人體器官也能3D打印

3D打印技術不僅能為每個人量身定制個性化用品，將來甚至可以快速生產人體替代器官，為醫療事業作貢獻。

也有人提出了擔憂：3D打印是否會侵犯知識產權？是否會縱容恐怖分子打印槍支？

在美國南卡羅來納州洛克希爾的“3D系統”公司（3D Systems），工廠車間里燈火通明。在工廠的大廳內擺放著一些稀奇古怪的東西——一把由尼龍制成的功能完備的吉他，一大堆鑲有暴牙的下頜骨，一頭鯨魚的骨架，一雙五色的、按比例制作的高跟鞋模型，以及玩具機器人……還有一件物品看上去像是胎兒的臉，該公司的首席市場總監凱西·路易斯說：“那是由超聲影像制作的。”

所有這些物品有一個共同特點：都是由機器根據數字文件給出的指令“打印”的，也就是將金屬、陶瓷或塑料等材料逐層堆疊在一起，直到實現其獨特的形狀。這個過程就叫做3D打印，工業用語叫“增材制造”。美國總統奧巴馬在最近的國情咨文中提出，3D打印“有可能徹底改變我們做幾乎任何事情的方式”。

開創個性化定制的時代

在過去的近30年時間里，工程師和設計師們已經在使用大型且昂貴的3D打印機，為航空航天、國防和汽車公司制作部件的快速原型。多年來，數字化設計軟件趨于成熟，掃描儀已經普遍存在，價格實惠的臺式打印機也被企業家、學校和家庭能工巧匠廣泛使用。技術人員興高采烈地宣稱，3D打印將把我們從大規模制造霸權中解放出來。

在3D系統公司，大廳的貨架上還擺放著顏色鮮艷的微型花瓶、手機殼、首飾、玩偶，難免還有頭骨——這是一些愛好者為了使這些東西不至于被形容成廉價的塑料垃圾而用心創意的產品。打印出這些小玩意兒的，是3D系統公司制造的名叫“Cube”的設備。

Cube就像咖啡機大小，光滑閃亮，上面有開關和驅動器插槽。Cube的打印頭將熔化的塑料擠壓在一個平臺上，通過堆積一層層的薄層從而創建出產品。當用戶將數據化設計文件載入Cube后，打印就開始了，Cube能將數據對象“切”成微米厚度的水平層，然后用打印頭把每一層打印疊加起來。

Cube可以創建16種不同顏色的產品，但一次只能打印一種顏色（打印中不能切換墨盒）。為了制作多種顏色的玩具機器人，你需要一臺CubeX Duo處理器，其成本是單色打印機的兩倍多。

如果你覺得Cube太“小兒科”，那么你可以去3D系統公司的制造間去看看“大家伙”：一組冰箱大小的機器正面帶有小窗，并被顯示器、鍵盤和中央處理器包圍著。蛇形電纜盤在空中，吸塵器無處不在，地上有粉狀尼龍。透過立體平板印刷機的小窗和刺眼的光線，可以看到一個大桶內充滿了光敏聚合物，正在反復地被激光轟擊，發生化學反應，致使深藍色黏性液體薄層變硬。幾秒鐘后，橫向的閃光和一個脫模鉗把另一層樹脂散布出去。每層樹脂厚僅50微米，即20分之一毫米。層面越薄，就越能獲得更好的分辨率和更清晰的細節。這樣大小的3D打印機，既可以生產小飾件，也可以生產無人機，或者一臺發動機的鑄件。

3D打印開創了按需定制的商業模式，因而與傳統的零售模式相比具有顯著的優勢。想象一下，如果你在家里就能快速又便宜地打印出櫥柜把手（或者掃描你想要的產品，然后發送email到打印店），把壞的更換掉，那該多好！你不需要跑去商店，商店的庫存連同運輸、裝卸以及儲存的成本也會縮減。同樣，用3D打印還可以做出完全適合你腳的鞋子來。到那時，零售商店可能都不復存在了。

