NOAA 如何使用 SLA 和 SLS 3D列印機進行珊瑚研究

▲NOAA 大西洋海洋和氣象實驗室 (AOML) 的珊瑚礁實驗實驗室（圖片由 NOAA 提供）

每天我們都能看到更多有關氣候變化的證據出現在新聞頻道上—極地冰山融化的照片、鬱鬱蔥蔥的熱帶地區變成燒焦的荒地和乾涸的珊瑚礁。為了應對氣候變化的影響，世界各地的研究人員都在採用新穎的創新技術。美國國家海洋暨大氣總署 (NOAA) 的一組研究人員依靠 3D列印來幫助他們實現可重複客製的物件，用於珊瑚礁研究和監測。  

Nate Formel 和他在NOAA 大西洋海洋和氣象實驗室 (AOML) 的同事利用兩台Form 2和兩台Form 3光固化 (SLA) 列印機以及Fuse 1選擇性雷射燒結 (SLS) 列印機列印重型採樣器外殼、用於實驗傳感器和設備的夾具，以及為其內部水族箱客製的組件—用於研究珊瑚適應性的結構以及在水溫升高和氣候變化的極端條件下增強珊瑚復原力的方法。

全球生態系統不可分割的一部分

珊瑚是群居生物，通常由數千或數十萬個個體息肉組成，每個息肉都有一個複雜的微生物群落，有助於它們的健康和營養。造礁珊瑚分泌碳酸鈣，這是一種堅硬的岩石狀物質，由我們通常稱為珊瑚礁框架或棲息地的結構組成。這個棲息地及其支持的整個珊瑚礁生態系統非常有價值，是海洋領域生物多樣性最高的地方；通常被稱為“海洋雨林”。從以人類為中心的角度來看，它們為美國經濟提供了數十億美元的價值，支持漁業、旅遊業，並保護海岸線免受波浪能和風暴的影響。

珊瑚對全球生態系統和全球經濟的健康至關重要，但它們自身的健康正在迅速衰退。發表在One Earth的一項研究發現，自 1950 年以來，全球一半以上的珊瑚種群已被消滅。人為因素，如水污染、棲息地破壞和使用化石燃料、工業化耕作和森林砍伐造成的全球暖化，是珊瑚種群大量減少的主要原因。 

為了對抗珊瑚礁的喪失，美國國家海洋暨大氣總署 (NOAA) 及其合作機構的科學家和研究人員正在利用創新的方法來調查野外珊瑚，在實驗室的受控環境下複製某些條件，然後培育出能夠更好地抵禦極端環境的珊瑚新物種。今天。Formel 任職的 AOML珊瑚專案與邁阿密大學海洋與大氣研究合作研究所 (CIMAS) 合作，已轉向 3D列印，以促進他們的實地和實驗室研究。使用 Formlabs 列印機有助於標準化他們的實驗，並提高其實驗的準確性和可比性，並促進新技術的開發。

▲NOAA 大西洋海洋學和氣象實驗室 (AOML) 值班成員。（圖片由 NOAA 提供）

實地研究：公海的受控條件

為了確定將在新的、更極端的海洋環境中茁壯成長的珊瑚特徵，Formel和他的同事們正在尋找目前酸化程度更高的海洋（如火山口附近的海洋）中茁壯成長的珊瑚。該團隊製作了一個地下自動採樣器（SAS) 收集珊瑚礁生活環境的水樣本，以幫助了解這些珊瑚生活條件的強度和可變性。他們將這些採樣器的設計作為開放資源，以便世界各地的其他團體都可以使用這個工具。利用 3D列印有助於降低採樣器的成本，從而允許在沒有大量資金預算的情況下構建和部署採樣器。自動化設計允許同步採樣，讓研究人員準確了解水中不同時間或多個地點發生的情況。

「採樣自動化是一個有吸引力的想法，可以改善我們的科學並提高使用該科學的便利性，」Formel說。「你可以有一個同步的採樣時間，準確地顯示不同地點的水化學發生了什麼。」

▲Dry Tortugas 的地下自動水採樣器 (SAS) 部署作業（圖片由 NOAA 提供）

AOML珊瑚專案的負責人 Ian Enochs 博士開始努力製作一個低成本的開源水採樣器，其外殼由透明防水丙烯酸和不銹鋼硬件製成，材料加起來將近 1,000 美元。研究實驗室的預算有限，而且由於材料成本如此之高，期望第一個版本的採樣器被廣泛使用是不現實的。然而，如果沒有自動化，所有樣品都必須手動收集，增加了現場時間和成本。手動採集也使得頻繁採集、同步或夜間採取樣本變得極其困難。Enochs 和 Formel 轉向 3D列印以降低成本並擴展他們可以收集的數據類型。「3D列印使我們能夠保持我們想要進行的研究的複雜性，」Formel表示。

AOML珊瑚專案從最普遍的 3D列印技術開始，即桌面型熔融沈積成型 (FDM) 單元，但很快就遇到了障礙。FDM列印並不防水——FDM列印噴嘴射出材料的方式會在層之間產生小間隙，使水滲入，從而損壞精密的內部電子設備和採樣裝置。在聽說 SLA 技術後，該團隊開始使用 Form 2 和後來的 Form 3，用 PVC 管和 3D列印物件製造防水採樣器，以取代原來昂貴的丙烯酸外殼。

▲用於 eDNA (SASe) 的地下自動採樣器，帶有 SLA 端蓋、樣品盒和內部電樞。（圖片由 NOAA 提供）

「我們現在擁有這些非常客製的 3D列印組件，它們具有必要的連接點和孔洞，使我們能夠收集水樣。激發所有這一切的原始採樣器設計，我們停止以 1,000 美元的價格生產，並以 220 美元的價格開始生產。這意味著我現在可以放出五個採樣器，而我以前只能放一個。」Nate Formel

