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Amazing!科研数据不再“遥不可触”,唯美3D打印让你“触碰”美妙的数据

2018-07-03 16:32:32 0 业界资讯 | , ,

公众号/将门创投

来源:sciencemag 编译:Kathy

科学家们经常会收集、观察、分析3D数据,从医学图像到月球地图,但他们通常使用的2D电脑屏幕却无法完全展示3D数据集。如何准确生动的观察三维数据,并用直观的方式展现出来一直是科学家们关注的热点问题。如今MIT的研究人员开发出了一种3D体素打印方法,让科学家能够惊艳地复现出高精度的清晰3D数据。

传统的3D打印将数据转换成计算机模型,这种模型由微小的面元组成。但是这个过程会产生失真的尴尬结果: 例如,大脑白质的细线被表现为粗大的管子。传统的印刷方式也存在问题,实心部分(或数据点)被空白部分分隔开。

而这种基于3D体素打印的方法则更加直接。数据集不是被转换成计算机模型,而是被分割成数千个水平图像,每个图像由数十万个体素(voxel)/3D像素组成。每个体素由经紫外光硬化的彩色树脂液滴打印。不同的颜色可以组合来创造新的颜色,并用透明树脂来代表空白部分。随着每一层的打印,层层叠加的增材制造方式逐渐建立了数据的三维结构。

目前研究人员通过打印体素来制作脑部扫描、地形图和激光扫描雕像的高清晰度模型。研究小组认为未来有一天任何人只要按下一个按钮,就可以打印出他们的数据,比如考古学家复制重要文物进行保存,医生制作人体器官模型然后计划手术程序等,尽管可能需要一些时间来实现技术的成熟和普及。

下面我们就来具体看一下这种神奇的3D打印方法是如何把把科学数据具象化的吧!

该团队提出了一种多材料体素打印方法,能够将科学图像数据进行物理可视化。利用基于体素控制的多材料3D打印,该方法能够添加制造不连续数据类型,例如点云数据、曲线和图形数据、基于图像的数据和体积数据。通过将数据转换成量化的物质沉积描述,并对网格化过程进行修改,将屏幕上可视化的数据可以转换成实际的、可用不同材质表示的物体。

这种方法减少了事后对代表边界的数据处理,防止了在生成实例的过程中数据的改变和信息的丢失。这种方法的重要意义在于,它弥补了数字化信息表示和物理实体构建间的鸿沟。该团队评估了这种方法的视觉特性和特点及其在物理可视化制作中的相关性和适用性,并详细介绍了将3D数据转换为多材料打印的过程。

一些数据的3D打印作品

尽管数据的物理可视化和展示技术与史前洞穴壁画一样古老,但现代方法仍然主要以2D的方式在平面计算机屏幕上展示3D数据集。科学可视化广泛的实现了这些虚拟信息的展示,包括将磁共振成像( MRI )获得的患者数据进行体积的绘制,对摄影测量方法获得的地理空间数据进行基于点的绘制。这种可视化映射、处理和表示数据的目的,是让用户通过感知和计算机辅助交互来获得深入的理解和认知。

尽管传统的基于屏幕展示的媒体可视化很有效,但是有人认为数据的物理表现可以优化主动性以及空间感知技能,能够以固有的直观方式更全面地理解要呈现的信息。通过虚拟和增强现实显示的逼真可视化旨在改善2D信息展示方面的不足,但缺少物理展示所能够提供的有形的交互。数字制造工作流程的日益发展,使数据在其物理表现形式上得以“复活”。因此,通过数字制造以物理实体的形式表示数据已经成为一个活跃的研究领域。更广泛地说,将数据展示为物理实物的做法可以用术语 “数据实体化”或“实体可视化”来表示。

物理化的人脑脑白质纤维束数据。成束的轴突得到了可视化,轴突连接了大脑的不同区域。

此外,尽管3D打印技术一直在发展,但基本3D打印工作流程在过去的30年中基本保持不变。但这些方法都有局限:物体的形状直接受到材料特性的影响。这一局限也反应在STL文件,三十年前第一台立体平版3D打印机引入了这个文件格式,并至今仍被当做标准使用。

STL文件格式通过闭合的常规“面”来表现对象,该面由一系列三角形来表现,这些三角形通过顶点进行定义。在3D打印过程中,每个面都被视为实体对象,其中三角形边界的内部空间由单一材料组成,这些设计和制造工作流程无法“跳出盒子“进行思考,尽管商用3D打印机可以同时打印多达7种材料。这意味着,为了3D打印任何数据,尤其是不能自然表示为面的数据,所有数据必须首先转换为用边界来表示。特别是对于科学数据来说,这种转换过程是有问题的,因为在许多情况下,它会增大计算量、造成数据更改甚至信息丢失。

该团队描述的方法,与上述方法相比,提出了一种通过利用多材料3D打印的体素打印来实现物理数据可视化的方法,以改进当前的数据物理化工作流程。

使用光聚合材料的多材料3D打印能够同时使用几种不同的材料,并且通过使用专用的青色、品红色、黄色、黑色、白色和透明树脂,可以创建可变透明的全色彩模型。使用透明材料创建对象和在透明材料内部创建对象能使紧凑的复杂形状的物体可视化,例如不连续的点云数据、线和曲线、开放表面和体积数据。

多材料3D打印机通过在逐层喷墨式打印过程中沉积几种UV可固化树脂液滴来完成打印,以构建高分辨率3D对象。用打印机的原始分辨率生成的栅格文件格式进行一层层打印,可以实现制造过程中的高级空间控制,其中每个像素代表了一个树脂液滴及其在3D空间中的位置。这些不同的层面可以组合成体素矩阵。然后,打印机可以按照体素矩阵的方式进行树脂液滴的沉积,以数字方式制造异质和连续变化的材料复合物。这种方法通常被描述为基于位图的打印或体素打印。

商用多材料3D打印机可以制作500mm×400 mm×200 mm的物体,分别具有600 dpi和300 dpi的液滴沉积分辨率,层面之间间隔达到12 μm,通过上述方法可产生9290亿个可独立定位的树脂液滴或体素。这种高分辨率的构建空间能够实现物理可视化的两个关键特性:

  • 通过改变不同材料液滴的空间密度,实现体积颜色和不透明度梯度。
  • 通过一个清晰的外壳,可以实现数字制造的具有精细特征的高度详细的结构,以保存细节

虽然多材料3D打印被用于复杂几何形状的高级产品的精细设计中,但直到最近才被用于包含数据信息模式的数据雕塑中。

聚焦显微镜观察到的活检小鼠海马的3D打印

体外重建活体肺组织的共聚焦显微镜观察数据

使用多材料3D打印的体素打印方法来实现物理数据的可视化,可以通过光栅化将科学可视化中常见的大量数据直接进行数字制造,而不需要进行3D打印的中间转化。该方法及其各种应用可以消除数字和物理实体间的鸿沟,衔接了数字显示屏上的数据及其物理具象。

最后再来欣赏几张唯美的数据,把自己完美的研究数据打印出来做一份美丽的礼物也是一件不错的事情吧!

如果想了解更详细的信息请参看论文:

http://www.sciencemag.org/news/2018/06/these-stunning-3d-models-are-transforming-scientists-raw-data

https://dam-prod.media.mit.edu/x/files/assets/pdf/DDMM.pdf

研究人员们的项目网站:https://www.media.mit.edu/projects/making-data-matter/overview/

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