Как NOAA использует SLA и SLS 3D-принтеры для исследования кораллов

Экспериментальная рифовая лаборатория в Атлантической океанографической и метеорологической лаборатории NOAA (AOML) (изображение предоставлено NOAA)

Все больше доказательств изменения климата ежедневно поступает по новостным каналам — фотографии тающих полярных ландшафтов, пышных тропиков, превратившихся в выжженные пустоши, и высохших коралловых рифов. Чтобы бороться с последствиями изменения климата, исследователи по всему миру применяют новые и инновационные методы. Команда исследователей из Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) полагается на 3D-печать, чтобы получать повторяемые, изготовленные по индивидуальному заказу детали для исследования и мониторинга коралловых рифов.

Используя два принтера Form 2 и два Form 3, работающих по технологии стереолитографии (SLA), а также принтер Fuse 1 для селективного лазерного спекания (SLS), Нейт Формел и его коллеги из Атлантической океанографической и метеорологической лаборатории NOAA (AOML) печатают прочные корпуса пробоотборников, приспособления для экспериментальных датчиков и оборудования, а также индивидуальные компоненты для своих собственных аквариумных систем — конструкций, созданных для изучения приспособленности кораллов и методов повышения их устойчивости перед лицом повышения температуры воды и экстремальных условий меняющегося климата.

Неотъемлемая часть глобальной экосистемы

Кораллы — это колониальные организмы, обычно состоящие из тысяч или сотен тысяч отдельных полипов, каждый из которых имеет сложный консорциум микроорганизмов, способствующих их здоровью и питанию. Рифообразующие кораллы выделяют карбонат кальция, твердый камнеподобный материал, из которого состоят структуры, которые мы обычно называем рифовым каркасом или средой обитания. Эта среда обитания и вся поддерживаемая ею рифовая экосистема чрезвычайно ценны, в них сосредоточено самое высокое биоразнообразие в морской среде; их часто называют «тропическими лесами моря». С антропоцентрической точки зрения, они приносят миллиарды долларов экономике США, поддерживая рыболовство, туризм и защищая береговые линии от волн и штормов.

Кораллы жизненно важны для здоровья глобальной экосистемы и мировой экономики, но их собственное здоровье стремительно ухудшается. Исследование, опубликованное в журнале One Earth, показало, что с 1950 года более половины мировой популяции кораллов было уничтожено. Антропогенные факторы, такие как загрязнение воды, разрушение среды обитания и глобальное потепление из-за использования ископаемого топлива, промышленного сельского хозяйства и вырубки лесов, являются основной причиной массовой потери популяции кораллов.

Чтобы бороться с исчезновением коралловых рифов, ученые и исследователи NOAA и их партнерских учреждений используют инновационные методы для изучения кораллов в дикой природе, воспроизведения определенных условий в контролируемых условиях лабораторий, а затем выращивания новых видов кораллов, которые могут лучше выдерживать экстремальные условия современности. Коралловая программа AOML, где работает Формел, в партнерстве с Кооперативным институтом морских и атмосферных исследований Университета Майами (CIMAS) обратилась к 3D-печати для содействия своим полевым и лабораторным исследованиям. Использование принтеров Formlabs помогло стандартизировать их эксперименты, а также повысить их точность и сопоставимость, и способствовало разработке новых технологий.

Члены Атлантической океанографической и метеорологической лаборатории NOAA (AOML) при исполнении служебных обязанностей. (изображение предоставлено NOAA)

Полевые исследования: Контролируемые условия в открытом море

Чтобы выявить характеристики кораллов, которые будут процветать в новой, более экстремальной морской среде, Формел и его коллеги ищут кораллы, которые в настоящее время процветают в условиях, ожидаемых в более закисленном океане, например, возле вулканических жерл. Команда создала автоматический подповерхностный пробоотборник (SAS) для сбора проб воды на коралловых рифах, чтобы лучше понять интенсивность и изменчивость условий, в которых живут эти кораллы. Они сделали конструкцию этих пробоотборников открытой, чтобы другие группы по всему миру могли использовать этот инструмент. Использование 3D-печати помогло сохранить низкую стоимость пробоотборника, что позволило изготавливать и разворачивать множество пробоотборников без больших бюджетов на финансирование. Автоматизация позволяет проводить синхронизированный отбор проб, давая исследователям представление о том, что именно происходит в воде в разное время или в нескольких местах.

«Автоматизация отбора проб была привлекательной идеей для улучшения нашей науки и повышения легкости ее проведения», — говорит Формел. «Вы можете иметь синхронизированное время отбора проб, которое точно показывает, что происходит в химии воды на разных участках».

