第一作者：Zhijie Zhu
通訊作者：Hyun Soo Park, Michael C. McAlpine
通訊單位：美國明尼蘇達(dá)大學(xué)
一、研究亮點(diǎn)
（1）概述了3D打印的功能油墨，重點(diǎn)是電子材料和水凝膠。
（2）人工智能驅(qū)動的3D打印的最新進(jìn)展，包括開環(huán)、閉環(huán)和預(yù)測系統(tǒng)；
（3）討論了手術(shù)機(jī)器人平臺。
二、研究背景
3D打印技術(shù)自20世紀(jì)80年代初開始發(fā)展，范圍從復(fù)雜塑料結(jié)構(gòu)的熔融絲制造到下一代技術(shù)，如直接墨水書寫和噴墨打印。后一種方法可以將硬塑料以外的一系列功能材料交織在一起，如導(dǎo)體、半導(dǎo)體、仿組織軟材料和生物材料(圖1a)。憑借其固有的可定制性和快速原型制作，3D打印為制造個(gè)性化的人造或仿生器官和智能可穿戴設(shè)備提供了潛力。
盡管具有上述潛力優(yōu)勢，3D打印的多功能可穿戴設(shè)備和植入設(shè)備仍處于早期開發(fā)階段。其面臨的挑戰(zhàn)在于兩點(diǎn)：（1）配制在印刷后顯示出功能性，并且與其它油墨相容的油墨，以用于制造復(fù)雜的多功能結(jié)構(gòu)；（2）傳統(tǒng)的印刷平臺對所施加的目標(biāo)表面是“盲”的，這是因?yàn)榉窃挥∷⒌谋举|(zhì)：通常在平面和水平的基底上制造規(guī)定的設(shè)計(jì)，然后通過粘合劑轉(zhuǎn)移到目標(biāo)上。規(guī)避這些缺點(diǎn)的一種方法是利用人工智能驅(qū)動的微創(chuàng)3D打印技術(shù)，直接在目標(biāo)表面上制造。
這里定義的人工智能不僅包括機(jī)器學(xué)習(xí)，還包括一個(gè)更廣泛的自動系統(tǒng)類別，它可以傳遞“理解”或“思考”(圖1b)，例如計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)，它可以可靠地檢測、跟蹤和識別目標(biāo)印刷表面，檢查印刷質(zhì)量和診斷印刷狀態(tài)。此外，人工智能驅(qū)動的打印可以從過去的經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，以預(yù)測可能的未來狀態(tài)，從而對快速移動和變形的目標(biāo)做出快速反應(yīng)。
圖1 人工智能輔助制造技術(shù)支持的3D打印功能材料和器件概述。
三、核心內(nèi)容
近日，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)Hyun Soo Park、Michael C. McAlpine團(tuán)隊(duì)以“3D-printed multifunctional materials enabled by artificial-intelligence-assisted fabrication technologies”為題，在Nature Materials Review上發(fā)文，討論了用于原位3D打印的電子和生物墨水，具有開環(huán)、閉環(huán)和預(yù)測控制的人工智能增強(qiáng)的3D打印方法，未來外科機(jī)器人和人工智能也可集成3D打印方法。人工智能、3D打印、功能材料和個(gè)性化生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的融合將為智能制造帶來引人注目的未來。
四、綜述要點(diǎn)
1. 人工智能輔助3D打印的關(guān)鍵研究
在無人工智能的傳統(tǒng)3D打印系統(tǒng)之外，作者重點(diǎn)關(guān)注反饋控制系統(tǒng)背景下，打印過程中人工智能的三個(gè)層次，以補(bǔ)償目標(biāo)形狀和運(yùn)動的復(fù)雜性和不確定性：開環(huán)人工智能、閉環(huán)人工智能和預(yù)測人工智能。表1總結(jié)了人工智能各個(gè)層次的結(jié)果。注意，帶預(yù)測AI的3D打印這一排還是空的，揭示了一個(gè)廣闊的研究領(lǐng)域。
