未來(lái)的工程制造領(lǐng)域，或許將迎來(lái)科學(xué)家與大自然攜手共創(chuàng)的全新篇章。

試想某天，你收到一個(gè)鼓鼓囊囊的快遞，拆開后竟發(fā)現(xiàn)里面躺著一萬(wàn)只黑壓壓的死蚊子，你會(huì)選擇報(bào)警還是直接扔進(jìn)垃圾桶？

我的一位朋友大概率會(huì)興奮不已，因?yàn)樗麩嶂杂谑占米邮w——每只被他親手打死的蚊子，都會(huì)被當(dāng)作“戰(zhàn)利品”用透明膠粘進(jìn)專門的小本本里。

但如果這份“特殊包裹”的收件人是科學(xué)家，故事的走向就會(huì)截然不同。加拿大麥吉爾大學(xué)的曹長(zhǎng)宏與李劍宇收到這些蚊子后，取下它們的口器，制作成了3D打印噴嘴。這種噴嘴不僅成本低廉、經(jīng)久耐用，還能打印出極其精細(xì)的結(jié)構(gòu)。

相關(guān)研究論文已于11月19日發(fā)表在《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）期刊上。

靈感源自一只“躺平”的死蜘蛛

這一切的開端，要從一項(xiàng)曾榮獲2023年搞笑諾貝爾獎(jiǎng)的研究說(shuō)起。

幾年前，美國(guó)萊斯大學(xué)的研究生Te Faye Yap在實(shí)驗(yàn)室走廊偶然發(fā)現(xiàn)一只死蜘蛛，她注意到蜘蛛的腿緊緊向內(nèi)蜷縮。原來(lái)，蜘蛛腿的伸展依賴體內(nèi)的液壓系統(tǒng)，一旦死亡，壓力消失，腿便自然收攏。這個(gè)看似平常的現(xiàn)象，讓Yap萌生了一個(gè)大膽的想法：能否將蜘蛛尸體改造成機(jī)械抓手？

Yap將蜘蛛尸體與外部液壓系統(tǒng)相連，通過(guò)加減壓驅(qū)動(dòng)死蜘蛛的腿開合。她發(fā)現(xiàn)，這種抓手能提起相當(dāng)于自身重量1.3倍、體積2.6倍的物體，且能反復(fù)開合超過(guò)700次！研究團(tuán)隊(duì)為這項(xiàng)技術(shù)起了個(gè)略帶驚悚的名字——“死體機(jī)器人學(xué)”（necrobotics）。

蜘蛛改造的機(jī)械抓手丨Te Faye Yap and coauthors

這項(xiàng)研究引起了曹長(zhǎng)宏和李劍宇的興趣。曹長(zhǎng)宏長(zhǎng)期專注納米制造領(lǐng)域，李劍宇則深耕生物材料力學(xué)研究。于是他們開始思考：既然死蜘蛛能做成抓手，自然界中是否還有其他生物器官可直接用于機(jī)械制造？

上圖最左側(cè)為李劍宇，他是組織修復(fù)與再生方向加拿大首席科學(xué)家；最右側(cè)是曹長(zhǎng)宏，他是小尺度材料及制造方向加拿大首席科學(xué)家；中間是Justin Puma，是他倆的碩士研究生｜受訪者供圖

很快，他們將目光聚焦到生物體那些細(xì)小卻堅(jiān)韌的管狀結(jié)構(gòu)上，比如植物輸水的木質(zhì)部導(dǎo)管、蝎子與毒蛇的毒刺和毒牙，以及蚊子等昆蟲的取食口器。這些歷經(jīng)億萬(wàn)年演化的精密結(jié)構(gòu)，或許正是高精度3D打印噴嘴的天然雛形。

在眾多天然微型管狀結(jié)構(gòu)中，蚊子口器最終脫穎而出。首先，它結(jié)構(gòu)筆直，管道在3D打印墨水流經(jīng)時(shí)不會(huì)發(fā)生形變。其次，蚊子口器的內(nèi)徑約為20微米。要知道，市面上最細(xì)的塑料噴嘴內(nèi)徑達(dá)150微米，金屬噴嘴雖能做到35微米，但單個(gè)售價(jià)高達(dá)80美元。相比之下，蚊子口器不僅更精細(xì)，成本也幾乎可以忽略不計(jì)。