Развертывание автоматических подповерхностных пробоотборников воды (SAS) в Драй-Тортугас (изображение предоставлено NOAA)

Руководитель коралловой программы AOML, доктор Иан Инокс, начал эту работу по созданию недорогого открытого пробоотборника воды, используя корпуса из прозрачного водонепроницаемого акрила с креплениями из нержавеющей стали, при этом стоимость материалов составляла почти 1000 долларов. Исследовательские лаборатории имеют ограниченные бюджеты, и при такой высокой стоимости материалов было нереалистично ожидать широкого использования первой версии пробоотборника. Однако без автоматизации все пробы приходилось собирать вручную, что увеличивало полевое время и затраты. Ручной сбор также чрезвычайно затруднял получение высокочастотных, синхронизированных или ночных проб. Инокс и Формел обратились к 3D-печати, чтобы снизить эту стоимость и расширить типы наборов данных, которые они могли собирать. «3D-печать позволила нам сохранить сложность исследований, которые мы хотели провести, и сделать это за долю стоимости», — сказал Формел.

Коралловая программа AOML начинала с самой распространенной технологии 3D-печати — настольного устройства для послойного наплавления (FDM), но быстро столкнулась с препятствием. FDM-печать не является водонепроницаемой — способ, которым сопло FDM-принтера наносит материал, создает небольшие зазоры между слоями, что позволяет воде просачиваться внутрь, повреждая чувствительную внутреннюю электронику и моторы пробоотборника. Узнав о технологии SLA, команда начала работать с Form 2, а затем с Form 3, чтобы создавать водонепроницаемые пробоотборники из ПВХ-труб и 3D-печатных деталей, заменив первоначальные дорогие акриловые корпуса.

Подповерхностный автоматический пробоотборник для eDNA (SASe) с SLA торцевыми крышками, картриджем для проб и внутренней арматурой. (изображение предоставлено NOAA)

«Теперь у нас есть эти очень индивидуализированные 3D-печатные компоненты, которые имеют необходимые точки подключения и сквозные отверстия, позволяющие нам собирать пробы воды. Первоначальная конструкция пробоотборника, которая послужила мотивацией для всего этого, мы перестали делать ее за 1000 долларов и начали делать за 220 долларов. Это означает, что теперь я могу выставить пять пробоотборников там, где раньше мог выставить только один».

— Нейт Формел

Собственная аквариальная: Тестирование экстремальных условий

В Экспериментальной рифовой лаборатории (ERL) на морском кампусе Университета Майами Формел и ученые Коралловой программы AOML поддерживают несколько идентичных аквариумных систем, предназначенных для моделирования различных условий в рифовой среде. В каждом из этих аквариумов контролируется набор переменных окружающей среды, включая кислотность воды, температуру, свет и скорость потока, среди прочих.

Экспериментальная рифовая лаборатория; каждый резервуар имеет определенные элементы управления и требует индивидуального корпуса для электроники. SLS-печать этих корпусов позволила команде снизить затраты и повысить эффективность процесса сбора данных. (изображение предоставлено NOAA)

Научные датчики и оборудование в аквариумной среде с соленой водой требуют водонепроницаемых корпусов и прочных, надежных креплений, чтобы избежать повреждений от брызг воды и коррозионного воздействия соленого воздуха.

Возможность 3D-печати водонепроницаемых корпусов и узлов также позволила им внедрить автоматизацию в обслуживание экспериментальных аквариумов. Создав 3D-печатный корпус для влагозащищенных кормушек, они автоматизировали кормление кораллов в течение ночи, что позволило сократить трудозатраты и улучшить и стандартизировать время кормления кораллов.

Еще одним 3D-печатным творением стал водонепроницаемый корпус магнитной мешалки. Они хотели иметь возможность контролировать перемешивание воды в закрытой камере внутри своих резервуаров. Магнитные мешалки довольно распространены, но водонепроницаемые магнитные мешалки дороги. Вместо того чтобы покупать их, команда использовала мотор от компьютерного вентилятора, подключила его к проводу, который был заключен в корпус, напечатанный на Formlabs, закрепила крышку уплотнительным кольцом и акриловой лицевой панелью, загерметизировала провод эпоксидной смолой и создала свою собственную водонепроницаемую магнитную мешалку из материалов на сумму 30 долларов. Погружная магнитная мешалка была включена в новую открытую систему инкубационных камер для быстрой оценки приспособленности кораллов, что позволило сохранить низкую стоимость и доступность технологии, одновременно стандартизируя и оптимизируя проводимые исследования.

«Это одна из удивительных возможностей 3D-печати. Мы могли контролировать воду одинаковым образом в нескольких "подрезервуарах" внутри нашего исходного резервуара. Воспроизводимость — такая важная часть науки, чтобы тестировать и перетестировать вещи. Когда вы можете многократно воспроизвести свой эксперимент, у вас есть статистически надежный способ заниматься наукой».