表1 人工智能輔助3D打印的關(guān)鍵研究總結(jié)
2. 3D打印用功能性油墨
3D打印材料需要與相應(yīng)的3D打印方法兼容，3D打印方法通常分為基于光或基于沉積。基于光的3D打印方法包括選擇性激光燒結(jié)、立體光刻和數(shù)字光投影，這些方法通常對油墨的光響應(yīng)性(它們的光交聯(lián)或燒結(jié)能力)以及印刷平臺的格式有嚴(yán)格的限制。已經(jīng)開發(fā)了更多具有保形印刷能力和可更換油墨的多功能光基印刷平臺，以實(shí)現(xiàn)多種材料的原位印刷。基于沉積的印刷方法，例如直接墨水書寫和噴墨印刷，是基于材料的液滴或細(xì)絲的按需沉積，以在自由空間中形成3D結(jié)構(gòu)。它們能夠使用多個(gè)擠壓頭進(jìn)行多材料印刷，擠壓頭連接到裝有具有各種性質(zhì)(例如導(dǎo)電、半導(dǎo)電和生物墨水)和物理形式(例如細(xì)絲、凝膠、液體、懸浮液和粘性溶液)的墨水容器。不同于傳統(tǒng)的基于光的印刷操作需要材料桶，基于沉積的印刷方與活體內(nèi)部的原位制造有著固有的兼容性。
2.1 電子材料
用于電子器件原位3D打印的材料應(yīng)滿足某些要求：顯示實(shí)現(xiàn)諸如傳感、光電、和驅(qū)動等功能所需的電特性；具有與目標(biāo)生物表面相匹配的機(jī)械特性，以獲得機(jī)械順應(yīng)性；表現(xiàn)出適當(dāng)?shù)牧髯兲匦裕詫?shí)現(xiàn)可預(yù)測的行為和材料沉積的空間控制；在制造過程中和制造后保持與目標(biāo)生物表面的非刺激性界面
2.2 水凝膠
可與軟組織和器官相接觸的3D打印材料對于特定患者的功能支架、生物相容性粘合劑以及一些電子可穿戴設(shè)備和植入物至關(guān)重要，其中，水凝膠是3D打印生物界面的理想候選材料。與生物組織相似，水凝膠是滲透了水的粘彈性聚合物網(wǎng)絡(luò)，可用于組織工程和生物電子學(xué)應(yīng)用。它們滿足原位3D打印生物界面的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)：如果基于生物聚合物如膠原蛋白、纖維素和明膠，或基于生物聚合物-二氧化硅雜化材料，它們可以為細(xì)胞存活和增殖提供合適的支持；它們類似于天然細(xì)胞外基質(zhì)，具有組織樣的柔軟性和粘彈性，可以通過改變聚合物網(wǎng)絡(luò)的孔隙率和液相的粘度來調(diào)節(jié)；可以調(diào)整它們的界面性質(zhì)，使它們既能粘附在濕組織上，又能粘附在電子器件中常見的各種固體表面上；通過添加光引發(fā)劑，它們的交聯(lián)行為可以針對基于光的印刷方法進(jìn)行優(yōu)化；可以通過添加流變改性劑來優(yōu)化它們的流變性能，以用于基于沉積的印刷方法。
圖2 用于原位3D打印的功能油墨。
3. 用于3D打印的開環(huán)人工智能
開環(huán)3D打印依賴于在制造過程(離線)之前獲取目標(biāo)表面幾何信息，人工智能使用該幾何信息來確定刀具路徑設(shè)計(jì)和材料分布。表2總結(jié)了用于捕捉目標(biāo)表面幾何形狀，以輔助3D打印的一些3D感測方法。目標(biāo)表面幾何形狀的3D重建，通常使用帶有傳感器的復(fù)雜算法離線執(zhí)行，諸如計(jì)算機(jī)斷層掃描、激光掃描和結(jié)構(gòu)光掃描儀的傳感器。然后，可以相對于打印平臺校準(zhǔn)幾何圖形，并且可以生成用于在目標(biāo)表面上直接打印的保形刀具路徑的軌跡。在目標(biāo)表面不作為保形印刷的支撐基底的情況下，例如對于將插入再生植入物的受損神經(jīng)通路，人工智能可以使用先前掃描的庫或不完整解剖結(jié)構(gòu)的掃描數(shù)據(jù)來重建，用于3D印刷制造的植入物的患者特定模型。