內部水族館：測試極端條件

在邁阿密大學海洋校區的珊瑚礁研究實驗室 (ERL)內，Formel和 AOML珊瑚專案的科學家們維護著多個相同的水族箱系統，旨在模擬珊瑚礁環境中的不同條件。這些水族箱中各個都保持對一系列環境變量的控制，包括水的酸度、溫度、光線和流速等。

▲珊瑚礁研究實驗室；每個水箱都有特定的控制，需要一個客製的電子外殼。SLS 3D列印它們使團隊能夠降低成本並提高數據收集過程的效率。（圖片由 NOAA 提供）

鹽水水族箱環境中的科學傳感器和設備需要防水外殼和堅固可靠的安裝座，以避免被水潑濺和腐蝕性鹽空氣損壞。 

能夠 3D列印防水外殼和組件使他們能夠將自動化引入到實驗水族館的管理中。透過3D列印防濺餵食器的外殼，他們用一個晚上自動化了珊瑚的餵食，消除了數小時的勞動，並改進和標準化了珊瑚餵食事件的時間。 

另一個 3D 列印作品是防水攪拌器外殼。他們希望能夠控制封閉水箱內水的混合。攪拌器很常見，但防水攪拌器價格昂貴。該團隊沒有購買它們，而是使用電腦風扇馬達，將其連接到封裝在 Formlabs列印的外殼內的電線上，用 O 形環和丙烯酸面板固定蓋子，用環氧樹脂密封電線，並製作了自己的防水攪拌器只需 30 美元的材料。可潛入水中的攪拌器被整合到一個新的開源恆溫室系統中，用於快速評估珊瑚的健康狀況，保持低成本和技術可及性，同時標準化和簡化正在進行的研究。

「這是 3D列印的強大功能之一。我們可以以相同的方式控制原始水箱中的『子水箱們』。複製是科學的重要組成部分，可以測試和重新測試事物。當你可以多次重複你的實驗時，你就有了一種統計上可靠的方法來做你的科學。」Nate Formel

用於可重複驗證的堅固物件

雖然SLA是製造防水外殼的理想選擇，但其列印的物件仍無法滿足AOML珊瑚專案的需求。另外，它們需要短時間的後固化以使它們適合與海洋生物一起使用。然而，燒結尼龍是一種熟悉的材料，用於製造許多現成的組件，尼龍不僅消除了對其研究生物體的影響，同時還製造了難以置信的堅韌組件。

他們的第一個尼龍列印物件是用於實驗水族箱的簡單外殼，以保護金屬開關免受腐蝕。為了測試列印件的強度，Formel用大鎚和鑿子敲擊 Fuse 1 列印件，令人印象深刻的是，他無法輕易破壞它。

Formel 告訴我們，「這是攸關我們變得盡可能的高效。我們正在努力簡化科學，並使用更強大的工具使實驗受控、可重複的驗證變得容易。」

研究的價格控制

Formel 必須向部門領導團隊證明設備成本是合理的。Fuse 1 的佔地面積足夠小，列印空間也足夠大，而且價格也很實惠，它符合了所有的標準。 

透過列印床的優化和粉末刷新率持續節省成本也有助於使用 Fuse 1 列印的成本效益。Formel盡可能緊密地排列物件，以使填充密度與 30% 的 Nylon 12 Powder 最佳刷新率保持一致，這意味著只有 30% 的成型粉槽是全新的、未使用的粉末，而 70% 是以前列印的回收粉末。 

「自從購買了這台機器後，我們就不必再購買更多的材料了。回收率非常有用，我們為最佳打包密度而努力。它直接轉化為每個零件的低成本，」Nate Formel說。

▲Fuse 1列印的電子外殼（左）和傳感器支架（右）。（圖片由 NOAA 提供）

使科學民主化以應對全球威脅

現場採樣和內部水族箱結果都提供了大量數據，以幫助研究人員了解珊瑚如何在惡劣條件下生存。通過 NOAA 珊瑚礁保護計劃的資助，AOML珊瑚專案正在努力研究更多珊瑚及其恢復機制，以幫助珊瑚礁再生，這些珊瑚礁是海洋生態系統和全球經濟的重要組成部分。但是一個實驗室無法單獨完成，因此 Formel 和他的團隊將他們的工具（包括他們的 3D 設計和零件）完全開源，以傳播他們的研究方法和結果所獲得的知識。 

「我們使用的一個術語是『使科學民主化』。我們希望讓每個人都能更輕鬆地使用相同的工具，而這些列印機確實幫助我們加強了這一努力。易於接近的3D列印增加了創造前所未有的新事物的潛力。在這份工作之前，我從未發明過零件，而現在我一直在做。」Nate Formel說。  

為了在年輕一代中鼓勵同樣的發明精神，NOAA AOML和邁阿密大學將中學到研究所的學生帶到實驗室進行教育課程和參觀。這些未來的科學家、工程師和創新者能夠接觸到 3D 列印技術，並親眼目睹氣候保護是如何運作的。

▲Formel 接待了一群學生參觀實驗室，展示了幾種 3D 列印技術，包括 Formlabs SLA 和 SLS 列印機。（圖片由 NOAA 提供）

隨著氣候變化的惡化，年輕一代將製定對抗其影響的新戰略和技術。正如 Formel 已經習慣於用他的 Formlabs 列印機發明新工具一樣，未來的工程師將需要創造出過去沒有人想到的東西。接觸易於接近、可負擔的且易於使用的 3D 列印機對於幫助他們做到這一點是不可或缺的，NOAA 和 AOML 致力於透過這些教育活動來幫助實現這一目標。