22 декабря 2021

Анна Антонова

Как используют 3D в разных областях науки и техники

Представь себе камуфляж, который делает человека почти невидимым. Или протезы, которые по виду и ощущениям идентичны настоящим конечностям. А как насчет окон, которые направляют свет в разные части комнаты в зависимости от времени суток?

Может показаться, что эти идеи — что-то из научной фантастики. Но все они становятся осуществимыми благодаря вкладу 3D-художников в области жизни, которые не связаны с искусством напрямую. Медицина, инженерия, экология и электроника — все эти сферы все чаще опираются на знания и умения 3D-специалистов в поисках новых решений и изобретений.

Обычно мы говорим о 3D в контексте различных видов искусства: видеоигр, скульптуры, дизайна. Сегодня мы посмотрим на него с другой стороны и расскажем, как опыт художников в области 3D помогает развиваться науке и делает нашу повседневную жизнь проще и лучше.

Медицина

Когда речь заходит об использовании 3D в медицинских целях, первая мысль — 3D-печать. На основе специально созданных моделей сегодня можно напечатать протез не только руки или ноги, но и, например, трахеи или даже сердца. Но это далеко не единственное применение трехмерных технологий в медицинских целях.

Протезирование

Начнем все-таки с самого очевидного. К сожалению, один из главных минусов протезирования — его стоимость. Специалисты создают протезы вручную, собирают их, примеряют на пациента и вносят изменения после примерки. Миллионы людей по всему миру нуждаются в протезах, но большинство так их и не получает, поскольку ни страхование, ни личные финансы не способны покрыть требуемых расходов.

В этом смысле 3D-печать — буквально спасение для большинства пациентов. На изготовление таких деталей уходит гораздо меньше денег, а точность воспроизведения модели в разы превышает привычную аккуратность сборки. Более того, такие протезы гораздо комфортнее в носке: их можно кастомизировать под каждого конкретного пользователя, с учетом как анатомических особенностей, так и эстетических предпочтений. Это особенно ценно в случае с детьми: они быстро вырастают из старых протезов, и 3D-печать позволяет обновить конечность недорого и превратить процесс из пугающего в увлекательный для ребенка.

Проект Уилльяма Рута Exo Prosthetics решает проблемы протезирования, связанные с ценой, дискомфортом ношения и стрессом от неприятия новой конечности. *Источник*

Кстати, об эстетике. Когда речь заходит о замене руки или ноги, казалось бы, не до того, как это будет выглядеть. Но как раз этот творческий аспект протезирования очень важен. Раньше люди были вынуждены ходить с неестественно выглядящей роботической конечностью. Сегодня протез может быть совершенно неотличим от настоящей части тела, а может быть дополнен декоративными элементами на выбор носителя. Эта эстетическая возможность кастомизации хорошо тем, что помогает ампутантам преодолеть психологический стресс от ношения искусственного протеза и тем самым ускоряет период реабилитации.

Помимо протезов 3D-печать позволяет производить альтернативу гипсовым повязкам для переломов. Такой «3D-гипс» создается на основе данных рентгена и сканирования пациента. За счет особенности материалов и способа создания он легче и идеально подходит пациенту по форме и размеру. Да и вообще, с ним проще вернуться к повседневной жизни: например, можно без проблем пойти и принять душ.

*В 2013 году британский дизайнер Джейк Эвилл напечатал первый 3D-гипс, Cortex Exoskeletal.* *Источник*

Практика и образование

Даже за пределами работы с пациентами трехмерные модели приносят огромную пользу. Часто ученые воспроизводят реальные органы и печатают их с целью практики и исследования. Например, 3D-модели желудочного тракта, простаты или сердца, изготовленные из биологического материала, позволяют хирургу более точно спланировать операцию, проведя своеобразную репетицию.

Нередко такие «препараты» снабжают имитированной кровеносной системой или датчиками давления, чтобы приблизить условия тренировки к реальным. Работа 3D-художника заключается в точном воспроизведении той или иной части тела с учетом всевозможных особенностей и факторов. Если у пациента есть аномалия, ее нужно иметь в виду при создании модели. Благодаря столь точным прототипам врачи оттачивают свои профессиональные навыки. На таких же моделях можно обучать студентов медицинских вузов или использовать их для детального объяснения пациенту предстоящей операции.

В отрыве от обучающей функции, 3D-модели позволяют ученым-медикам быстрее и точнее изучать определенные процессы внутри организма. Так, провайдер 3D-услуг Schiner 3D Repro создал специальный принтер Stratasys, который может воссоздавать конкретные аномалии и патологии. Ученые, в свою очередь, получили возможность отслеживать развитие тех или иных болезней быстрее и качественнее. Это ускорило исследования, посвященные борьбе с раком и другими неизлечимыми заболеваниями, и снизило количество тестирований на людях и животных.

3D-принтер Stratasys может создавать ультра-реалистичные модели человеческих органов и биологических систем, в которых можно симулировать развитие болезни или патогена. *Источник*

Экология

Технологии 3D могут помогать не только отдельным пациентам, но и планете. С этими целями их часто используют экологи, достигая результатов, которые были бы невозможны в 2D. Новые устройства и методы помогают изучить или обезопасить определенные формы жизни.

3D-сканирование

На фронте сбора трехмерной информации в экологии находится две технологии: компьютерная томография и наземное лазерное сканирование. Причем чаще ученые отдают предпочтение второму методу: в отличие от громоздкого стационарного томографа, 3D-сканер позволяет качественно обработать данные прямо на месте за 10-15 минут.

