NOAA使用Formlabs 3D打印機(jī)創(chuàng)造新的彈性珊瑚物種，以保護(hù)海洋環(huán)境

2022年9月1日，南極熊獲悉，美國國家海洋和大氣協(xié)會（NOAA）的科學(xué)家們正在使用Formlabs 3D打印機(jī)創(chuàng)造一種有彈性的新珊瑚物種，可以更好地承受海洋的變化條件。

作為其正在進(jìn)行的珊瑚研究的一部分，NOAA團(tuán)隊(duì)依靠創(chuàng)新的方法對野生珊瑚展開研究，在受控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下再現(xiàn)珊瑚的某些生存條件，并培育新的珊瑚物種。

3D打印堅(jiān)固的海洋生物

海洋生物學(xué)家Nate Formel和他在NOAA的大西洋海洋學(xué)和氣象學(xué)實(shí)驗(yàn)室（AOML）的同事依靠四臺立體光刻（SLA）打印機(jī)——Formlabs的Form2和Form 3，以及該品牌的Fuse 1選擇性激光燒結(jié)（SLS）機(jī)器打印重型采樣器外殼、實(shí)驗(yàn)傳感器和設(shè)備的夾具，以及為他們的內(nèi)部水族館結(jié)構(gòu)定制的部件，這些水族館是為了研究珊瑚的適應(yīng)性以及在水溫上升和氣候變化的極端條件下增強(qiáng)珊瑚復(fù)原力的方法。

為了制造用于珊瑚礁研究和監(jiān)測的可重復(fù)定制部件，NOAA的研究人員選擇了3D打印而不是傳統(tǒng)的制造方法，以加快進(jìn)程并降低成本。他們工作的關(guān)鍵是開發(fā)能夠耐受惡劣海洋條件的防水部件。然而，這可能是昂貴的，例如用于持續(xù)監(jiān)測海水條件以確保水溫、酸度、光照和流速在實(shí)驗(yàn)室中相同的地下自動采樣器（SAS）的制造成本可能超過1000美元。相反，3D打印可以將生產(chǎn)成本降低到220美元，使NOAA能夠以一小部分的成本保持他們研究的理想復(fù)雜性。此外，像自動進(jìn)料器和攪拌板這樣的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備也是3D打印出來的，可以抵御水的飛濺和腐蝕性的鹽空氣。

有了更低成本的方法和更少的努力，NOAA可以在其實(shí)驗(yàn)室內(nèi)更多地重復(fù)他們的測試。通過開放他們的3D打印設(shè)計(jì)，全世界的研究人員可以使用同樣的技術(shù)。由于更多的實(shí)驗(yàn)室在復(fù)制這項(xiàng)研究，NOAA收集了更多有力的數(shù)據(jù)來更有效地開發(fā)新的珊瑚物種。

△電子DNA的次表層自動采樣器（SASe），帶有SLA端蓋、樣品盒和內(nèi)部銜鐵。圖片由NOAA/AOML提供。

恢復(fù)海洋棲息地

就像重新造林對幫助保護(hù)野生動物至關(guān)重要一樣，珊瑚恢復(fù)是魚類和其他海洋物種的珍貴棲息地，并有助于保護(hù)沿�；�礎(chǔ)設(shè)施，尤其是自1950年以來，地球已經(jīng)失去了一半的珊瑚礁。如果氣候變化以目前的速度繼續(xù)下去，即使沒有重大干預(yù)，熱帶珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)也可能在本世紀(jì)末面臨全球滅絕。

為了對抗氣候變化的影響，世界各地的研究人員正在采用新的技術(shù)，以幫助重建珊瑚礁的生態(tài)系統(tǒng)。加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）納米工程系的海洋生物學(xué)家Daniel Wangpraseurt正在進(jìn)行的工作就是這樣一個(gè)案例。通過轉(zhuǎn)向生物打印，Wangpraseurt開發(fā)了仿生的3D打印珊瑚。另外，在加州，設(shè)計(jì)技術(shù)專家Alex Schofield利用3D打印技術(shù)幫助拯救海洋生態(tài)系統(tǒng)，恢復(fù)受到過度捕撈、污染和氣候變化負(fù)面影響的珊瑚礁。今天，許多科學(xué)家正在探索如何利用3D打印技術(shù)為新的珊瑚創(chuàng)造生長空間。