一萬(wàn)只死蚊子背后的故事

確定研究目標(biāo)后，曹長(zhǎng)宏和李劍宇很快遇到第一個(gè)現(xiàn)實(shí)難題——研究用的蚊子從哪里來(lái)？

談及找蚊子的經(jīng)歷，李劍宇無(wú)奈地嘆了口氣。起初，他們聯(lián)系蒙特利爾當(dāng)?shù)氐睦ハx館和博物館，想獲取蚊子樣品，后來(lái)又嘗試聯(lián)系研究蚊蟲的科學(xué)家。

就在他們一籌莫展時(shí)，美國(guó)德雷克塞爾大學(xué)研究蚊子行為的助理教授伸出了援手，解決了燃眉之急。曹長(zhǎng)宏回憶道，他曾試探性詢問(wèn)買幾百只蚊子的價(jià)格，對(duì)方的答復(fù)卻讓他意外：蚊子不要錢，但最少得寄一萬(wàn)只。

埃及伊蚊（Aedes Aegypti）丨wikipedia.org

原來(lái)，對(duì)于研究蚊子的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)后的蚊子尸體是需處理的生物危害廢棄物，更像是一種負(fù)擔(dān)，有人愿意“收垃圾”簡(jiǎn)直是雪中送炭。就這樣，一大批雌性埃及伊蚊（Aedes Aegypti）尸體被凍存進(jìn)李劍宇實(shí)驗(yàn)室的冰箱。

曹長(zhǎng)宏笑著說(shuō)：“一旦找到合適的合作者，蚊子來(lái)源就不再是問(wèn)題了?！?/p>

蚊子口器竟如此“皮實(shí)”

解決來(lái)源問(wèn)題后，曹長(zhǎng)宏和李劍宇的碩士研究生Justin Puma親自動(dòng)手，從零組裝了一臺(tái)“蚊子嘴3D打印機(jī)”：零件自己采購(gòu)、結(jié)構(gòu)自己搭建、程序自己編寫。

接下來(lái)，他們開始測(cè)試蚊子口器的力學(xué)性能。李劍宇感嘆：“我原以為蚊子這么常見的物種，關(guān)于其口器的生物力學(xué)研究應(yīng)該很多，沒(méi)想到卻寥寥無(wú)幾。”

他們驚喜地發(fā)現(xiàn)，蚊子口器能承受高達(dá)60kPa的內(nèi)部壓力，足以滿足3D打印擠出墨水的需求。不過(guò)，若繼續(xù)加壓，蚊子口器就會(huì)沿著最薄弱的區(qū)域裂開。李劍宇解釋：“蚊子口器有點(diǎn)像用一張紙卷成的紙筒，中間有一道接縫，那里是薄弱區(qū)域，但好在我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)打印參數(shù)避免開裂?！?/p>

3D打印墨水屬于剪切變稀流體，即流速越快、黏度越低。因此，只要控制液體流速和噴嘴位移速度，讓墨水不滯留在噴口，就能避免噴嘴內(nèi)壓力過(guò)高。

曹長(zhǎng)宏打了個(gè)形象的比方：“這就像高速公路上的匯入車流。如果一輛車還沒(méi)開走，另一輛車又來(lái)，道路就會(huì)擁堵。但只要選對(duì)墨水、控制好參數(shù)，讓每輛車及時(shí)開走，就不會(huì)有堵車問(wèn)題?！比粝胱屛米涌谄鞒惺芨邏毫?，未來(lái)可在其外部鍍一層金屬或其他材料，增強(qiáng)噴嘴整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

（C）雌性蚊子的口器被安裝在定制的3D DIW打印機(jī)上；（D）口器針頭擠出Cellink Start凝膠（一種3D打印生物墨水）丨參考資料1

除了承壓能力，他們還系統(tǒng)測(cè)試了蚊子口器的使用壽命。結(jié)果顯示，只要打印參數(shù)控制得當(dāng)，一個(gè)蚊子口器噴嘴可連續(xù)工作至少14天！而且，即便將蚊子口器冷凍一年，其作為3D打印噴嘴的性能也絲毫不受影響。