在傳統制造業，每增加設計的復雜性就會花費金錢和時間。而對于3D打印機來說，根據要求打印一個包在由蜘蛛網覆蓋的螺旋梯內的雙螺旋，卻和打印一個簡單的試管一樣容易。高分辨率打印機甚至能夠制作帶有齒輪和鉸鏈的產品。

顯然，3D打印是個人消費的福音，同時也可能提供巨大的社會價值。試想一下，發展中國家的小村莊用太陽能板來驅動3D打印機，打印出農場設備或水泵的部件；試想一下，移動生產設備迅速部署在地震災區，打印出從手臂夾板到帳篷樁在內的任何東西……3D打印技術的精義就在于：有了設計的電子文檔，便可以隨時隨地生產出產品來。

打印人體器官

《創新投資雜志》的發行人彼得·弗里德曼建議：在未來，汽車經銷商可以在車上安裝免費打印機，讓車主們能夠自己制造部件、更換并重新設計。“3D打印的未來并不僅僅是制作人們沒有的東西，”他在一個專欄中寫道：“它的未來是制作使人們不朽的東西。”

這些“不朽的東西”中，甚至可能包括人體，或至少是人體的一些部分。

卡洛斯·肯格拉，一個戴著眼鏡、留著小胡子，體型修長的年輕男子，在過去數年里一直致力于人耳朵的生產。他使用從人耳軟骨上提取的細胞進行打印，然后在實驗室內進行繁殖。在維克森林浸禮會醫學中心，肯格拉撮合再生醫學的同行科學家們與其他實驗室合作，正在開發處理系統用來打印肌肉組織、皮膚、腎臟、軟骨和骨骼。多年來，研究人員一直用手工制造器官，并且已經取得了不同程度的成功——手工制作的膀胱已經在一些患者身體里運作多年；一個微型的腎臟植入母牛體內后，母牛順利地排出了尿液。但手工制作器官費力費時，并常常會出錯。而3D打印則能夠快速且完美地制造出器官。

在實驗室里，肯格拉凝視著電腦顯示器，點擊將近100條菜單并啟動了三個打印頭，打印頭在一個培養皿上盤旋著。對應的三個墨盒中，一個含有軟骨細胞，一個含有可降解生物支架材料，還有一個含有水溶性凝膠。打印頭來回飛快地移動，在墨盒間轉換，將器官構造成每片厚150微米的連續堆積層。肯格拉通過光學顯微鏡和顯示器跟隨打印進程，45分鐘后，一個耳朵的形狀開始浮現。

這項技術將在未來的幾年里不斷完善，器官、軟骨、皮膚和組織打印技術的出現，將使人類延長壽命成為可能。用病人自身組織再生的移植器官不會被機體排異，而且將來器官販子可能也沒生意可做了。（世界衛生組織估計，2010年在黑市上售出了1萬多個人體器官！）處方藥公司渴望用快速原型器官或組織來代替對動物或人類進行藥品和其他療法的測試。

再生醫學研究所的領導安東尼·阿塔拉預言，打印皮膚的機器進入醫院僅僅是時間問題——從皮下脂肪向上通過角質細胞到毛囊、皮脂腺和黑色素細胞，直接打印到病人的身體上。“皮膚是最不復雜的器官。”阿塔拉說，“然后，我們將看到從管狀結構到中空、到非中空的器官。”最終也包括心臟嗎？“我希望在我有生之年。”他笑著說。

快速處理復雜情況

快速處理復雜情況是3D打印最擅長的。蓮花-雷諾車隊的工程師們一直在追求更輕、更快和更省油的方程式賽車，而3D打印技術可以滿足他們的需求。蓮花-雷諾車隊的先進數字化制造經理帕特華納說，利用3D打印他能在兩天內維修部件，而不是10個星期。

類似于這樣的高端應用提升了3D打印的知名度。目前，航空業使用的3D打印原件超過了22000個。在醫學界，人們正在研究3D打印骨科植入物。在這些要求非常高的行業，3D打印部件表現出了良好的特性。