— Нейт Формел

Прочные детали для воспроизводимой науки

Хотя SLA-печатные детали идеально подходят для создания водонепроницаемых корпусов, они все же не были такими прочными, как хотелось бы Коралловой программе AOML. Кроме того, они требуют трудоемкого окончательного отверждения, чтобы сделать их пригодными для использования с морскими организмами. Однако спеченный нейлон был знакомым материалом, используемым для изготовления многих готовых компонентов, поскольку нейлон снимает любые опасения по поводу воздействия на изучаемые организмы, одновременно создавая невероятно прочные компоненты.

Их первой нейлоновой печатью был простой корпус для экспериментальных аквариумов, чтобы защитить металлические переключатели от коррозии. Чтобы проверить прочность напечатанных деталей, Формел взял кувалду и зубило и ударил по детали, напечатанной на Fuse 1, и, что впечатляет, обнаружил, что не может легко ее сломать.

Формел рассказал нам, что: «Речь идет о том, чтобы стать максимально эффективными и действенными. Мы пытаемся упростить науку, и использование более надежных инструментов облегчает практику контролируемой, воспроизводимой науки».

Правильная цена для исследований

Формелу пришлось обосновать стоимость оборудования перед руководством отдела. Fuse 1 имел достаточно малый размер при достаточно большой области печати, а также доступную цену, что удовлетворяло всем требованиям.

Постоянная экономия средств за счет оптимизации заполнения платформы печати и коэффициента обновления порошка также способствует общей доступности печати на Fuse 1. Формел заполняет камеры печати как можно плотнее, чтобы согласовать плотность упаковки с оптимальным коэффициентом обновления порошка Nylon 12 в 30%, что означает, что только 30% объема камеры составляет совершенно новый, неиспользованный порошок, а 70% — это переработанный порошок из предыдущих печатей.

«Нам не нужно было покупать дополнительный материал с момента покупки машины. Коэффициент переработки очень полезен, и мы стремимся к оптимальной плотности упаковки. Это напрямую ведет к низкой стоимости детали», — говорит Формел.

Корпус электроники, напечатанный на Fuse 1 (слева) и крепление датчика (справа). (изображения предоставлены NOAA)

Специальные цены для образовательных учреждений

Аккредитованные образовательные учреждения имеют право на специальные цены, включая 5% скидку на принтеры, оборудование и отдельные аксессуары, а также бесплатный режим открытых материалов. Свяжитесь с нами по этому вопросу.

Демократизация науки перед лицом глобальной угрозы

Как полевой отбор проб, так и результаты в собственных аквариумах предоставляют огромное количество данных, помогающих исследователям понять, как кораллы могут выживать в суровых условиях. Благодаря финансированию Программы сохранения коралловых рифов NOAA, коралловая программа AOML работает над выявлением более устойчивых кораллов и механизмов их устойчивости, чтобы помочь восстановить коралловые рифы, которые являются такой важной частью морской экосистемы и мировой экономики. Но одна лаборатория не может справиться в одиночку, поэтому Формел и его команда делают свои инструменты, включая свои 3D-модели и детали, полностью открытыми, чтобы распространять знания и осведомленность о своих методах и результатах.

«Один из терминов, который мы используем, — "демократизация науки". Мы хотим сделать так, чтобы каждому было проще использовать одни и те же инструменты, и эти принтеры действительно помогли нам активизировать эти усилия. Потенциал для создания новых вещей, о которых раньше никто не думал, возрос с появлением 3D-печати благодаря ее доступности. До этой работы я никогда не изобретал детали, а теперь делаю это постоянно», — говорит Формел.

Чтобы поощрить тот же дух изобретательства в молодых поколениях, NOAA AOML и Университет Майами приводят студентов — от средней школы до аспирантуры — в лабораторию для образовательных занятий и экскурсий. Эти будущие ученые, инженеры и новаторы могут познакомиться с технологией 3D-печати, а также воочию увидеть, как работает наука о защите и восстановлении климата.

Формел принимает группу студентов, посещающих лабораторию, где представлены несколько технологий 3D-печати, включая SLA и SLS принтеры Formlabs. (изображение предоставлено NOAA)

По мере ухудшения изменения климата новые стратегии и методы борьбы с его последствиями будут разрабатываться этим молодым поколением. Так же, как Формел привык изобретать новые инструменты с помощью своих принтеров Formlabs, инженерам будущего придется создавать вещи, о которых никто раньше не думал. Знакомство с доступными, недорогими и простыми в использовании 3D-принтерами имеет важное значение для помощи им в этом, и NOAA и AOML стремятся помочь сделать это возможным с помощью таких мероприятий, как эти образовательные сессии.