李劍宇解釋：“蚊子口器的主要成分是幾丁質(zhì)，與富含水分的細(xì)胞組織不同，幾丁質(zhì)含水量低，因此冷凍時(shí)不會(huì)因冰晶形成破壞結(jié)構(gòu)，可耐受長(zhǎng)時(shí)間冷凍存儲(chǔ)?！?/p>

曹長(zhǎng)宏也稱贊蚊子口器的“皮實(shí)”：“玻璃雖能制造出內(nèi)徑僅一微米甚至幾百納米的打印噴嘴，但它太脆弱了。如果放在面前對(duì)著它說(shuō)話，都可能被震碎。但蚊子口器就不一樣，對(duì)它大喊都沒(méi)問(wèn)題！”

經(jīng)濟(jì)環(huán)保，未來(lái)應(yīng)用不止于3D打印

除了精度高、耐用性強(qiáng)，用蚊子口器做3D打印噴嘴還有一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)——成本低廉。

據(jù)研究團(tuán)隊(duì)測(cè)算，一名經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的技術(shù)人員約10分鐘就能用蚊子口器組裝一個(gè)噴嘴。將零基礎(chǔ)新手培訓(xùn)成熟練工，也只需一個(gè)月左右。照此推算，若雇傭200名熟練工人，時(shí)薪3.1美元，每天工作8小時(shí)，一天就能生產(chǎn)9600個(gè)噴嘴，單個(gè)噴嘴生產(chǎn)成本僅0.52美元。相比塑料、金屬甚至玻璃噴嘴，這價(jià)格低得驚人。

在性能方面，李劍宇指出，他們已實(shí)現(xiàn)10微米量級(jí)的打印精度。這一精度在生物打印領(lǐng)域意義重大，因?yàn)樗c人體毛細(xì)血管直徑相當(dāng)。若科學(xué)家需3D打印仿毛細(xì)血管的微型結(jié)構(gòu)，打印噴嘴必須達(dá)到這種精度，而蚊子口器已具備該能力。

當(dāng)然，受口器承壓上限限制，用它進(jìn)行3D打印的速度不算快。但曹長(zhǎng)宏認(rèn)為，微納制造中最關(guān)鍵的始終是打印精度。而且提速也很簡(jiǎn)單：只需增加噴嘴數(shù)量同時(shí)打印，畢竟這種噴嘴成本低，多部署一些完全不成問(wèn)題。

(B) 使用蚊子口器打印的3D蜂窩結(jié)構(gòu)； (C) 使用蚊子口器打印的3D楓葉結(jié)構(gòu)； (D) 使用蚊子口器打印的3D網(wǎng)格支架丨參考資料1

事實(shí)上，蚊子口器的潛力遠(yuǎn)不止于3D打印領(lǐng)域。未來(lái)它們或許能作為生物醫(yī)藥中的一次性耗材，替代目前廣泛使用的金屬針頭等材料。由于蚊子口器成本極低且可完全降解，不會(huì)帶來(lái)環(huán)境負(fù)擔(dān)，也不存在針頭重復(fù)使用引發(fā)的安全隱患。

在為這項(xiàng)技術(shù)命名時(shí)，曹長(zhǎng)宏借用了“死體機(jī)器人學(xué)”的概念，稱其為“necroprinting”。不過(guò)，他不喜歡“死亡打印”“死靈打印”這類略顯詭異的譯法。對(duì)李劍宇而言，這項(xiàng)研究的核心并非蚊子尸體，而是如何將生物結(jié)構(gòu)以工程化方式重新利用。

因此，不妨稱這項(xiàng)技術(shù)為“生源打印”。畢竟，無(wú)論是蜘蛛腿還是蚊子口器，它們都不只是尸體上的零部件，更是億萬(wàn)年生命演化的結(jié)晶。人類工程正重新審視自然界中這些被忽略的微小結(jié)構(gòu)，未來(lái)的工程制造，或許將由科學(xué)家與大自然共同創(chuàng)造。

參考文獻(xiàn)

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw9953

[2]https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202201174

本文來(lái)自微信公眾號(hào) “果殼”（ID：Guokr42），作者：黃雨佳，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

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