表2 輔助3D打印的常見3D感測方法
更有趣的是，考慮到變形材料的最新進(jìn)展，基于模型的4D印刷可編程結(jié)構(gòu)的研究可以實(shí)現(xiàn)對植入物的精確、可預(yù)測的形狀控制，以獲得例如刺激響應(yīng)植入物，當(dāng)制造用于微創(chuàng)植入時(shí)，該植入物在尺寸上是緊湊的，并且在部署到目標(biāo)位置后膨脹以填充目標(biāo)空間，或者隨著身體愈合而而變形。
3.1 非平面表面上的保形3D打印
為了在靜態(tài)非平面表面上實(shí)現(xiàn)直接打印，人工智能必須在打印過程之前獲取目標(biāo)的幾何信息。我們將這種離線感應(yīng)能力的人工智能驅(qū)動的3D打印，定義為開環(huán)3D打印。在非平面的、預(yù)先存在的表面上進(jìn)行保形打印，不僅可以用基于沉積的3D打印，還可以用基于光的打印方法，例如立體光刻。
圖3 非平面表面上的保形3D打印。
3.2 基于目標(biāo)幾何的形狀設(shè)計(jì)
可穿戴醫(yī)療植入物可以直接3D打印在人體上，以實(shí)現(xiàn)臨床診斷或幫助傷口恢復(fù)。活性材料或無源材料在引導(dǎo)變形下的形狀可編程性，可以進(jìn)一步擴(kuò)展3D打印設(shè)備的功能。形狀設(shè)計(jì)或形狀變形指的是，設(shè)計(jì)內(nèi)在(例如熱膨脹和膨脹)和外在(例如介孔結(jié)構(gòu)和不均勻材料分布)材料特性，以在特定刺激(例如溫度、離子濃度和/或機(jī)械負(fù)載的變化)下實(shí)現(xiàn)規(guī)定的形狀變化。
在二維或三維尺度上，混雜交織材料的能力使得3D打印成為實(shí)現(xiàn)形狀編程設(shè)計(jì)的理想制造方法，其可以結(jié)合到原位3D打印的醫(yī)療可穿戴設(shè)備中，通過補(bǔ)償身體運(yùn)動(例如關(guān)節(jié)運(yùn)動和組織變形)來增強(qiáng)設(shè)備的魯棒性和耐用性。
通過獲取可變形目標(biāo)表面的掃描圖像，預(yù)測打印環(huán)境中的不確定性以及功能墨水的非線性特性，人工智能有利于符合身體運(yùn)動的可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)和打印。在3D打印中，使用人工智能進(jìn)行形狀編程被認(rèn)為是一個(gè)開環(huán)過程，因?yàn)槿斯ぶ悄苁窃谠O(shè)計(jì)階段，而不是打印過程中使用的。
圖4 基于目標(biāo)幾何形狀的程序編制。
4. 3D打印閉環(huán)人工智能
閉環(huán)人工智能打印是指對操作環(huán)境的變化(如目標(biāo)表面的運(yùn)動和變形、打印缺陷、油墨流量控制和噴嘴功能)進(jìn)行實(shí)時(shí)(在線)適應(yīng)的3D打印。基于檢測、跟蹤和識別算法，可以在打印過程中更新目標(biāo)幾何形狀和運(yùn)動、打印層的表面拓?fù)湫蚊埠痛蛴☆^的擠壓狀態(tài)。作者在本部分首先討論了閉環(huán)人工智能的兩個(gè)主要功能：通過在線校正提高打印質(zhì)量和通過在線跟蹤在運(yùn)動目標(biāo)上原位打印。隨后，機(jī)器人感知作為一種核心感知技術(shù)被討論，它可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)3D打印。
4.1 提高打印質(zhì)量
