三維打印技術(shù)與野生動(dòng)物骨骼標(biāo)本制作

趙 巖 趙素芬 李 輝 盧 巖＊ 張成林，＊

（1.北京動(dòng)物園，北京100044；2.圈養(yǎng)野生動(dòng)物技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044）

0 引言

野生動(dòng)物作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，因生存環(huán)境、習(xí)性、數(shù)量、分布等多方面因素，其研究工作目前并不全面[1]。近年來，隨著野生動(dòng)物保護(hù)工作引起社會(huì)的廣泛關(guān)注，野生動(dòng)物保護(hù)研究也逐步開展，新技術(shù)在野生動(dòng)物領(lǐng)域的開發(fā)及應(yīng)用也逐步推廣。三維打印技術(shù)（Three Dimensional Printing）因眾多技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及快速發(fā)展，目前已從傳統(tǒng)的模具制造擴(kuò)展至精密零部件打印，甚至DNA打印與生命重塑[2]。將3D打印技術(shù)引入野生動(dòng)物保護(hù)領(lǐng)域，可以構(gòu)建野生動(dòng)物標(biāo)本、骨骼、器官、卵等模型，有望服務(wù)野生動(dòng)物飼養(yǎng)、管理、繁育、保護(hù)等各項(xiàng)技術(shù)工作。骨骼標(biāo)本的3D掃描和打印或可作為3D打印技術(shù)在野生動(dòng)物領(lǐng)域研究和推廣的技術(shù)突破口，進(jìn)行無損傷研究及廣泛應(yīng)用。鑒于此，本文從3D打印技術(shù)以及其在野生動(dòng)物骨骼標(biāo)本制作中可能存在的問題及應(yīng)用前景進(jìn)行綜述，以期擴(kuò)展野生動(dòng)物基礎(chǔ)學(xué)科研究，滿足野生動(dòng)物的疾病診療、研究、教學(xué)、宣傳和科普。

1 3 D打印技術(shù)及其應(yīng)用

1.1 3D打印技術(shù)原理

三維打印技術(shù)，亦被定義為“快速成型技術(shù)”“增材制造技術(shù)”[3，4]，與傳統(tǒng)去除多余部分的制造方式相反。簡(jiǎn)言之，其本質(zhì)是基于模型數(shù)據(jù)，將三維模型拆分為無數(shù)個(gè)二維平面，逐層打印，生產(chǎn)出立體模型[5]。

19世紀(jì)末，3D打印技術(shù)的概念既已誕生，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，至20世紀(jì)80年代，3D打印技術(shù)真正落實(shí)并逐漸得以應(yīng)用。成熟的3D打印技術(shù)并非一蹴而就，期間經(jīng)歷著許多的技術(shù)和材料的更新。1986年，Chuck Hull發(fā)明了光固化立體成型技術(shù)（Stereo lithography appearance，SLA），制造出第一臺(tái)3D打印機(jī)[5，6]，這標(biāo)志著3D打印技術(shù)第一次從構(gòu)想中脫胎到實(shí)際生產(chǎn)中來。1989年，Deck-arD發(fā)明選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（Select laser sintering，SLS）[7，8]；1992年，Crump發(fā)明熔融沉積成型技術(shù)（Fused Deposition M odeling，F(xiàn)DM）[9]；1993年，Sachs發(fā)明了3D噴印技術(shù)（Three Dimensional Printing，3DP）[8，10，11]等 等。 直 至2005年，世界上第一臺(tái)高清晰彩色3D打印機(jī)由Z Corporation研發(fā)成功[12]，這標(biāo)志了3D打印技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟。與傳統(tǒng)加工方法相比，基于3D打印技術(shù)的加工方式更為高效、精密、制作流程簡(jiǎn)便，對(duì)傳統(tǒng)加工制造業(yè)被迫過度生產(chǎn)、剔除邊角料等不足進(jìn)行了有效改善，且在質(zhì)量和精細(xì)度上均優(yōu)越于傳統(tǒng)制作業(yè)[13]。