Эти технологии значительно упрощают работы по измерению больших растительных структур, вроде лесов. Традиционная лесная экология опирается на приблизительные данные: высоту и обхват деревьев, случайно отобранные образцы растений. С использованием 3D в эту сферу приходит точность и улучшенное понимание того, как леса влияют на климат и глобальную экосистему. Благодаря лазерному сканеру становится возможно создать трехмерную модель рельефа почвы и оценить возможные последствия тех или иных природных катаклизмов на флору и фауну.

Пример лазерного сканирования леса

А еще такие высокоточные данные используют для изучения сложных экологических взаимоотношений в более контролируемой среде. Например, ученые могут воссоздавать и предугадывать поведение пчел на трехмерной модели, что гораздо проще, чем следить за реальными пчелами в естественных условиях.

3D-печать

Помимо сканирования на помощь экологам приходит печать. Трехмерные отпечатки можно использовать для создания миниатюрных моделей среды обитания, на которых часто проводят дальнейшее исследование. Многие естественные среды и их обитателей довольно сложно изучить в реальном времени: они чувствительны к постороннему вмешательству и есть риск повредить экосистему. Имитация природных условий в миниатюре — альтернатива инвазивным полевым исследованиям.

*Напечатанные рифы в океане ведут себя так же, как и натуральные.* *Источник*

Плюсов у этого несколько. Давай для примера возьмем коралловые рифы — на сегодняшний день они находятся под угрозой. Во-первых, использование трехмерных отпечатков рифов снимает необходимость лишний раз вторгаться в и без того подверженную опасности структуру. Во-вторых, кораллы постепенно разрушаются — в этом случае 3D-моделями можно заменить отмершие части рифа, тем самым обезопасив экосистему.

Инженерия

В 2015 году NASA объявили конкурс на лучший дизайн трехмерной печатной среды обитания для жизни на Марсе. Инженеры со всех уголков мира ринулись творить. Одной из самых заметных команд стали Hassel, которые в коллаборации с EOC сосредоточились не просто на возможности проживания на другой планете, а на комфортном пребывании человека за пределами земли.

Представленный ими дизайн предложил космонавтам определенный уровень комфорта и возможность чувствовать себя на чужой планете как дома. The Hassel поставили перед собой цель создать самую безопасную и функциональную станцию в истории исследований космоса.

HASSELL + EOC presents MARS HABITAT — Проект среды обитания человека на Марсе от Hassel и EOC

Проект NASA — один из самых громких в 3D-инженерии, но далеко не единственный. С его помощью изготавливают приборы для симуляции и производства.

3D-печать

Печать деталей больших проектов — это быстрый и дешевый способ протестировать готовый дизайн и внести необходимые поправки. К примеру, перед запуском космического корабля создается множество вариаций дизайна. Каждый из них проверяется на прочность и дееспособность, и выбирается самый оптимальный. Затем он дорабатывается и печатается по-новой, чтобы провести еще ряд тестов. И даже после того, как дизайн полностью разработан, 3D-технологии позволяют напечатать детали для самого шаттла, используя подходящие материалы.

*3D-модель космического шаттла, опубликованная в открытых архивах NASA.* *Источник*

Конечно, работает это не только на космических суднах. 3D-печать применяется в создании огромного количества устройств, от автомобилей до микроволновок. Современные CAD-системы решают проблемы планирования, оптимизируют процесс работы над сложными механизмами.

3D-визуализация

Также работа с трехмерными моделями упрощает коммуникацию с заказчиком. Специальное оборудование помогает инженерам визуализировать проект без лишних затрат и на пальцах объяснить клиенту, как именно будет работать устройство. Это уменьшает конечную стоимость продукта, поскольку в процессе его создания не тратятся лишние деньги на изготовление физических моделей.

*Дизайн кофемашины Philips от Романа Рыхлова.* *Источник*

Допустим, команда инженеров работает над дизайном кофемашины. Путем сложных вычислений они приходят к варианту, который и показывают заказчику. И вдруг выясняется, что форма рожка недостаточно эргономична: из-за нее пользователь будет тратить больше кофе, чем нужно. Если для демонстрации дизайна клиенту создавалась реальная кофемашина, придется поставить ее на полку «не принято» и идти разрабатывать новый рожок. А в случае с 3D-моделью все необходимые правки можно внести быстро и без особых усилий.

Будущее 3D

Как видишь, 3D — это не только про сферу развлечений. Главные достоинства трехмерных технологий — их доступность, точность и вариативность — делают 3D идеальным инструментом в руках множества профессионалов. Знания в этой области каждый день помогают ученым, инженерам, врачам и многим другим специалистам сделать мир лучше.

На основе уже существующих методик трехмерного сканирования, моделирования и печати разрабатываются новые, еще более совершенные технологии, от воксельной печати до четырехмерных технологий. И не исключено, что следующее важное открытие или изобретение произойдет именно благодаря 3D.

Источники:

Автор статьи:

Анна Антонова

Редактор статьи:

Денис Николаев

Статья обновлена 23 апреля 2024

Очаровательный антагонист: почему нас привлекают злодеи

Рассказываем почему нам нравятся злодеи и как создать идеального антагониста

3D 3D-технологии технологии наука медицина инженерия экология 3D-печать 3D-моделирование моделирование. визуализация

Поиск

Как используют 3D в разных областях науки и техники