由于打印環(huán)境中的干擾(例如溫度變化和振動)，以及材料特性(例如油墨粘度和材料形態(tài))和機(jī)械行為(例如驅(qū)動機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動誤差)中的不確定性，需要閉環(huán)控制以在原位3D印刷期間，實(shí)現(xiàn)材料分布的精確空間處理。照相機(jī)和應(yīng)變儀等各種傳感器已被集成到3D打印平臺中，以觀察進(jìn)料系統(tǒng)和打印結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。傳感數(shù)據(jù)被送到計(jì)算工具，如計(jì)算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以識別打印缺陷，并向材料輸送和運(yùn)動控制系統(tǒng)提供反饋，以糾正印刷錯(cuò)誤。閉環(huán)人工智能提高了打印質(zhì)量，并在質(zhì)量控制的工業(yè)制造中開辟了新的機(jī)會，包括制造高精度零件。
4.2 移動目標(biāo)上的3D打印
生物系統(tǒng)本質(zhì)上是動態(tài)的。因此，對于原位3D打印，目標(biāo)生物表面通常不能完全固定。例如，活體中的皮膚和軟器官發(fā)生變剛性變形和非剛性變形，這些變形由呼吸、心跳和外科手術(shù)(例如氣體吹入)引起。在這些動態(tài)變化的幾何圖形上進(jìn)行原位打印，需要通過基于傳感數(shù)據(jù)的在線更新來調(diào)整刀具路徑。
圖5 具有閉環(huán)校正的3D打印和移動目標(biāo)上的3D打印。
4.3 用于原位3D打印的機(jī)器人感知
為了在人體脆弱的器官和組織上安全地進(jìn)行3D打印，可以使用3D打印機(jī)和“機(jī)器人外科醫(yī)生”的混合體。這種混合體應(yīng)該具備感知能力，能夠識別器官組織的幾何形狀和機(jī)械特性，以及動態(tài)系統(tǒng)中的干擾和不確定性。感知幾何屬性(如表面變形和運(yùn)動)與實(shí)現(xiàn)打印過程的空間控制直接相關(guān)。與用于實(shí)時(shí)3D重建的醫(yī)學(xué)成像方法，如磁共振成像和CT相比，基于視覺的感測方法不需要龐大的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，因此，可以集成到微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人中，使用小型圖像傳感器(如內(nèi)窺鏡攝像機(jī))來幫助在人體上或人體內(nèi)進(jìn)行原位手術(shù)。
在文中，作者區(qū)分低級和高級視覺感知系統(tǒng)，并分別對它們進(jìn)行了討論。低級感知類似于人類的視覺感知，它利用成像系統(tǒng)和圖像處理算法來檢測捕獲圖像中的視覺特征，例如顏色和紋理，以進(jìn)行3D重建。高級感知類似于大腦和神經(jīng)系統(tǒng)的感知；在3D打印中，它理解由低級感知重建的3D場景的語義，用于后續(xù)的刀具路徑規(guī)劃。
圖6 用于原位3D打印的機(jī)器人感知。
5. 3D打印的預(yù)測人工智能
在活體器官或生物體上進(jìn)行3D打印的能力，從根本上受到傳感、控制和計(jì)算固有延遲的限制。3D打印機(jī)器人無法響應(yīng)組織表面的變形可能會導(dǎo)致機(jī)器人設(shè)備碰撞或刺入組織，從而影響打印質(zhì)量、損壞組織，并導(dǎo)致安全問題。這需要預(yù)測性人工智能，它不僅能理解當(dāng)前的狀態(tài)，還能根據(jù)過去的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測未來的狀態(tài)，預(yù)測周圍組織的未來變形，并為有效減少或消除打印錯(cuò)誤的未來命令進(jìn)行規(guī)劃。未來的3D打印機(jī)器人可以配備，由復(fù)雜的機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練的預(yù)測人工智能，這將使打印更加適應(yīng)、交互式和準(zhǔn)確。
