да схватимо да могу држати моделе универзума у својим рукама.

Сетх Хоровитз

Удео

Оставите Коментар