作為寄居生物，珊瑚通常由數(shù)千或數(shù)十萬個(gè)單獨(dú)的珊瑚蟲組成，每個(gè)珊瑚蟲都有一個(gè)復(fù)雜的微生物群，有助于他們的健康和營養(yǎng)。此外，造礁的珊瑚會分泌碳酸鈣，這是一種堅(jiān)硬的巖石狀物質(zhì)，構(gòu)成了通常被稱為珊瑚礁框架或棲息地的結(jié)構(gòu)。這種棲息地和它所支持的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)非常珍貴，是海洋領(lǐng)域中生物多樣性最集中的一個(gè)地方。珊瑚不僅是水下生命的要素，而且對美國的經(jīng)濟(jì)也是非常有價(jià)值的，它幫助支持漁業(yè)和旅游業(yè)，并保護(hù)海岸線免受波浪能量和風(fēng)暴的影響。

△在實(shí)驗(yàn)性珊瑚礁實(shí)驗(yàn)室，每個(gè)水箱都有特定的控制，并需要一個(gè)定制的電子外殼。圖片來源：NOAA/AOML。

NOAA的先進(jìn)制造和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室

了解珊瑚和珊瑚礁生物群對全球變化的反應(yīng)對NOAA的AOML的工作至關(guān)重要，而領(lǐng)導(dǎo)這一工作的是珊瑚計(jì)劃的首席調(diào)查員Ian Enochs。總部設(shè)在佛羅里達(dá)州邁阿密的這位海洋生物學(xué)家正在帶頭領(lǐng)導(dǎo)NOAA的先進(jìn)制造和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室為研究人員提供了大量工具，包括Formlabs打印機(jī)套件。通過3D打印，AOML的研究人員可以快速制作原型和測試新的應(yīng)用，以協(xié)助他們實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)。事實(shí)上，操作Formlabs打印機(jī)已經(jīng)幫助規(guī)范和提高了他們實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可比性，并促進(jìn)了新技術(shù)的發(fā)展。

為了確定將在新的、更極端的海洋環(huán)境中茁壯成長的珊瑚的特征，F(xiàn)ormel、Enochs和他們的同事尋找目前在更酸化的海洋中預(yù)期的條件下茁壯成長的珊瑚，比如火山口附近的珊瑚。為了完成這項(xiàng)任務(wù)，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)SAS來收集珊瑚礁上的水樣，以幫助了解這些珊瑚生活條件的強(qiáng)度和變化性。他們甚至將這些采樣器的設(shè)計(jì)開源，以便世界各地的其他團(tuán)體可以使用這個(gè)工具，并使用3D打印技術(shù)來降低采樣器的成本，在沒有大量資金預(yù)算的情況下，可以建造和部署許多采樣器。此外，自動化允許同步采樣，讓研究人員準(zhǔn)確了解不同時(shí)間或地點(diǎn)的水的情況。

△DryTortugas 的地下水自動采樣器 (SAS) 部署。圖片由NOAA/AOML提供

根據(jù)Formel的說法："采樣的自動化是一個(gè)吸引人的想法，以改進(jìn)我們的科學(xué)研究，并提升開展科學(xué)研究的便利性。你可以有一個(gè)同步的采樣時(shí)間，準(zhǔn)確地顯示不同地點(diǎn)的水化學(xué)成分的情況。"

這只是NOAA的AOML先進(jìn)制造和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的眾多項(xiàng)目之一。Formel和Enochs還將3D打印用于環(huán)境DNA采樣器，用于水體中的DNA采樣，用于呼吸和鈣化分析的潛水培養(yǎng)室，等等。