以色列研究者：3D打印陶瓷珊瑚礁，復現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。如今珊瑚礁恢復領域面臨著許多問題，例如缺乏相關工具和技術等，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。

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，以提供有關生活在珊瑚礁中的生物的數據。該數據與其他參數（例如核心珊瑚礁特征）相結合，應用進“3D技術算法”，從而構建有關珊瑚礁的交互式參數模型。然后可以設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打印工藝將數字模型轉化為實物。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​​。據研究人員稱，所設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
“現有的人工珊瑚礁難以復現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)收集的真實數據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打印有助于生產高度復雜和多樣化的產品，這是使用通常的模具生產方式無法實現的。”

—— Ezri Tarazi 教授

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

——Ofer Berman  

在解決拯救珊瑚礁中有兩個關鍵問題需要解決。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�，能夠復現珊瑚礁在大小和設計上的自然復雜性，這將吸引當地的珊瑚、魚類和無脊椎動物物種促進珊瑚礁的再生。據該團隊稱，此3D打印算法允許輸入每個珊瑚礁的數據，以及具有根據特定珊瑚礁環(huán)境定制3D打印模型的能力。根據流程中收集的信息，數據可以不斷地重新輸入算法，以評估設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，許多珊瑚礁已經滅絕。結果，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生了災難性影響。

●增材制造是正在探索的眾多技術之一，以幫助珊瑚礁恢復健康，早在2015年研究者就開始嘗試生產3D打印珊瑚礁，此后的研究在將3D打印的珊瑚結構融入海洋環(huán)境方面取得了積極成果，證明了該技術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成功地對能夠生長微型藻類群落的珊瑚模擬結構進行生物打印。


△帶有藻類的 3D 生物打印珊瑚結構。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