1.2 3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用

目前，此后3D打印技術(shù)迅速被應(yīng)用于醫(yī)療、軍工、汽車、航空、產(chǎn)品制造設(shè)計(jì)、快速模具制造、珠寶制造等多個(gè)領(lǐng)域[14-16]，并在很大程度上改變了制造業(yè)的發(fā)展方向。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D打印技術(shù)已應(yīng)用至人體器官模型，并取得了一定成績(jī)，如創(chuàng)建個(gè)性化顱骨病損模型等[17,18]。特別是在骨科已相對(duì)成熟，成為個(gè)體化、個(gè)性化治療的重要技術(shù)工具。然而，在醫(yī)療領(lǐng)域因打印原材料性質(zhì)有限，其應(yīng)用其受到一定程度的限制[19]。此外，圖像技術(shù)的發(fā)展也對(duì)3D打印技術(shù)的應(yīng)用起到?jīng)Q定性作用[20]?，F(xiàn)階段，醫(yī)學(xué)超聲圖像已滿足直接提取原始醫(yī)學(xué)圖像，經(jīng)三維渲染后重建較高保真度三維模型[21]。

2 野生動(dòng)物骨骼標(biāo)本的作用及面臨的問題

早期的動(dòng)物標(biāo)本主要用于動(dòng)物分類學(xué)上確定物種。動(dòng)物標(biāo)本為物種信息的載體，是動(dòng)物分類、形態(tài)解剖、區(qū)系與系統(tǒng)進(jìn)化、生物多樣性及瀕危物種保護(hù)等研究的重要科學(xué)依據(jù)[22]。研究者可通過標(biāo)本信息，掌握該物種基本形態(tài)特征，以此界定物種分類，研究物種分布及其歷史、現(xiàn)狀、系統(tǒng)演化的證據(jù)，同時(shí)也在專業(yè)教學(xué)、科普宣傳、弘揚(yáng)綠色文明中發(fā)揮著重要的作用[22]。

然而，傳統(tǒng)動(dòng)物標(biāo)本制作過程繁雜、難以保存、運(yùn)輸和展覽過程中易損。例如：一套完整的動(dòng)物骨骼標(biāo)本，需要經(jīng)過剝離、剔肉、脫脂、漂白，并按照自然狀態(tài)和位置進(jìn)行串聯(lián)安裝等多個(gè)步驟，一件中等體型動(dòng)物骨骼標(biāo)本的制作周期往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)月[23]。骨骼標(biāo)本在保存過程中在環(huán)境溫度、濕度、動(dòng)物自身材質(zhì)和生前體質(zhì)等因素作用下，隨著時(shí)間的推移會(huì)出現(xiàn)不同程度的損壞。另外，由于標(biāo)本制作師操作手法不同，骨骼標(biāo)本的脫脂程度會(huì)存在較大差異，動(dòng)物骨骼標(biāo)本在保存過程中出現(xiàn)不同程度的反油現(xiàn)象，從而導(dǎo)致標(biāo)本容易附著臟物，滋生霉菌，因不易進(jìn)行二次清理，在水氣、塵土的作用下加速了標(biāo)本的腐壞。此外，骨骼標(biāo)本較為脆弱，特別是一些珍稀鳥類標(biāo)本，如朱鹮等，不僅因動(dòng)物數(shù)量稀少，可制作標(biāo)本的極少，且在運(yùn)輸途中一旦發(fā)生損壞，還不易修復(fù)。耗費(fèi)大量時(shí)間、人力、財(cái)力制作好的骨骼標(biāo)本，常因維護(hù)不當(dāng)，導(dǎo)致毀壞或部件遺失，造成珍貴標(biāo)本不可挽回的損失。因此，傳統(tǒng)動(dòng)物骨骼標(biāo)本難以滿足人們對(duì)信息資源獲取的更高需求。

鑒于此，筆者設(shè)想將3D打印技術(shù)應(yīng)用于野生動(dòng)物骨骼標(biāo)本制作。若要實(shí)現(xiàn)3D打印技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用，除技術(shù)問題本身，還須考慮打印材料的性質(zhì)，目前可用材料包括金屬、聚合物和陶瓷等[7]。打印材料的選擇與研發(fā)仍是3D打印技術(shù)的重要課題。使用聚合物打印材料，基本可以滿足動(dòng)物骨骼標(biāo)本在該領(lǐng)域的應(yīng)用，兼之較低的成本、高效的原料利用率和簡(jiǎn)便的制作流程[7]等優(yōu)點(diǎn)，該新型打印技術(shù)可以作為成熟的技術(shù)工具，進(jìn)行野生動(dòng)物標(biāo)本制作的研發(fā)和試驗(yàn)，以其可再生性和聚合物打印材料易于保存等特點(diǎn)，應(yīng)用于野生動(dòng)物骨骼標(biāo)本的制作與保護(hù)。