6. 用于原位3D打印的手術(shù)機(jī)器人
在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，原位3D打印可用于通過精確的空間控制，將具有所需電、化學(xué)和生物功能的生物材料直接輸送到人體。這可以在很多方面幫助現(xiàn)代醫(yī)學(xué)治療，比如用外科膠水代替縫合線，為神經(jīng)接口植入電極陣列，用工程細(xì)胞打印生物支架來修復(fù)或替換受損組織。已經(jīng)開發(fā)了復(fù)雜的手持式打印工具，用于將兩個(gè)生物鏈接同軸打印成殼-核結(jié)構(gòu)(圖7a)和打印多層薄膜皮膚移植物(圖7b)。這些打印工具目前用于在固定的3D結(jié)構(gòu)中打印有限類型的墨水，并且目前受限于人體解剖結(jié)構(gòu)的不同部分容納多用途材料的能力。
另外，在不同的打印場景中，與手動操作相關(guān)聯(lián)的打印質(zhì)量是不一致的。相反，目前用于3D打印行業(yè)的機(jī)器控制打印平臺不能完全滿足現(xiàn)場材料要求。它們建立在XYZ構(gòu)臺系統(tǒng)或三角機(jī)器人的基礎(chǔ)上，通常具有較大的外形尺寸，打印工作空間封閉在框架結(jié)構(gòu)中。這種類型的3D打印機(jī)適用于表皮手術(shù)，如紋身和在開放傷口上打印皮膚細(xì)胞，但這些3D打印機(jī)的大尺寸不適合體內(nèi)手術(shù)。
與3D打印的發(fā)展同步，自1980年1999年以來，機(jī)器人輔助管理信息系統(tǒng)技術(shù)一直在發(fā)展，并提供了一個(gè)可行的平臺，以在人體深處的不同部位(如神經(jīng)系統(tǒng)和腹部)執(zhí)行原位3D打印，用于組織修復(fù)、藥物輸送和功能性添加。這些機(jī)器人平臺具有先進(jìn)的傳感(如視覺和力反饋)和精確的運(yùn)動控制能力，可以實(shí)現(xiàn)“更智能”的手術(shù)，以減少因醫(yī)療錯(cuò)誤造成的死亡或受傷。
圖7 用手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行3D打印。
五、小結(jié)
盡管，在這篇綜述中討論的3D打印技術(shù)顯示出巨大的希望，但是人工智能集成仍然處于初級階段，我們?nèi)匀蝗狈?D打印機(jī)器人和普通用戶之間的智能交互界面。人工智能不僅要了解打印環(huán)境的狀態(tài)，還要了解打印任務(wù)，并與人類專家甚至新手共享控制權(quán)，人工智能應(yīng)該與這些人進(jìn)行密切的交互，這將有助于識別目標(biāo)的物理屬性，以重新設(shè)計(jì)打印方案，從而精確操作手持打印機(jī)，并在線評估打印質(zhì)量以完成任務(wù)。當(dāng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)等新界面被集成到3D打印過程中時(shí)，人工智能將指導(dǎo)整個(gè)端到端的過程，從計(jì)算設(shè)計(jì)到基于大型人機(jī)交互數(shù)據(jù)庫的特定目標(biāo)輸出。作者認(rèn)為這種交互式3D打印是走向多功能3D打印普適應(yīng)用的重要方向。
六、參考文獻(xiàn)及原文鏈接
[1] Zhijie Zhu, et al. 3D-printed multifunctional materials enabled by artificial-intelligence-assisted fabrication technologies, Nature Reviews Materials, 2020.
DOI: 10.1038/s41578-020-00235-2
https://www.nature.com/articles/s41578-020-00235-2