加拿大設計師吉姆·科爾正通過3D打印來構建一個重量僅545公斤的三輪水滴形車。科爾通過組合多個部件消減重量，例如儀表板和連接管道一起打印，省去了多個接頭和與其連接的塑料和金屬部件。少了幾分戲劇性的是，面包師從打印頭擠出糖衣來裝飾蛋糕；單格拍制動畫師使用快速原型3D打印機為電影人物創造數以千計的細致入微的面部表情；數學家使用該技術來模擬復雜的幾何形狀；3D 照相亭對人進行掃描并打印他們的頭部或整個身體的小型復制品。

沒有計算機建模的長足進步，3D打印便不會繁榮發展。十年前，生成一個數字3D模型需要花費幾星期，而現在只需要幾小時。設計軟件已經變得更加方便，掃描儀也變得更加強大和更容易使用。就在最近，微軟公司發布了基于PC平臺傳感器的Kinect for Windows，它具有快速創建人與物體詳細的3D模型的能力。

從人體器官到O型圈，人們對3D打印帶來的變革議論紛紛，也有人對3D打印可能帶來的各種負面影響進行了預言。如果家庭打印設計未能完成，責任該由誰來承擔？產品的知識產權能得到保障嗎？3D打印勢必鼓勵造假，對品牌擁有者將造成嚴重損失，就像迪士尼的人物角色被制造商廣泛復制一樣。還有安全問題，有人已經開始使用從網上下載的設計圖來打印槍支部件了。

所有的新技術都會產生贏家和輸家。3D打印將創造新的產業和新的就業機會，但也會取代熟練的手工藝人、工匠和使用原材料的設計師，就像亞馬遜取代了書店，桌面打印機廢除了復印店一樣。不過得益于互聯網，3D打印將會使更多的人成為作家、攝影師、制片人、出版商和宣傳員，也可能使他們成為制造商。

局限與隱憂

就目前而言，3D打印有如下缺點：打印機只能生產與他們構建的平臺相同大小的物體；大多數臺式機只能用一種或兩種材料來打印；而且，臺式3D打印機缺乏標準化，因此即使采用相同的設計文件，不同的機器也不一定能生產出完全相同的東西。

對于3D打印，人們尚處在愛恨交錯的矛盾之中。與傳統制造方式相比，3D打印能顯著地節省原材料；更短的供應鏈意味著碳排放更低；按需打印可降低庫存，減少浪費。但是3D打印機的原料，無論是塑料、石膏粉或金屬，仍然需要從世界各地運輸。此外，桌面打印機使用的ABS塑料來源于石油或天然氣，在生產原料的過程中也會產生污染；即使采用由玉米制成的聚乳酸（另一種常見的3D打印材料），也會對環境產生相當大的影響，因為生產玉米需要肥料、農藥和灌溉。

還有人擔心3D打印產品來得容易，去得也容易。比如，當新的運動鞋的設計從概念提出到擺上貨架只要花幾星期而不是幾個月，設計疲勞也會來得更快。結果呢？將會有很多設計過時的運動鞋被扔進垃圾桶里。

3D打印給人們帶來了自由設計的希望，它也讓制造者們可以繞開專業的材料知識和流程，不被技術束縛。就像《聯線》雜志前主編克里斯·安德森在《制造者：新的工業革命》一書中所說的：“你不需要知道機器怎么運作或者怎么優化你的設備，軟件都幫你搞定了。”不過，在紐約帕森斯新設計學院任教的建筑理論學家和設計師斯科特·弗朗西斯科說：“僅僅在電腦上完成設計和制造不一定預示著美好的未來，它有可能掩蓋人類的學習、創新能力，甚至影響到根據信息和技術來解決問題的基本能力。”是的，3D打印本身是一個創新，但是它減少了設計師與合作者面對面工作的必要性——他們以前需要探討工藝加工，一次又一次地反復完善。弗朗西斯科擔心下一代設計師會對真實的材料了解得很少，而且不能真實地感受和了解他人，因而使創新能力大打折扣。

在不遠的未來，3D打印技術將會在數量少、結構復雜產品的設計生產中大顯身手，如設計和生產義肢和飛機部件。而在低附加值、大規模生產領域，傳統制造方式仍將占據主流，尤其在一些發展中國家，因為它比3D打印快速而且成本低廉。

（作者單位：上海科技館）