3 3 D打印技術(shù)在野生動(dòng)物骨骼標(biāo)本中的應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于3D打印技術(shù)應(yīng)用于野生動(dòng)物的報(bào)道雖少，但亦有成功案例，如2016年廣州動(dòng)物園利用3D打印技術(shù)為1只失去上喙的丹頂鶴制造并安裝義喙，丹頂鶴可正常采食，國(guó)外亦有多例3D打印技術(shù)幫助殘疾動(dòng)物獲得新生的報(bào)道[24]。此外，國(guó)外學(xué)者已有將3D打印技術(shù)與野生動(dòng)物骨骼標(biāo)本制作相結(jié)合的先例，如2015年8月，美國(guó)Dem Bones團(tuán)隊(duì)3D打印出了一整套犬科骨骼的模型，并在關(guān)節(jié)處加裝磁鐵，既靈活自如，又便于拆卸和重新組裝?？梢?，該技術(shù)可以在野生動(dòng)物骨骼標(biāo)本的制作、科學(xué)研究、保護(hù)、宣傳教育等領(lǐng)域進(jìn)行推廣。通過三維掃描技術(shù)，可將骨骼標(biāo)本參數(shù)數(shù)字化，隨用隨打標(biāo)本模型，成本低廉，且打印材料穩(wěn)定，模型受自然環(huán)境影響較?。猾@得的骨骼數(shù)據(jù)可以根據(jù)后續(xù)要求進(jìn)行調(diào)整，如單獨(dú)放大或者縮小打印某一處骨骼，進(jìn)行重點(diǎn)研究、教學(xué)、展覽宣傳使用。

4 3 D打印在野生動(dòng)物骨骼標(biāo)本制作存在的不足

采用3D打印技術(shù)制作動(dòng)物骨骼標(biāo)本，需完成骨骼樣品數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)修正、骨骼建模及3D打印4個(gè)過程。在野生動(dòng)物骨骼標(biāo)本制作暴露的不足，主要源于骨骼數(shù)據(jù)的缺如。珍稀物種的骨骼標(biāo)本，只在少數(shù)動(dòng)物園、研究所保存，目前3D打印行業(yè)的高精團(tuán)隊(duì)因種種原因未獲得這些數(shù)據(jù)，不能進(jìn)行有效的開發(fā)研究。以朱鹮為例，因物種稀缺，在我國(guó)僅個(gè)別動(dòng)物園或保護(hù)基地飼養(yǎng)，許多學(xué)者僅能通過圖片、影像、文字資料對(duì)其大體了解，無法全面掌握物種的全部數(shù)據(jù)，樣本保存單位又缺乏系統(tǒng)研究的技術(shù)人員。因此，野生動(dòng)物目前缺乏系統(tǒng)全面的骨骼三維掃描和3D打印研究。

5 小結(jié)與展望

隨著“大數(shù)據(jù)”和“數(shù)據(jù)庫(kù)”概念的引入，骨科疾病及考古學(xué)已建立骨骼相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)[25]，建立珍稀野生動(dòng)物骨骼數(shù)據(jù)庫(kù)亦是未來研究趨勢(shì)。將3D打印技術(shù)與野生動(dòng)物標(biāo)本制作相結(jié)合，應(yīng)用于骨骼標(biāo)本的制作與保護(hù)，并將技術(shù)推廣應(yīng)用于各類瀕危野生動(dòng)物，在輔助臨床醫(yī)療工作，提高珍稀動(dòng)物尸體的利用率的同時(shí)，逐步建立瀕危野生動(dòng)物標(biāo)本數(shù)據(jù)庫(kù)及3D打印技術(shù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)本模型向同行業(yè)、高校、博物館等機(jī)構(gòu)的輸出，以完善的數(shù)據(jù)、較低的成本、較高的效率和有效的保護(hù)，滿足野生動(dòng)物的疾病診療、研究、教學(xué)、宣傳和科普，對(duì)野生動(dòng)物保護(hù)有一定的實(shí)際意義。