生物計算與3D打印的結合：推動未來計算技術的發(fā)展

隨著人工智能軍備競賽導致能源需求的不斷上升，計算需求的管理面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。每次查詢ChatGPT這樣的工具，成本已經(jīng)攀升至0.36美元，這促使行業(yè)加速探索新的計算模式。一方面，改進數(shù)據(jù)中心的冷卻和熱量管理是亟需解決的課題；另一方面，優(yōu)化芯片或GPU以提高計算能力的利用效率也成為熱點。此外，光學和增材制造電子技術（AME）的突破，為全世界的計算技術進步提供了新的動力。



生物計算的崛起
“生物計算”或稱“濕件”技術，是一種創(chuàng)新的計算方法，它利用生物組織、神經(jīng)元或DNA來執(zhí)行計算任務。隨著對天然材料（例如蛋白質(zhì)）潛力的挖掘，生物計算在多種任務上的效率可能超過傳統(tǒng)計算，并且在能耗方面具有顯著優(yōu)勢。具體來說，相較于傳統(tǒng)計算，生物計算所需的能量可僅為其百萬分之一，從而為解決復雜計算任務提供了新的可能。

生物計算的基本原理在于利用生物體內(nèi)的自然過程。例如，類器官（水凝膠結構）和其他生物結構可能在某些任務上優(yōu)于傳統(tǒng)計算機。在這些系統(tǒng)中，通過化學反應改變化學物質(zhì)的濃度，或者通過生物力學機制改變形狀以展示結果，生物計算展現(xiàn)出從生物體中獲取信息和計算能力的巨大潛力。

3D打印與生物計算的深度結合
值得注意的是，3D打印技術在生物計算領域的應用正在不斷加強，尤其是在類器官的制造方面。類器官是從人體細胞培養(yǎng)而成的三維微型器官模型，結合3D打印技術，我們可以為其創(chuàng)造更加適宜的環(huán)境，以維持其活性并增強其性能。


△麥吉爾大學初創(chuàng)公司TissueTinker有望利用3D打印加速抗癌藥物研發(fā)

研究人員正在積極探索如何利用3D打印技術為類器官創(chuàng)造智能化的生態(tài)系統(tǒng)。例如，3D打印的水凝膠結構能夠為類器官提供支持和保護，同時允許液體和氣體有效流動。通過這種方式，生物計算系統(tǒng)能夠在更穩(wěn)定的條件下運行，提高實驗效率。

此外，微流體設備借助3D打印技術的進步，使得在類器官中有效傳輸營養(yǎng)并維持適宜溫度成為可能。這種設備不僅可以加速類器官的生長，還能夠為其提供必需的環(huán)境，確保計算能力的最大化。

例如，斯坦福大學最近開發(fā)了一個“可擴展大腦皮層類器官平臺”，這是一個旨在推動藥物研發(fā)的創(chuàng)新項目。通過結合3D打印技術，研究人員能夠在結構設計上進行改變，進行高效精確的藥物篩選和測試。這種靈活性進一步印證了3D打印如何推動生物計算和藥物研發(fā)交匯的前景。


△斯坦福大學的研究-Scalable production of human cortical organoids using a biocompatible polymer

3D打印在生物計算中的關鍵作用
對于3D打印愛好者來說，深度理解其在生物計算中的應用至關重要。3D打印技術的靈活性和高效性，使其能夠以較低的成本和更短的時間來制造復雜的生物結構。例如，科學家們已經(jīng)在研究如何使用3D打印構建可以長期支持類器官功能的支架，這對于提升類器官性能至關重要。這些支架不僅可以用來容納類器官，還能夠?qū)崿F(xiàn)脈管系統(tǒng)的優(yōu)化，以確保其在體內(nèi)功能的正常發(fā)揮。未來，3D打印將能夠改進這些支架的設計，使其在運輸和使用過程中更具可控性和穩(wěn)定性。

在制造過程中，3D打印的可能性遠不止于此。通過不同的打印技術（例如FDM、SLA、選擇性激光燒結等），研究人員可以根據(jù)需要定制打印材料，實現(xiàn)最佳性能。這使得3D打印不僅可以用于創(chuàng)建生物計算設備，還可以制造生物傳感器等其他智能設備。



未來展望
隨著3D打印技術和生物計算的不斷發(fā)展，二者的結合為多個領域帶來了前所未有的機遇。在醫(yī)療行業(yè)，生物計算代表著一個新的高度，它將為精準醫(yī)療、智能監(jiān)測以及新的人機交互方式提供創(chuàng)新解決方案。利用生物計算設備，醫(yī)生可以實時監(jiān)測病人的生理信號，識別潛在的健康風險，從而采取更加及時和有效的干預措施。

在這樣一個充滿機遇的背景下，我們也同樣面對倫理和技術等多方面的挑戰(zhàn)。例如，在處理干細胞和其他生物材料的利用時，如何確保倫理合規(guī)和技術安全，將是行業(yè)內(nèi)的關鍵議題。只有有效解決這些挑戰(zhàn)，才能充分發(fā)掘3D打印與生物計算結合的巨大潛力。

南極熊點評
總之，生物計算與3D打印的結合開辟了全新的可能性，這場技術結合能夠推動醫(yī)療技術的進步，解決許多復雜的科學問題提供工具。期待未來能夠在生物計算與藥物研發(fā)、智能監(jiān)測甚至是個性化醫(yī)療中，看到3D打印發(fā)揮越來越重要的作用。